【前言】著名科學家費曼於2023年所作的《在底部還有很大空間》的演講中，以「由下而上的方法」(bottom up) 出發，提出從單個分子甚至原子開始進行組裝，以達到設計要求。他說道，「至少依我看來，物理學的規律不排除乙個原子乙個原子地製造物品的可能性。」並預言，「當我們對細微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴充我們獲得物性的範圍。
」[1]
2023年，科學家唐尼古奇最早使用奈米技術一詞描述精密機械加工。2023年，科學家發明研究奈米的重要工具－－掃瞄隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示乙個可見的原子、分子世界，對奈米科技發展產生了積極促進作用。 2023年7月，第一屆國際奈米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標誌著奈米科學技術的正式誕生。
【摘要】奈米技術是當今世界最有前途的決定性技術。文章簡要地概述了奈米技術，奈米材料的結構和特殊性質以及奈米奈米材料各方面的效能在實際中的應用，並展望了奈米材料的應用前景
1． 奈米科學和技術
1.1 奈米科技的定義
奈米科技是20世紀80年代末誕生並正在崛起的新科技，是一門在0.1~ 100 nm尺度空間內，研究電子、原子和分子運動規律和特性的高技術學科。其涵義是人類在奈米尺寸（10-9--10-7m）範圍內認識和改造自然，最終目標是通過直接操縱和安排原子、分子而創造特定功能的新物質。
奈米科技是現代物理學與先進工程技術相結合的基礎上誕生的，是一門基礎研究與應用研究緊密聯絡的新興科學技術。其中奈米材料是奈米科技的重要組成部分。
1.2 奈米科技的內容
奈米科技主要包含：奈米物理學；奈米電子學；奈米材料學；奈米機械學；奈米生物學；奈米顯微學；奈米計量學；奈米製造學……
1.3 奈米科技的內涵
第一：奈米科技不僅僅是奈米材料的問題。目前科技界普遍公認的奈米科技的定義是：
在奈米尺度上研究物質的特性和相互作用以及如何利用這些特性和相互作用的具有多學科交叉性質的科學和技術。奈米科技與眾多學科密切相關，它是一門體現多學科交叉性質的前沿領域。現在已不能將奈米科技劃歸任何乙個傳統學科。
如果將奈米科技與傳統學科相結合，可產生眾多的新的學科領域，並派生出許多新名詞。這些新名詞所體現的研究內容又有交叉重疊。若以研究物件或工作性質來區分，奈米科技包括三個研究領域：
奈米材料；奈米器件；奈米尺度的檢測與表徵。其中奈米材料是奈米科技的基礎；奈米器件的研製水平和應用程度是人類是否進入奈米科技時代的重要標誌；奈米尺度的檢測與表徵是奈米科技研究必不可少的手段和理論與實驗的重要基礎。目前人們對奈米科技的理解，似乎僅僅是講奈米材料，只侷限於奈米材料的製備,這是不全面的。
主要原因：國內科研經費的資助以及有影響的成果的獲得，主要集中在奈米材料領域，而且我國目前奈米科技在實際生活中的應用也最先在奈米材料這一領域表現出來。我國現在300余家從事奈米科技研發的公司也主要是從事奈米材料，尤其是奈米粉體材料的生產。
第二：奈米科技不僅僅是傳統微加工技術的擴充套件和延伸。奈米科技的最終目的是以原子、分子為起點，去設計製造具有特殊功能的產品。
在未來，人們將可以用奈米技術乙個乙個地將原子組裝起來，製成各種奈米機器如奈米幫浦、奈米齒輪、奈米軸承和用於分子裝配的精密運動控制器。
奈米科技研究的技術路線可分為「自上而下」和「自下而上」兩種方式。「自上而下」是指通過微加工或固態技術，不斷地在尺寸上將人類創造的功能產品微型化；「自下而上」是指以原子、分子為基本單元，根據人們的意願進行設計和組裝，從而構築成具有特定功能的產品，這主要是利用化學和生物學技術。
它的出現標誌著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，標誌著人類科學技術已進入乙個新的時代。奈米科技的迅猛發展將在21世紀促使幾乎所有工業領域產生一場革命性的變化。奈米材料是未來社會發展極為重要的物質基礎，許多科技新領域的突破迫切需要奈米材料和奈米科技支撐，傳統產業的技術提公升也急需奈米材料和技術的支援。
