著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman在 20世紀(jì) 60年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。納米材料是指晶粒尺寸為納米級 (10-9m)的超細(xì)材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為 1～102 nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子 ,二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)[1 , 2 ]。1984年德國薩爾蘭大學(xué)的 Gleiter以及美國阿貢試驗室的 Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高潔凈真空的條件下將粒徑為 6 nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體 ,從而使納米材料進入了一個新的階段 [3 ]。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議 ,正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來說 ,它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中 ,界面原子占極大比例 ,而且原子排列互不相同 ,界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān) ,從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài) [4]。在納米材料中 ,納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序 ,通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級 ,高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變 [5～7]。納米相材料跟普通的金屬、陶瓷 ,和其他固體材料都是由同樣的原子組成 ,只不過這些原子排列成了納米級的原子團 ,成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。一個直徑為 3 nm的原子團包含大約 900個原子 ,幾乎是英文里一個句點的百萬分之一 ,這個比例相當(dāng)于一條300多米長的船跟整個地球的比例 [8]。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個熱點 ,其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)被公認(rèn)為是 2 1世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。 

　　1　納米材料的特性 

　　1.1　納米材料的表面效應(yīng) 

　　納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大[9]后所引起的性質(zhì)上的變化 。（圖略） 

　　1.2　納米材料的體積效應(yīng) [1 0 ] 

　　由于納米粒子體積極小 ,所包含的原子數(shù)很少。因此 ,許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明 ,這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡并電子態(tài) ,并進一步假設(shè)它們的能級為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級 ,并認(rèn)為相鄰電子能級間距 δ和金屬納米粒子的直徑 d的關(guān)系為 : 

　　　　 δ=4EF/ 3 N∝ V-1∞1 / d3 (1 ) 

　　其中 ,N為一個金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù) ;V為納米粒子的體積 ;EF 為費米能級。隨著納米粒子的直徑減小 ,能級間隔增大 ,電子移動困難 ,電阻率增大 ,從而使能隙變寬 ,金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。 

　　1.3　納米材料的量子尺寸效應(yīng) [1 1 ] 

　　當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時 ,金屬粒子費米面附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級 ;并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級和最低未被占據(jù)的分子軌道能級 ,使得能隙變寬的現(xiàn)象 ,被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質(zhì) ,如高的光學(xué)非線性 ,特異的催化和光催化性質(zhì)等。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長 ,德布羅意波長 ,超導(dǎo)態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時 ,晶體周期性邊界條件將被破壞 ,非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小 ,導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加 ,超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變 ,金屬熔點降低 ,增強微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì) ,可以改變顆粒尺寸 ,控制吸收邊的位移 ,制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料 ,用于電磁波屏蔽、隱型飛機等。 

　　由于納米粒子細(xì)化 ,晶界數(shù)量大幅度的增加 ,可使材料的強度、韌性和超塑性大為提高。其結(jié)構(gòu)顆粒對光 ,機械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級的結(jié)構(gòu)顆粒 ,使得納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性 ,例如 :納米相銅強度比普通銅高 5倍 ;納米相陶瓷的韌性是極高的 ,這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu) ,可望得到諸如高強度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規(guī)模復(fù)合材料等新一代材料 ,為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題開拓了新的途徑。 

　　2　納米技術(shù)的應(yīng)用及前景 

　　2.1　納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用 

　　陶瓷材料作為材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是 ,由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆 ,韌性、強度較差 ,因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ,納米陶瓷隨之產(chǎn)生 ,希望以此來克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國著名材料專家 Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。 

　　所謂納米陶瓷 ,是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料 ,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上[1 2 ]。要制備納米陶瓷 ,這就需要解決 :粉體尺寸、形貌和分布的控制 ,團聚體的控制和分散 ,塊體形態(tài)、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為幾個納米的晶粒組成 ,則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?nbsp;,能夠發(fā)生 100 %的塑性形變。并且發(fā)現(xiàn) ,納米 TiO2 陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性 ,在 180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認(rèn)為 [1 4],如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題 ,從而控制陶瓷晶粒尺寸在 50 nm以下的納米陶瓷 ,則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。上海硅酸鹽研究所研究發(fā)現(xiàn) ,納米 3Y-TZP陶瓷 (100 nm左右 )在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗后 ,其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變 ,形變量高達380 %,并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線 [1 5]。Tatsuki等人對制得的 Al2O3 -SiC納米復(fù)相陶瓷進行拉伸蠕變實驗 ,結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移 ,Al2O3 晶界處的納米 SiC粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)并嵌入Al2O3 晶粒之中 ,從而增強了晶界滑動的阻力 ,也即提高了Al2O3 -SiC納米復(fù)相陶瓷的蠕變能力 [1 6]。 

　　我們曾經(jīng)利用化學(xué)共沉淀結(jié)合高頻等離子體焙解新工藝[1 7, 1 8],制得了納米 ZnO及相應(yīng)的添加劑陶瓷復(fù)合粉體。TEM分析結(jié)果表明 :陶瓷復(fù)合粉體的粒徑均小于 100 nm。通過適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)配比 ,在 1100℃左右燒結(jié) ,可獲得致密的瓷體 ,壓敏電壓可達 480V/ mm左右 ,非線性系數(shù)可達52。 

　　雖然納米陶瓷還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決 ,但其優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強度、斷裂韌性 ,使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用 ,并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用 ,具有廣闊的應(yīng)用前景。 

　　2.2　納米技術(shù)在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 

　　納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分 ,其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件 ,它包括納米有序 (無序 )陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進一步減小 ,研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。 

　　目前 ,利用納米電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管 ,紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。并且 ,具有奇特性能的碳納米管的研制成功 ,為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。