納米材料專題
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納米材料研究的新進展及在21世紀的戰略地位
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導讀:21世紀信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發展必然對新材料特別是納米材料提出新的需求,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越??;航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。研究納米材料和納米結構的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次,是知識創新的源泉。(作者:張立德  中國科學院固體物理研究所)

       在充滿生機的21世紀,信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發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越??;航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創新,以及在此基礎上誘發的新技術。新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領域,納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。

納米材料發展研究

       納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展有著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,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400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發光頻段可調的高效納米陣列激光器、價格低廉高能量轉化的納米結構太陽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世,充分顯示了它在國民經濟新型支柱產業和高技術領域應用的巨大潛力。正像美國科學家估計的“這種人們肉眼看不見的極微小的物質很可能給予各個領域帶來一場革命”。納米材料和納米結構的應用將對如何調整國民經濟支柱產業的布局、設計新產品、形成新的產業及改造傳統產業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意義在于它開辟了人們認識自然的新層次,是知識創新的源泉。由于納米結構單元的尺度(1~100urn)與物質中的許多特征長度,如電子的德布洛意波長、超導相干長度、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、化學特性既不同于微觀的原子、分子,也不同于宏觀物體,從而把人們探索自然、創造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領域。在納米領域發現新現象,認識新規律,提出新概念,建立新理論,為構筑納米材料科學體系新框架奠定基礎,也將極大豐富納米物理和納米化學等新領域的研究內涵。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域重要的研究課題;納米結構設計,異質、異相和不同性質的納米基元(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,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生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術,帶動納米產業的發展。世紀之交世界先進國家都從未來發展戰略高度重新布局納米材料研究,在千年交替的關鍵時刻,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行研究是十分重要的。 
       納米材料誕生州多年來所取得的成就及對各個領域的影響和滲透一直引人注目。進入90年代,納米材料研究的內涵不斷擴大,領域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密,實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題一直引起人們的關注,晶粒的納米化為解決這一問題帶來了希望,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權的幾家納米粉體產業,睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區個文的易實他借個緲陽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。 
       根據納米材料發展趨勢以及它在對世紀高技術發展所占有的重要地位,世界發達國家的政府都在部署本來10~15年有關納米科技研究規劃。美國國家基金委員會(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(國家先進技術研究部)的幾個計劃里也把納米科技作為重要研究對象;日本近匕年來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;德國科研技術部幫助聯邦政府制定了1995年到2010年15年發展納米科技的計劃;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問納米材料和納米技術的研究,決定加大投資,今后3年經費資助從2.5億美元增加至5億美元。這說明納米材料和納米結構的研究熱潮在下一世紀相當長的一段時間內保持繼續發展的勢頭。
2、國際動態和發展戰略 
       1999年7月8日《自然》(400卷)發布重要消息 題為“美國政府計劃加大投資支持納米技術的興起”。在這篇文章里,報道了美國政府在3年內對納米技術研究經費投入加倍,從2.5億美元增加到5億美元??肆诸D總統明年2月將向國會提交支持納米技術研究的議案請國會批準。為了加速美國納米材料和技術的研究,白宮采取了臨時緊急措施,把原1.97億美元的資助強度提高到2.5億美元。

       《美國商業周刊》8月19日報道,美國政府決定把納米技術研究列人21世紀前10年前11個關鍵領域之一,《美國商業周刊》在掌握21世紀可能取得重要突破的3個領域中就包括了納米技術領域(其它兩個為生命科學和生物技術,從外星球獲得能源)。美國白宮之所以在20世紀即將結束的關鍵時刻突然對納米材料和技術如此重視,其原因有兩個方面:一是德科學技術部1996年對2010年納米技術的市場做了預測,估計能達到14400億美元,美國試圖在這樣一個誘人的市場中占有相當大的份額。美國基礎研究的負責人威廉姆斯說:納米技術本來的應用遠遠超過計算機工業。美國白宮戰略規劃辦公室還認為納米材料是納米技術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,美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學于1998年制備成功量子磁盤,這種磁盤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人員迅速轉化,預計2005年市場為400億美元。1988年法國人首先發現了巨磁電阻效應,到1997年巨磁電阻為原理的納米結構器件已在美國問世,在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫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業和產品注入新的高科技含量,在未來市場上占有重要的份額。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將占有重要的戰略地位。原因之二是納米材料和技術領域是知識創新和技術創新的源泉,新的規律新原理的發現和新理論的建立給基礎科學提供了新的機遇,美國計劃在這個領域的基礎研究獨占“老大”的地位。 
       面對這種挑戰的形勢,中國在這個領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,在納米材料和技術的市場中占有一定比例的份額,這是值得我們深思的重要問題。中國科學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、納米碳管定向生長和超長納米碳管的合成、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、新合成方法的創新等在國內外都做了有影響的工作。在《自然》上發表論文1篇,《科學》上發表論文4篇,影響因子在3以上的論文6篇,申請發明專利28項,已獲發明專利7項,有5項專利獲得實施,扶植了國內一些納米產業,這些都為進一步工作奠定了基礎。 
       為了使中國科學院在世紀之交乃至下一世紀在納米材料和技術研究在國際上占有一席之地,在國際市場上占有一份額,從前瞻性、戰略性、基礎性來考慮應該成立中國科學院納米材料和技術研究中心,建議北方成立一個以物質科學中心為基礎的研究中心(包括金屬研究所),在南方建立一個以合肥地區中國科學院固體物理所和中國科技大學為基礎的研究中心,主要任務是以基礎研究為主,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域予以足夠的重視,特別是發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看,發展納米材料和納米科技的戰略是:

