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【字體：大 中 小】 發(fā)布日期：2014-04-23 10:32:09  點(diǎn)擊次數：1331

在充滿(mǎn)生機的21世紀，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等對材料的尺寸要求越來(lái)越??；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對材料性能要求越來(lái)越高。新材料的創(chuàng )新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng )新是未來(lái)10年對社會(huì )發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來(lái)經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展有著(zhù)十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。近年來(lái)，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達到每平方某時(shí)400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤(pán)、成本低廉、發(fā)光頻段可調的高效納米陣列激光器、價(jià)格低廉高能量轉化的納米結構太陽(yáng)能電池和熱電轉化元件、用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強高韌納米復合材料等的問(wèn)世，充分顯示了它在國民經(jīng)濟新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應用的巨大潛力。正像美國科學(xué)家估計的“這種人們肉眼看不見(jiàn)的極微小的物質(zhì)很可能給予各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命”。納米材料和納米結構的應用將對如何調整國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設計新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機遇。

研究納米材料和納米結構的重要科學(xué)意義在于它開(kāi)辟了人們認識自然的新層次，是知識創(chuàng )新的源泉。由于納米結構單元的尺度（1～100urn）與物質(zhì)中的許多特征長(cháng)度，如電子的德布洛意波長(cháng)、超導相干長(cháng)度、隧穿勢壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當，從而導致納米材料和納米結構的物理、化學(xué)特性既不同于微觀(guān)的原子、分子，也不同于宏觀(guān)物體，從而把人們探索自然、創(chuàng )造知識的能力延伸到介于宏觀(guān)和微觀(guān)物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現新現象，認識新規律，提出新概念，建立新理論，為構筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎，也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究?jì)群?。世紀之交高韌性納米陶瓷、超強納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題；納米結構設計，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。

納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當今納米材料研究新熱點(diǎn)，人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設計納米結構原理性器件以及納米復合傳統材料改性正孕育著(zhù)新的突破。

1研究形狀和趨勢 

納米材料制備和應用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀前20年的主導技術(shù)，帶動(dòng)納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀之交世界先進(jìn)國家都從未來(lái)發(fā)展戰略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關(guān)鍵時(shí)刻，迎接新的挑戰，抓緊納米材料和柏米結構的立項，迅速組織科技人員圍繞國家制定的目標進(jìn)行研究是十分重要的。 

納米材料誕生州多年來(lái)所取得的成就及對各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進(jìn)入90年代，納米材料研究的內涵不斷擴大，領(lǐng)域逐漸拓寬。一個(gè)突出的特點(diǎn)是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密，實(shí)驗室成果的轉化速度之快出乎人們預料，基礎研究和應用研究都取得了重要的進(jìn)展。美國已成功地制備了晶粒為50urn的納米Cu的決體材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒為7urn的Pd，屈服應力比粗晶Pd高5倍；具有高強度的金屬間化合物的增塑問(wèn)題一直引起人們的關(guān)注，晶粒的納米化為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了希望，納米金屬間化合物 FqsAJZCr室成果的轉化，到目前為止，已形成了具有自主知識產(chǎn)權的幾家納米粉體產(chǎn)業(yè)，睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區個(gè)文的易實(shí)他借個(gè)緲陽(yáng)放寬在納米添加功能陶瓷和結構陶瓷改性方面也取得了很好的效果。 

根據納米材料發(fā)展趨勢以及它在對世紀高技術(shù)發(fā)展所占有的重要地位，世界發(fā)達國家的政府都在部署本來(lái)10～15年有關(guān)納米科技研究規劃。美國國家基金委員會(huì )（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應用作為重要基礎研究項目向全國科技界招標；美國DARPA（國家先進(jìn)技術(shù)研究部）的幾個(gè)計劃里也把納米科技作為重要研究對象；日本近匕年來(lái)制定了各種計劃用于納米科技的研究，例如 Ogala計劃、ERATO計劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計劃，1997年，納米科技投資1．28億美元；德國科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15年發(fā)展納米科技的計劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1．2億美元。據1999年7月8日《自然》最新報道，納米材料應用潛力引起美國白宮的注意；美國總統克林頓親自過(guò)問(wèn)納米材料和納米技術(shù)的研究，決定加大投資，今后3年經(jīng)費資助從2．5億美元增加至5億美元。這說(shuō)明納米材料和納米結構的研究熱潮在下一世紀相當長(cháng)的一段時(shí)間內保持繼續發(fā)展的勢頭。 

