著名的诺贝尔奖获得者 Feyneman在 20世纪 60年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级 (10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为 1～102 nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子 ,二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构[1 , 2 ]。1984年德国萨尔兰大学的 Gleiter以及美国阿贡试验室的 Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高洁净真空的条件下将粒径为 6 nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体 ,从而使纳米材料进入了一个新的阶段 [3 ]。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议 ,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说 ,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中 ,界面原子占极大比例 ,而且原子排列互不相同 ,界面周围的晶格结构互不相关 ,从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态 [4]。在纳米材料中 ,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序 ,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级 ,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变 [5～7]。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷 ,和其他固体材料都是由同样的原子组成 ,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团 ,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。一个直径为 3 nm的原子团包含大约 900个原子 ,几乎是英文里一个句点的百万分之一 ,这个比例相当于一条300多米长的船跟整个地球的比例 [8]。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点 ,其相应发展起来的纳米技术被公认为是 2 1世纪最具有前途的科研领域。 

　　1　纳米材料的特性 

　　1.1　纳米材料的表面效应 

　　纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大[9]后所引起的性质上的变化 。（图略） 

　　1.2　纳米材料的体积效应 [1 0 ] 

　　由于纳米粒子体积极小 ,所包含的原子数很少。因此 ,许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明 ,这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态 ,并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级 ,并认为相邻电子能级间距 δ和金属纳米粒子的直径 d的关系为 : 

　　　　 δ=4EF/ 3 N∝ V-1∞1 / d3 (1 ) 

　　其中 ,N为一个金属纳米粒子的总导电电子数 ;V为纳米粒子的体积 ;EF 为费米能级。随着纳米粒子的直径减小 ,能级间隔增大 ,电子移动困难 ,电阻率增大 ,从而使能隙变宽 ,金属导体将变为绝缘体。 

　　1.3　纳米材料的量子尺寸效应 [1 1 ] 

　　当纳米粒子的尺寸下降到某一值时 ,金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级 ;并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级 ,使得能隙变宽的现象 ,被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质 ,如高的光学非线性 ,特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长 ,德布罗意波长 ,超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时 ,晶体周期性边界条件将被破坏 ,非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小 ,导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加 ,超导相向正常相转变 ,金属熔点降低 ,增强微波吸收等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质 ,可以改变颗粒尺寸 ,控制吸收边的位移 ,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料 ,用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。 

　　由于纳米粒子细化 ,晶界数量大幅度的增加 ,可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光 ,机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒 ,使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性 ,例如 :纳米相铜强度比普通铜高 5倍 ;纳米相陶瓷的韧性是极高的 ,这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构 ,可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料 ,为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。 

　　2　纳米技术的应用及前景 

　　2.1　纳米技术在陶瓷领域的应用 

　　陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是 ,由于传统陶瓷材料质地较脆 ,韧性、强度较差 ,因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用 ,纳米陶瓷随之产生 ,希望以此来克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国著名材料专家 Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。 

　　所谓纳米陶瓷 ,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上[1 2 ]。要制备纳米陶瓷 ,这就需要解决 :粉体尺寸、形貌和分布的控制 ,团聚体的控制和分散 ,块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。 

　　 Gleiter指出 [13],如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成 ,则能够在低温下变为延性的 ,能够发生 100 %的塑性形变。并且发现 ,纳米 TiO2 陶瓷材料在室温下具有优良的韧性 ,在 180℃经受弯曲而不产生裂纹。许多专家认为 [1 4],如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题 ,从而控制陶瓷晶粒尺寸在 50 nm以下的纳米陶瓷 ,则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。上海硅酸盐研究所研究发现 ,纳米 3Y-TZP陶瓷 (100 nm左右 )在经室温循环拉伸试验后 ,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变 ,形变量高达380 %,并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线 [1 5]。Tatsuki等人对制得的 Al2O3 -SiC纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验 ,结果发现伴随晶界的滑移 ,Al2O3 晶界处的纳米 SiC粒子发生旋转并嵌入Al2O3 晶粒之中 ,从而增强了晶界滑动的阻力 ,也即提高了Al2O3 -SiC纳米复相陶瓷的蠕变能力 [1 6]。 

　　我们曾经利用化学共沉淀结合高频等离子体焙解新工艺[1 7, 1 8],制得了纳米 ZnO及相应的添加剂陶瓷复合粉体。TEM分析结果表明 :陶瓷复合粉体的粒径均小于 100 nm。通过适当的杂质配比 ,在 1100℃左右烧结 ,可获得致密的瓷体 ,压敏电压可达 480V/ mm左右 ,非线性系数可达52。 

　　虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决 ,但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性 ,使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用 ,并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用 ,具有广阔的应用前景。 

　　2.2　纳米技术在微电子学领域的应用 

　　纳米电子学是纳米技术的重要组成部分 ,其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件 ,它包括纳米有序 (无序 )阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小 ,研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 

　　目前 ,利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。单电子晶体管 ,红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。并且 ,具有奇特性能的碳纳米管的研制成功 ,为纳米电子学的发展起到了关键作用。