第三：奈米材料不僅僅是顆粒尺寸減小的問題。有些人認為，奈米技術與微公尺技術相比僅僅是尺寸縮小、精度提高的問題，檢驗一項技術或產品只要看它是否是奈米量級即可。
這種認識是片面的。奈米科技的重要意義主要體現是在這樣乙個尺寸範圍內，其所研究的物質物件將產生許多既不同於巨集觀物體也不同於單個原子、分子的奇異性質或對原有性質有十分顯著的改進和提公升。因此，判斷奈米材料，不僅僅看顆粒是否在奈米量級，更重要的是要檢測它在這一尺寸下，是否發生了效能的改變或原有效能顯著的提高。
2 奈米材料
2.1 奈米材料的定義
粒徑為1nm-100nm的納公尺粉，直徑為1nm-100nm的奈米線，厚度為1nm-100nm的奈米簿膜，並且出現奈米效應的材料稱為奈米材料。
2.2 奈米材料的分類
a、按維數或結構來分，奈米材料的基本單元可以分為四類：零維奈米材料；一維奈米材料；二維奈米材料；三維奈米材料。
b、按材料物性劃分，奈米材料可分為：奈米半導體；奈米磁性材料；奈米非線性光學材料；奈米鐵電體；奈米熱電材料；奈米光電材料；奈米超導材料。
c、按應用劃分，奈米材料又可分為：奈米電子材料；奈米光電子材料；奈米生物醫藥材料；奈米敏感材料；奈米儲能材料。
d、按應用劃分，奈米材料又可分為：奈米電子材料；奈米光電子材料；奈米生物醫藥材料；奈米敏感材料；儲能材料。
e、按化學組分劃分，奈米材料可劃分為：奈米金屬；奈米晶體；奈米陶瓷；奈米玻璃；奈米高分子；奈米複合材料。
2.3 奈米材料的顆粒特徵
由於顆粒極度細化 ，晶界所佔體積分數增加，使得材料的某些效能發生截然不同的變化 。
例如 ，以前給人極脆印象的陶瓷，奈米化後居然可以用來加工製造發動機零件 ；
儘管各種塊狀金屬有不同顏色 ，但當其細化到奈米級的顆粒時 ，所有金屬都呈現出黑色 。
奈米材料的另一特點是熔點極低 ，金的熔點通常是 1000多攝氏度 ，而晶粒尺度為 3nm的金微粒，其熔點僅為普通金的一半。
如將奈米陶瓷退火使晶粒長大到微公尺量級，又將恢復通常陶瓷的特性，因此可以利用奈米陶瓷的範性對陶瓷進行擠壓與軋制加工，隨後進行熱處理，使其轉變為通常陶瓷，或進行表面熱處理，使材料內部保持韌性，但表面卻顯示出高硬度、高耐磨性與抗腐蝕性。
2.4 奈米材料的結構
在奈米材料的結構中，存在著兩種結構組元，即晶體組元和介面組元。晶體組元由所有晶粒中的原子組成，這些原子都嚴格地位於晶格位置；介面組元由處於各晶粒之間的介面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉化而來。
晶體組元由所有晶粒中的原子組成，這些原子都嚴格地位於晶格位置，長程有序；介面組元由處於各晶粒間的介面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉化而來。介面原子密度低，介面上鄰近原子配位數發生變化，介面原子間距差別大。
奈米材料兩種結構組元的存在，特別是介面組元的存在，使其特性既不同於原子，又不同於結晶體，其物理化學性質與塊體材料相比有明顯差異。可以說它是一種不同於本體材料的新材料。
構成奈米塊體材料、薄膜材料、多層膜的基本結構單元主要有：原子團簇、奈米微粒、人造原子、奈米管、奈米棒、奈米絲和同軸奈米電纜。其中：
原子團簇是一類於20世紀80年代才發現的新的化學物種。它是幾個至幾百個原子的聚集體（粒徑小於或等於1nm），如fen，cun**，**hm（n和m為正數）和碳簇（c60, c70等）等。原子團簇不同於具有特定大小和形狀的分子，也不同於以弱的結合力結合的鬆散分子團簇和具有週期性的晶體。
它們的形狀多種多樣，它們尚未形成規整的晶體。
奈米微粒是指顆粒尺寸為奈米量級的超微顆粒,它的尺寸大於原子簇(cluster),小於通常的微粉。在固體物理和分子化學中，常將含有幾個到幾百個原子或尺度小於1nm 的粒子稱為「簇」，它是介於單個原子和固態之間的原子集合體。奈米微粒一般在1~100nm之間。
當粒子尺寸進入奈米量級時，其本身具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和巨集觀量子隧道效應，因而展現出許多特有的性質，在催化、濾光、光吸收、醫藥、磁介質及新材料等方面有著廣闊的使用前景。