國際動(dòng)態(tài)和發(fā)展戰略 

1999年7月8日《自然》（400卷）發(fā)布重要消息 題為“美國政府計劃加大投資支持納米技術(shù)的興 起”。在這篇文章里，報道了美國政府在3年內對納米技術(shù)研究經(jīng)費投入加倍，從2．5億美元增加到5億美元?？肆诸D總統明年2月將向國會(huì )提交支持納米技術(shù)研究的議案請國會(huì )批準。為了加速美國納米材料和技術(shù)的研究，白宮采取了臨時(shí)緊急措施，把原1．97億美元的資助強度提高到2．5億美元?！睹绹虡I(yè)周刊》8月19日報道，美國政府決定把納米技術(shù)研究列人21世紀前10年前11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，《美國商業(yè)周刊》在掌握21世紀可能取得重要突破的3個(gè)領(lǐng)域中就包括了納米技術(shù)領(lǐng)域（其它兩個(gè)為生命科學(xué)和生物技術(shù)，從外星球獲得能源）。美國白宮之所以在20世紀即將結束的關(guān)鍵時(shí)刻突然對納米材料和技術(shù)如此重視，其原因有兩個(gè)方面：一是德科學(xué)技術(shù)部1996年對2010年納米技術(shù)的市場(chǎng)做了預測，估計能達到14400億美元，美國試圖在這樣一個(gè)誘人的市場(chǎng)中占有相當大的份額。美國基礎研究的負責人威廉姆斯說(shuō)：納米技術(shù)本來(lái)的應用遠遠超過(guò)計算機工業(yè)。美國白宮戰略規劃辦公室還認為納米材料是納米技術(shù)最為重要的組成部分。在《自然》的報道中還特別提到美國已在納米結構組裝體系和高比表面納米顆粒制備與合成方面領(lǐng)導世界的潮流，在納米功能涂層設計改性及納米材料在生物技術(shù)中的應用與歐共體并列世界第一，納米尺寸度的元器件和納米固體也要與日本分庭抗禮。1999年7月，美國加尼福尼亞大學(xué)洛杉礬分校與惠普公司合作研制成功100urn芯片，美國明尼蘇達大學(xué)和普林斯頓大學(xué)于1998年制備成功量子磁盤(pán)，這種磁盤(pán)是由磁性納米棒組成的納米陣列體系，10－”bit／s尺寸的密度已達109bit／s，美國商家已組織有關(guān)人員迅速轉化，預計2005年市場(chǎng)為400億美元。1988年法國人首先發(fā)現了巨磁電阻效應，到1997年巨磁電阻為原理的納米結構器件已在美國問(wèn)世，在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫(xiě)磁頭將有重要的應用前景。 

最近美國柯達公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預計將給彩色印橡帶來(lái)革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來(lái)市場(chǎng)上占有重要的份額。納米材料在醫藥方面的應用研究也使人矚目，正是這些研究使美國白宮認識到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識創(chuàng )新和技術(shù)創(chuàng )新的源泉，新的規律新原理的發(fā)現和新理論的建立給基礎科學(xué)提供了新的機遇，美國計劃在這個(gè)領(lǐng)域的基礎研究獨占”老大“的地位。

