第一章 知识篇

1.1 什么是“纳米”
所谓纳米,就像米、厘米、毫米一样,是一个长度计量单位,1纳米是1米的十亿分之一（10-9m）。

1.2 什么是纳米材料
我们把粒径在1～100纳米之间的材料称为纳米材料。随着物质的超微化,纳米材料具有独特的四大效应:小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学特性。

1.3 什么是纳米技术
所谓纳米技术,是以0.1～100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学,与计算机技术、基因工程并称为21世纪三大前沿科技。纳米技术的形成与纳米材料的出现,是20世纪材料科学在前沿研究领域取得的突破性成果,是人类科技发展史上又一座重要的里程碑。

1.4 纳米材料的四大效应
①小尺寸效应 当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子波长等相当或更小时,在不改变化学成分的条件下,声、光、电、磁、热、力学等物理特性均发生变化。
②表面与界面效应 纳米微粒尺寸小,表面积大,位于表面原子相对比例就大,表面能高。10nm表面原子数占20%,1nm即达99%,引起表面原子配合不全，导致表面活性点增加,而活性增大,极不稳定,很容易与其他原子结合。暴露在空气中,会吸附气体,并与气体进行反应。
③量子尺寸效应 当纳米微粒的尺寸下降到某一值时,会产生比原子小的效应,即量子效应,产生新的物质,是20世纪新发现的自然现象。量子学的规律,适用于宏观又适用于微观,它揭示了光电子的能量与光强度无关,而与射散光的频率有关,在揭示经典物理的基础上,建立了新的概念和理论。
④宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力,称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。纳米材料具有贯穿势垒的能力,这就使其物化反应需消耗的能量和催化剂减少,反应速度与效果递增。
受四种效应的影响,使纳米材料表现出许多奇特的物理、化学、生物特性,开辟了人们认识大自然的新层次。

1.5 纳米技术已经应用到哪些领域
纳米技术的应用前景相当广阔,譬如,在陶瓷的制作过程中采用纳米技术,就能解决其脆性问题,达到类似于铁的耐弯曲性:在纺织品中使用纳米材料掺和的纤维,就具有灭菌和自动消毒的保健功能;在护肤品中加入纳米粉,能够使皮肤迅速恢复自身新陈代谢和抵抗病菌的功能;应用纳米技术的外墙涂料,耐洗刷性由原来的1000多次提高到10000多次,老化时间也延长了两倍多。此外,人们还可以利用纳米技术制造出像蜜蜂大小的可控式飞机,像米粒大小的汽车,比头发丝还要小得多的马达……因此,可以说纳米技术有着不可限量的潜力,正孕育着新的科学技术时代和产业大革命的到来。
纳米技术不仅对生物技术产生革命性的影响,而且也促使传统产业的“旧貌变新颜”。目前纳米技术已经渗透到材料、机械、计算机、医药、家电、环保、农业等诸多领域。近几年,纳米技术的研究及应用在我国也呈现出方兴未艾之势。由于纳米市场容量大,利润空间大，纳米技术的兴起导致出现新的经济增长点,从而促进社会生产力的发展,为社会的就业带来新的机会。

1.6 什么是21世纪最受关注的前沿科学
纳米科技是21世纪最受关注的前沿科学。1990年7月，第一届国际纳米材料会议在美国巴尔的摩召开,就标志着纳米科技的正式诞生。到1994年10月,第二届国际NST会议在德国举行时,纳米科技已成为材料科学、凝聚态物理、化学领域的焦点。我国对纳米科技非常重视,并给予了大力的支持。国家科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门从“八五”、“九五”开始就设立了“攀登计划”项目和相关的重点、重大项目。我国的纳米科技研究,特别是在纳米材料方面取得了重要进展,并引起了国际上的关注。1995年德国科技部对我国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中,我国在纳米材料方面与法国同列第5等级,前4个等级为日本、德国、美国和北欧。2000年10月11日,中共中央十五届五中全会明确提出了将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。这为我国21世纪初纳米科技的快速发展奠定了重要的基础。据统计,目前全球纳米技术年产值已达到500亿美元,预计2010年将达到14400亿美元。所以说纳米技术的应用和发展这些年已经呈现出迅猛发展的势头,在未来的几年纳米技术将得到更为广泛的应用,将越来越多地进入我们寻常百姓的生活。