人造原子是由一定數量的實際原子組成的聚集體，它的尺寸小於100nm，有時稱其為量子點，是20世紀90年代提出來的新概念。人們曾將半導體的量子點也稱為人造原子。當體系的尺度與物理特徵量相近時，量子效應十分顯著。
因此當大規模積體電路微細化到100nm左右時，以傳統觀念和原理為基礎的大規模積體電路的工作原理將受到嚴峻挑戰，電子在人造原子中的運動規律將出現經典物理難於解釋的新現象。
2.5奈米材料的性質：
奈米材料的特性既不同於原子，又不同於結晶體，可以說它是一種不同於本體材料的新材料，其物理化學性質與塊體材料有明顯差異。主要表現在：奈米材料效能表現出強烈的尺寸依賴性當粒子尺寸減小到奈米級的某一尺寸時，則材料的物性會發生突變，與同組分的常規材料的效能完全不同，且同類材料的不同效能有不同的臨界尺寸，對同一效能，不同材料相應的臨界尺寸也有差異，所以當物質的粒子尺寸達到奈米數量級時，將會表現出優於同組分的晶態或非晶態的性質。
如熔點下降、強烈的化學活性和催化活性及特殊的光學、電學、磁學和力學及燒結效能。這主要是由奈米材料的下列效應引起：小尺寸效應（體積效應）；表面與介面效應；量子尺寸效應（久保效應）；巨集觀量子隧道效應；庫侖堵塞與量子隧穿；介電限域效應。
隨著顆粒尺寸的減小，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。小尺寸效應為奈米材料的應用開拓了廣闊的領域。
作為高溫陶瓷材料的燒結活化劑；通過改變晶粒尺寸來控制吸收波的位移，從而製造出具有一定頻寬的微波吸收奈米材料，用於電磁波遮蔽、**飛機等；陶瓷材料在通常情況下呈現脆性，而由奈米超微粒製成的奈米陶瓷卻具有良好的韌性。這是由於奈米超微粒製成的固體材料具有大的介面，介面原子排列相當混亂，原子在外力變形條件下容易遷移。因此使原先脆性的材料表現出良好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學效能；奈米金屬固體的硬度要比傳統的粗晶材料硬體3~5倍，則金屬-陶瓷複合材料可在更大的範圍內改變材料的力學效能，應用前景十分廣闊.
奈米材料的表面效應是指：隨著粒子粒徑變小，表面原子數與總原子數之比急劇增大後引起性質上的變化。奈米粉體隨著粒徑變小，佔表面位置的原子數增加，因此納公尺粉微粒通常具有相當高的表面能。
當粒子的尺寸降到一定值時，金屬費公尺能級附近的電子能級由準連續變為分立（離散）能級的現象、。 奈米材料的量子尺寸效應即處於分離量子化能級中的電子的波動性帶來了奈米材料一系列的特殊性質。
奈米材料的量子尺寸效應使奈米材料具有：高度光學非線性；特異性催化和光催化性；強氧化性與強還原性。用這一特性可製得光催化劑、強氧化劑與強還原劑。可使用於製備無機抗菌材料。
微觀粒子具有粒子性又具有波動性，因此具有貫穿勢壘的能力，稱之為隧道效應。隧道效應是由於粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應才會顯著。
庫侖堵塞效應是20世紀80年代介觀領域所發現的極其重要的物理現象之一。當體系的尺度進入到奈米級，體系是電荷「量子化」的，即充電和放電過程是不連續的，充入乙個電子所需的能量ec 為e2/2c，體系越小，c越小，能量越大。這個能量稱為庫侖堵塞能。
奈米材料的研究與應用
晶體組元由所有晶粒中的原子組成，這些原子都嚴格地位於晶格位置，長程有序 介面組元由處於各晶粒間的介面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉化而來。介面原子密度低，介面上鄰近原子配位數發生變化，介面原子間距差別大。奈米材料兩種結構組元的存在，特別是介面組元的存在，使其特性既不同於原子，又不同於結晶體...
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高等物理化學 學生姓名聶榮健 學號學院化工學院 專業應用化學 指導教師 金屬氧化物奈米材料研究進展 應用化學專業聶榮健學號 指導老師 摘要 綜述了近年來金屬氧化物奈米材料水熱合成方法的研究進展，簡要闡述了金屬氧化物奈米材料的應用，對其今後的研究發展方向進行了展望。關鍵詞 奈米材料水熱合成金屬氧化物 ...
奈米材料研究的發展及應用
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