面對這種挑戰的形勢，中國在這個(gè)領(lǐng)域的研究能不能繼續保持第二階梯的前列位置，能不能在下世紀前周年，在納米材料和技術(shù)的市場(chǎng)中占有一定比例的份額，這是值得我們深思的重要問(wèn)題。中國科學(xué)院在我國納米材料研究占有極其重要的地位，在納米粉體的合成、納米金屬和納米陶瓷體材料的制備、納米碳管定向生長(cháng)和超長(cháng)納米碳管的合成、納米同軸電纜的制備和合成、有序陣列納米體系的設計和合成、新合成方法的創(chuàng )新等在國內外都做了有影響的工作。在《自然》上發(fā)表論文1篇，《科學(xué)》上發(fā)表論文4篇，影響因子在3以上的論文6篇，申請發(fā)明專(zhuān)利28項，已獲發(fā)明專(zhuān)利7項，有5項專(zhuān)利獲得實(shí)施，扶植了國內一些納米產(chǎn)業(yè)，這些都為進(jìn)一步工作奠定了基礎。 

為了使中國科學(xué)院在世紀之交乃至下一世紀在納米材料和技術(shù)研究在國際上占有一席之地，在國際市場(chǎng)上占有一份額，從前瞻性、戰略性、基礎性來(lái)考慮應該成立中國科學(xué)院納米材料和技術(shù)研究中心，建議北方成立一個(gè)以物質(zhì)科學(xué)中心為基礎的研究中心（包括金屬研究所），在南方建立一個(gè)以合肥地區中國科學(xué)院固體物理所和中國科技大學(xué)為基礎的研究中心，主要任務(wù)是以基礎研究為主，做好基礎研究與應用研究的銜接和成果的轉化。 

在富有挑戰的對世紀，世界各國都對富有戰略意義的納米科技領(lǐng)域予以足夠的重視，特別是發(fā)達國家都從戰略的高度部署納米材料和納米科技的研究，目的是提高在未來(lái)10年乃至20年在國際中的競爭地位。從各國對納米材料和納米科技的部署來(lái)看，發(fā)展納米材料和納米科技的戰略是：（）以未來(lái)的經(jīng)濟振興和國家實(shí)力的需求為目標，牽引納米材料的基礎研究、應用開(kāi)發(fā)研究；（2）組織多學(xué)科的科技人員交叉創(chuàng )新，做到基礎研究、應用研究并舉，納米科學(xué)、納米技術(shù)并舉，重視基礎研究和應用研究的銜接，重視技術(shù)集成；（3）重視發(fā)展納米材料和技術(shù)改造傳統產(chǎn)品，提高高技術(shù)含量，同時(shí)部署納米材料和納米技術(shù)在環(huán)境、能源和信息等重要領(lǐng)域的應用，實(shí)現跨越式的發(fā)展。 

國內研究進(jìn)展 

我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學(xué)”列入國家攀登項目。國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、國家教委分別組織了8項重大、重點(diǎn)項目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個(gè)分支領(lǐng)域開(kāi)展工作，國家自然科學(xué)基金委員會(huì )還資助了20多項課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關(guān)高科技創(chuàng )新的課題進(jìn)行立項研究。1996年以后，納米材料的應用研究出現了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介人，使我國納米材料的研究進(jìn)入了以基礎研究帶動(dòng)應用研究的新局面。 

目前，我國有60多個(gè)研究小組，有600多人從事納米材料的基礎和應用研究，其中，承擔國家重大基礎研究項目的和納米材料研究工作開(kāi)展比較早的單位有：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)。中國科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué)，還有吉林大學(xué)烹北大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)。青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)＼華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長(cháng)春應用化學(xué) 

研究所、長(cháng)春物理研究所、感光化學(xué)研究所等也相繼開(kāi)展了納米材料的基礎研究和應用研究。我國納米材料基礎研究在過(guò)去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學(xué)方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應的設備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合微粒和粉體的制取等各個(gè)方面都有所創(chuàng )新，取得了重大的進(jìn)展，成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現納米氧化鋁晶粒在拉伸疲勞中應力集中區出現超塑性形變；在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應和自旋波共振等方面做出了創(chuàng )新性的成果；在國際上首次發(fā)現納米類(lèi)鈣鈦礦化合物微粒的磁嫡變超過(guò)金屬Gd；設計和制備了納米復合氧化物新體系，它們的中紅外波段吸收率可達 92％，在紅外保暖纖維得到了應用；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現全致密納米合金中的反常Hall－Petch效應。 

