2023年諾貝爾物理學獎獲得者、美國加利福尼亞工學院教授費曼(r.p.feynman)曾在2023年預言：「如果有一天可以按照人的意志來安排乙個個原子，將會產生怎樣的奇蹟？」
時間僅僅過去了二十幾年，到了2023年，費曼的預言便成了現實。國際商用機器公司研製成了掃瞄隧道顯微鏡（簡稱stm），它不僅能使人類觀察到了原子，而且能夠利用儀器的針尖來操縱原子，德國科學家賓尼（g.binnig）等利用掃瞄隧道顯微鏡在鎳板上將矽原子組成了「ibm」（國際商用機器公司的英文縮略語）的字樣。
不久，日本科學家又將矽原子堆成了乙個金字塔。
於是，人類也像大自然一樣，成了主宰原子和分子的主人，而不僅僅是被動地去認識和利用大自然造就的原子和分子。這樣，到了20和21世紀之交，人類正在悄悄地進入乙個嶄新的科技時代──奈米科技時代。
奈米科技是在奈米的尺度上研究和應用原子、分子及其結構資訊的高新技術，它的最終目標是直接用具有奈米尺度的原子、分子製造有特定功能的材料，被稱為奈米材料（由粒徑1～100 nm的粒子組成的固體材料），它是21世紀很有希望和前途的新型材料。
（1）奈米材料的發現
組成材料的物質顆粒變小了，「小不點」會不會與「大個子」的性質很不相同呢？這便是奈米材料的發現者德國物理學家格萊特（grant）的科學思路。
那是2023年的一天，格萊特到澳大利亞旅遊，當他獨自駕車橫穿澳大利亞的大沙漠時，空曠、寂寞和孤獨的環境反而使他的思維特別活躍和敏銳。他長期從事晶體材料的研究，了解晶體的晶粒大小對材料的效能有很大的影響：晶粒越小，強度就越高。
格萊特上面的設想只是材料的一般規律，他的想法一步一步地深入：如果組成材料的晶體的晶粒細到只有幾個奈米大小，材料會是個什麼樣子呢？或許會發生「翻天覆地」的變化吧！
格萊特帶著這些想法回國後，立即開始試驗。經過將近4年的努力，終於在2023年制得了只有幾個奈米大小的超細粉末，包括各種金屬、無機化合物和有機化合物的超細粉末。
格萊特在研究這些超細粉末時發現了乙個十分有趣的現象。眾所周知，金屬具有各種不同的顏色，如金子是金黃色的，銀子是銀白色的，鐵是灰黑色的。至於金屬以外的材料如無機化合物和有機化合物，它們也可以帶著不同的色彩：
瓷器上面的釉歷來都是多彩的，由各種有機化合物組成的染料更是鮮豔無比。
可是，一旦所有這些材料都被製成超細粉末時，它們的顏色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各種金屬統統變成了一種顏色──黑色。正像格萊特想像的那樣，「小不點」與「大個子」相比，效能上發生了「翻天覆地」的變化。
為什麼無論什麼材料，一旦製成奈米「小不點」，就都成了黑色的呢？原來，當材料的顆粒尺寸變小到小於光波的波長（1×10-7m左右）時，它對光的反射能力變得非常低，大約低到小於1%。既然超細粉末對光的反射能力很小，我們見到的奈米材料便都是黑色的了。
「小不點」性質上的變化確實是令人難以置信的。著名的美國阿貢國家實驗室製備出了一種奈米金屬，居然使金屬從導電體變成了絕緣體；用奈米大小的陶瓷粉末燒結成的陶瓷製品再也不會一摔就破了。
格萊特的發現已經和正在改變科學技術中的一些傳統概念。因此，奈米材料將是21世紀備受矚目的一種高新技術產品。
（2）奈米材料的應用
① 天然奈米材料
海龜在美國佛羅里達州的海邊產卵，但出生後的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國附近的海域，才能得以生存和長大。最後，長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產卵。如此來回約需5～6年，為什麼海龜能夠進行幾萬千公尺的長途跋涉呢？
它們依靠的是頭部內的奈米磁性材料，為它們準確無誤地導航。
生物學家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什麼從來不會迷失方向時，也發現這些生物體內同樣存在著奈米材料為它們導航。
② 奈米磁性材料
在實際中應用的奈米材料大多數都是人工製造的。奈米磁性材料具有十分特別的磁學性質，奈米粒子尺寸小，具有單磁疇結構和矯頑力很高的特性，用它製成的磁記錄材料不僅音質、影象和訊雜比好，而且記錄密度比γ-fe2o3高幾十倍。超順磁的強磁性奈米顆粒還可製成磁性液體，用於電聲器件、阻尼器件、旋轉密封及潤滑和選礦等領域。
③ 奈米陶瓷材料
傳統的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質脆，燒結溫度高。奈米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運動，因此，奈米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使奈米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將奈米陶瓷顆粒加工成形，然後做表面退火處理，就可以使奈米材料成為一種表面保持常規陶瓷材料的硬度和化學穩定性，而內部仍具有奈米材料的延展性的高效能陶瓷。
④ 奈米感測器