(1)以未來的經濟振興和國家實力的需求為目標,牽引納米材料的基礎研究、應用開發研究;

(2)組織多學科的科技人員交叉創新,做到基礎研究、應用研究并舉,納米科學、納米技術并舉,重視基礎研究和應用研究的銜接,重視技術集成;

(3)重視發展納米材料和技術改造傳統產品,提高高技術含量,同時部署納米材料和納米技術在環境、能源和信息等重要領域的應用,實現跨越式的發展。
3、國內研究進展 
       我國納米材料研究始于80年代末,“八五”期間,“納米材料科學”列入國家攀登項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織了8項重大、重點項目,組織相關的科技人員分別在納米材料各個分支領域開展工作,國家自然科學基金委員會還資助了20多項課題,國家“863”新材料主題也對納米材料有關高科技創新的課題進行立項研究。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家的介人,使我國納米材料的研究進入了以基礎研究帶動應用研究的新局面。 
       目前,我國有60多個研究小組,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展比較早的單位有:中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學。中國科學院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學、中國科學院化學研究所、清華大學,還有吉林大學烹北大學、西安交通大學、天津大學。青島化工學院、華東師范大學、華東理工大學、浙江大學、中科院大連化學物理研究所、長春應用化學研究所、長春物理研究所、感光化學研究所等也相繼開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、化學方法制備金屬與合金(晶態、非晶態及納米微晶)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方面都有所創新,取得了重大的進展,成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優越的納米陶瓷;在世界上首次發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新性的成果;在國際上首次發現納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁嫡變超過金屬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;發展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法;發現全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應。 
      近年來,我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果,引起了國際上的關注。一是大面積定向碳管陣列合成:利用化學氣相法高效制備純凈碳納米管技術,用這種技術合成的納米管,孔徑基本一致,約20urn,長度約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,在平板顯示的場發射陰極等方面有著重要應用前景。這方面的文章發表在1996年的美國《科學》雜志上。二是超長納米碳管制備:首次大批量地制備出長度為2~3mm的超長定向碳納米管列陣。這種超長碳納米管比現有碳納米管的長度提高1~2個數量級。該項成果已發表于1998年8月出版的英國《自然》雜志上。英國《金融時報》以“碳納米管進入長的階段”為題介紹了有關長納米管的工作。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、長度達微米量級的發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,推進碳納米管在場發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的1998年第四屆國際納米會議宣讀后,許多外國科學家給予高度評價。六是用苯熱法制備納米氮化像微晶;發現了非水溶劑熱合成技術,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,論文發表在1997年的《科學》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,論文發表在1998年的《科學》雜志上。美國《化學與工程新聞》雜志還發表題為“稻草變黃金棗從四氯化碳(CC14)制成金剛石”~文,予以高度評價。 
       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納米材料研究基地,中科院上海硅酸鹽研究所、南京大學、中科院固體物理所、中科院金屬所、物理所、中國科技大學、清華大學和中科院化學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。無論從研究對象的前瞻性、基礎性,還是成果的學術水平和適用性來分析,都為我國納米材料研究在國際上爭得一席之地,促進我國納米材料研究的發展,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,加快成果轉化也發揮了重要的作用。目前和今后一個時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。 
       在過去10年,我國已建立了多種物理和化學方法制備納米材料,研制了氣體蒸發、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,發展了化學共沉淀、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,研制了性能優良的多種納米復合材料。近年來,根據國際納米材料研究的發展趨勢,建立和發展了制備納米結構(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、介孔內延生長等也積累了豐富的經驗,已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進一步研究納米結構和準一納米材料的物性,推進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手段基本齊全,達到了國際90年代末的先進水平。
       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,應用開發研究也出現了新局面,為我國納米材料研究的繼續發展奠定了基礎。10年來,我國科技工作者在國內外學術刊物上共發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上德國馬普學會固體所一篇研究報告中報道中國科技工作者發表論文已超過德國,在國際排名第三位,在國際歷次召開的有關納米材料和納米結構的國際會議上,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三等獎1項,國家發明獎2項;院部級自然科學一、二等獎3項,發明一、H等獎3項,科技進步Th等獎1項;申請專利 79項,其中發明專利占50%,已正式授權的發明專利6項,已實現成果轉化的發明專利6項。 最近幾年,我國納米科技工作者在國際上發表了一些有影響的學術論文,引起了國際同行的關注和稱贊。在《自然》和《科學》雜志上發表有關納米材料和納米結構制備方面的論文6篇,影響因子在6以上的學術論文(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收錄的文章占整個發表論文的 59%。 1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國際第四屆納米材料會議上,對中國納米材料研究給予了很高評價,指出這幾年來中國在納米材料制備方面取得了激動人心的成果,在大會總結中選擇了8個納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進行介紹,中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進行了大會發言。 
       1999年8月20日《美國商業周刊》在展望21世紀可能有突破性進展的領域時,對生命科學和生物技術、納米科學和納米技術及從外星球上索取能源進行了預測和評價,并指出這是人類跨入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過:70年代重視微米的國家如今都成為發達國家,現在重視納米技術和納米材料的國家很可能成為下一世紀先進的國家。挑戰嚴峻,機遇難得,我們必須加倍重視納米科技和納米材料的研究,注意納米技術、
納米材料與其它領域的交叉,加速知識創新和技術創新,為21世紀中國經濟的騰飛奠定雄厚的基礎。

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