近年來(lái)，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關(guān)注。一是大面積定向碳管陣列合成：利用化學(xué)氣相法高效制備純凈碳納米管技術(shù)，用這種技術(shù)合成的納米管，孔徑基本一致，約20urn，長(cháng)度約100pm，納米管陣列面積達到 3mmX3mm。其定向排列程度高，碳納米管之間間距為100pm。這種大面積定向納米碳管陣列，在平板顯示的場(chǎng)發(fā)射陰極等方面有著(zhù)重要應用前景。這方面的文章發(fā)表在1996年的美國《科學(xué)》雜志上。二是超長(cháng)納米碳管制備：首次大批量地制備出長(cháng)度為2～3mm的超長(cháng)定向碳納米管列陣。這種超長(cháng)碳納米管比現有碳納米管的長(cháng)度提高1～2個(gè)數量級。該項成果已發(fā)表于1998年8月出版的英國《自然》雜志上。英國《金融時(shí)報》以“碳納米管進(jìn)入長(cháng)的階段”為題介紹了有關(guān)長(cháng)納米管的工作。三是氮化嫁納米棒制備：首次利用碳納米管作模板成功地制備出直徑為3～40urn、長(cháng)度達微米量級的發(fā)藍光氮化像一維納米棒，并提出了碳納米管限制反應的概念。該項成果被評為1998年度中國十大科技新聞之一。四是硅襯底上碳納米管陣列研制成功，推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面和納米器件方面的應用。五是唯一維納米絲和納米電纜：應用溶膠一凝膠與碳熱還原相結合的新?椒?，薁钗恒婇W頌薊潁═aC）納米絲外包覆 絕緣體SIOZ和 TaC納米絲外包覆石墨的納米電纜，以及以S江納米絲為芯的納米電纜，當前在國際上 僅少數研究組能合成這種材料。該成果研究論文在瑞典召開(kāi)的1998年第四屆國際納米會(huì )議宣讀后，許多外國科學(xué)家給予高度評價(jià)。六是用苯熱法制備納米氮化像微晶；發(fā)現了非水溶劑熱合成技術(shù)，首次在300℃左右制成粒度達30urn的氮化鋅微晶。還用苯合成制備氮化鉻（CrN）、磷化鉆（COZP）和硫化銻（Sb。S。）納米微晶，論文發(fā)表在1997年的《科學(xué)》雜志上。七是用催化熱解法制成納米金剛石；在高壓釜中用中溫（70℃）催化熱解法使四氯化碳和鈉反應制備出金剛石納米粉，論文發(fā)表在1998年的《科學(xué)》雜志上。美國《化學(xué)與工程新聞》雜志還發(fā)表題為“稻草變黃金棗從四氯化碳（CC14）制成金剛石”～文，予以高度評價(jià)。 

我國納米材料和納米結構的研究已有10年的工作基礎和工作積累，在“八五”研究工作的基礎上初步形成了幾個(gè)納米材料研究基地，中科院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)、中科院固體物理所、中科院金屬所、物理所、中國科技大學(xué)、清華大學(xué)和中科院化學(xué)所等已形成我國納米材料和納米結構基礎研究的重要單位。無(wú)論從研究對象的前瞻性、基礎性，還是成果的學(xué)術(shù)水平和適用性來(lái)分析，都為我國納米材料研究在國際上爭得一席之地，促進(jìn)我國納米材料研究的發(fā)展，培養高水平的納米材料研究人才作出了貢獻。在納米材料基礎研究和應用研究的銜接，加快成果轉化也發(fā)揮了重要的作用。目前和今后一個(gè)時(shí)期內這些單位仍然是我國納米材料和納米結構研究的中堅力量。 