奈米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們製作溫度感測器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀，檢測靈敏度比普通的同類陶瓷感測器高得多。
⑤ 奈米傾斜功能材料
在航天用的氫氧發動機中，燃燒室的內表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內表面要用陶瓷製作，外表面則要用導熱性良好的金屬製作。但塊狀陶瓷和金屬很難結合在一起。
如果製作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續變化，讓金屬和陶瓷「你中有我、我中有你」，最終便能結合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像乙個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷奈米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合後燒結成形時，就能達到燃燒室內側耐高溫、外側有良好導熱性的要求。
⑥ 奈米半導體材料
將矽、砷化鎵等半導體材料製成奈米材料，具有許多優異效能。例如，奈米半導體中的量子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、導電率降低，電導熱係數也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現負值。這些特性在大規模積體電路器件、光電器件等領域發揮重要的作用。
利用半導體奈米粒子可以製備出光電轉化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由於奈米半導體粒子受光照射時產生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無機物，降解大多數有機物，最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導體奈米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。
⑦ 奈米催化材料
奈米粒子是一種極好的催化劑，這是由於奈米粒子尺寸小、表面的體積分數較大、表面的化學鍵狀態和電子態與顆粒內部不同、表面原子配位不全，導致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。
鎳或銅鋅化合物的奈米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。奈米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應的溫度從600 ℃降低到室溫。
⑧ 醫療上的應用
血液中紅血球的大小為6 000～9 000 nm，而奈米粒子只有幾個奈米大小，實際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有**作用的奈米粒子注入到人體各個部位，便可以檢查病變和進行**，其作用要比傳統的打針、吃藥的效果好。
⑨ 奈米計算機
世界上第一台電子計算機誕生於2023年，它是由美國的大學和陸軍部共同研製成功的，一共用了18 000個電子管，總重量30 t，占地面積約170 m2，可以算得上乙個龐然大物了，可是，它在1 s內只能完成5 000次運算。
經過了半個世紀，由於積體電路技術、微電子學、資訊儲存技術、計算機語言和程式設計技術的發展，使計算機技術有了飛速的發展。今天的計算機小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬分之一，但運算速度卻遠遠超過了第一代電子計算機。
如果採用奈米技術來構築電子計算機的器件，那麼這種未來的計算機將是一種「分子計算機」，其袖珍的程度又遠非今天的計算機可比，而且在節約材料和能源上也將給社會帶來十分可觀的效益。
⑩奈米碳管
2023年，日本電氣公司的專家製備出了一種稱為「奈米碳管」的材料，它是由許多六邊形的環狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖2-1。
圖 2-1 奈米碳管
這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長的尺寸都是奈米量級的，因此被稱為奈米碳管。它的抗張強度比鋼高出100倍，導電率比銅還要高。
在空氣中將奈米碳管加熱到700 ℃左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的奈米碳管。然後用電子束將低熔點金屬（如鉛）蒸發後凝聚在開口的奈米碳管上，由於虹吸作用，金屬便進入奈米碳管中空的芯部。由於奈米碳管的直徑極小，因此管內形成的金屬絲也特別細，被稱為奈米絲，它產生的尺寸效應是具有超導性。
因此，奈米碳管加上奈米絲可能成為新型的超導體。
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