著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Feyneman在 20世紀(jì) 60年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話(huà)，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說(shuō)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(jí) (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(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子 ,二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒(méi)有長(zhǎng)程序也沒(méi)有短程序的無(wú)序結(jié)構(gòu)[1 , 2 ]。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的 Gleiter以及美國(guó)阿貢試驗(yàn)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(jìn)入了一個(gè)新的階段 [3 ]。1990年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議 ,正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來(lái)說(shuō) ,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?chē)�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(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無(wú)限長(zhǎng)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(jí) ,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(guò)這些原子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán) ,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(gè)直徑為 3 nm的原子團(tuán)包含大約 900個(gè)原子 ,幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬(wàn)分之一 ,這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長(zhǎng)的船跟整個(gè)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(gè)熱點(diǎn) ,其相應(yīng)發(fā)展起來(lái)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(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明 ,這種特殊的現(xiàn)象通常稱(chēng)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(duì)金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡(jiǎn)并電子態(tài) ,并進(jìn)一步假設(shè)它們的能級(jí)為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級(jí) ,并認(rèn)為相鄰電子能級(jí)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(gè)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(fèi)米能級(jí)。隨著納米粒子的直徑減小 ,能級(jí)間隔增大 ,電子移動(dòng)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(shí) ,金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí) ;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(jí)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí) ,使得能隙變寬的現(xiàn)象 ,被稱(chēng)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(jí)中的電子的波動(dòng)性帶來(lái)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(zhǎng) ,德布羅意波長(zhǎng) ,超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或與磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí) ,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(diǎn)降低 ,增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度、韌性和超塑性大為提高。其結(jié)構(gòu)顆粒對(duì)光 ,機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級(jí)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(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題開(kāi)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(qiáng)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(lái)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(guó)著名材料專(zhuān)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(jí)尺度的陶瓷材料 ,也就是說(shuō)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(jí)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(tuán)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(gè)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(zhuān)家認(rèn)為 [1 4],如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)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(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。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(yàn)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(dá)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(duì)制得的 Al2O3 -SiC納米復(fù)相陶瓷進(jìn)行拉伸蠕變實(shí)驗(yàn) ,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(qiáng)了晶界滑動(dòng)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?cè)��?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(guò)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(dá) 480V/ mm左右 ,非線性系數(shù)可達(dá)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(qiáng)度、斷裂韌性 ,使其在切削刀具、軸承、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用 ,并在許多超高溫、強(qiáng)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(lái)設(shè)計(jì)并制備納米量子器件 ,它包括納米有序 (無(wú)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(jìn)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(lán)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(chǎng)探測(cè)器已經(jīng)問(wèn)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。