在過(guò)去10年，我國已建立了多種物理和化學(xué)方法制備納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導CVD、等離子加熱氣相合成等10多臺制備納米材料的裝置，發(fā)展了化學(xué)共沉淀、溶膠一凝膠、微乳液水熱、非水溶劑合成和超臨界液相合成制備包括金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物、離子晶體和半導體等多種納米材料的方法，研制了性能優(yōu)良的多種納米復合材料。近年來(lái)，根據國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，建立和發(fā)展了制備納米結構（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、MCM－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長(cháng)、介孔內延生長(cháng)等也積累了豐富的經(jīng)驗，已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進(jìn)一步研究納米結構和準一納米材料的物性，推進(jìn)它們在納米結構器件的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價(jià)手段基本齊全，達到了國際90年代末的先進(jìn)水平。 

綜上所述，"八五"期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng )新性的成果，形成了一支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占有一席之地，應用開(kāi)發(fā)研究也出現了新局面，為我國納米材料研究的繼續發(fā)展奠定了基礎。10年來(lái)，我國科技工作者在國內外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表納米材料和納米結構的論文2400多篇，在國際上排名第五位，其中納米碳管和納米團簇在1998年度歐洲文獻情報交流會(huì )上德國馬普學(xué)會(huì )固體所一篇研究報告中報道中國科技工作者發(fā)表論文已超過(guò)德國，在國際排名第三位，在國際歷次召開(kāi)的有關(guān)納米材料和納米結構的國際會(huì )議上，我國納米材料科技工作者共做邀請報告24次。到目前為止，納米材料研究獲得國家自然科學(xué)三等獎1項，國家發(fā)明獎2項；院部級自然科學(xué)一、二等獎3項，發(fā)明一、H等獎3項，科技進(jìn)步Th等獎1項；申請專(zhuān)利 79項，其中發(fā)明專(zhuān)利占50％，已正式授權的發(fā)明專(zhuān)利6項，已實(shí)現成果轉化的發(fā)明專(zhuān)利6項。 最近幾年，我國納米科技工作者在國際上發(fā)表了一些有影響的學(xué)術(shù)論文，引起了國際同行的關(guān)注和稱(chēng)贊。在《自然》和《科學(xué)》雜志上發(fā)表有關(guān)納米材料和納米結構制備方面的論文6篇，影響因子在6以上的學(xué)術(shù)論文（Phys．Rev．Lett，J．AIn．Chem．Soc ．）近20篇，影響因子在3以上的31篇，被SCI和EI收錄的文章占整個(gè)發(fā)表論文的 59％。 1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開(kāi)的國際第四屆納米材料會(huì )議上，對中國納米材料研究給予了很高評價(jià)，指出這幾年來(lái)中國在納米材料制備方面取得了激動(dòng)人心的成果，在大會(huì )總結中選擇了8個(gè)納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進(jìn)行介紹，中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進(jìn)行了大會(huì )發(fā)言。 

1999年8月20日《美國商業(yè)周刊》在展望21世紀可能有突破性進(jìn)展的領(lǐng)域時(shí)，對生命科學(xué)和生物技術(shù)、納米科學(xué)和納米技術(shù)及從外星球上索取能源進(jìn)行了預測和評價(jià)，并指出這是人類(lèi)跨入21世紀面臨的新的挑戰和機遇。諾貝爾獎獲得者羅雷爾也曾說(shuō)過(guò)：70年代重視微米的國家如今都成為發(fā)達國家，現在重視納米技術(shù)的國家很可能成為下一世紀先進(jìn)的國家。挑戰嚴峻，機遇難得，我們必須加倍重視納米科技的研究，注意納米技術(shù)與其它領(lǐng)域的交叉，加速知識創(chuàng )新和技術(shù)創(chuàng )新，為21世紀中國經(jīng)濟的騰飛奠定雄厚的基礎。

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