中國科學院上海矽酸鹽研究所作者：張青紅
圖1圖2
圖3什麼是奈米材料？
奈米(nm)和公尺、微公尺等單位一樣，是一種長度單位，一奈米等於十的負九次方公尺，約比化學鍵長大乙個數量級。奈米科技是研究由尺寸在0.1至100奈米之間的物質組成的體系的運動規律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。
可衍生出奈米電子學、機械學、生物學、材料學加工學等。
奈米材料是指三維空間尺度至少有一維處於奈米量級(1-100nm)的材料，它是由尺寸介於原子、分子和巨集觀體系之間的奈米粒子所組成的新一代材料。由於其組成單元的尺度小，介面占用相當大的成分。因此，奈米材料具有多種特點，這就導致由奈米微粒構成的體系出現了不同於通常的大塊巨集觀材料體系的許多特殊性質。
奈米體系使人們認識自然又進入乙個新的層次，它
是聯絡原子、分子和巨集觀體系的中間環節，是人們過去從未探索過的新領域，實際上由奈米粒子組成的材料向巨集觀體系演變過程中，在結構上有序度的變化，在狀態上的非平衡性質，使體系的性質產生很大的差別，對奈米材料的研究將使人們從微觀到巨集觀的過渡有更深入的認識。
奈米材料的特點？
當粒子的尺寸減小到奈米量級，將導致聲、光、電、磁、熱效能呈現新的特性。比方說：被廣泛研究的ii-vi族半導體硫化鎘，其吸收帶邊界和發光光譜的峰的位置會隨著晶粒尺寸減小而顯著藍移。
按照這一原理，可以通過控制晶粒尺寸來得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究內容和可望得到新的用途。我們知道物質的種類是有限的，微公尺和奈米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的，但通過控制製備條件，可以得到帶隙和發光性質不同的材料。也就是說，通過奈米技術得到了全新的材料。
奈米顆粒往往具有很大的比表面積，每克這種固體的比表面積能達到幾百甚至上千平方公尺，這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機合成和環境保護等領域有著重要的應用前景。對奈米體材料，我們可以用「更輕、更高、更強」這六個字來概括。「更輕」是指借助於奈米材料和技術，我們可以製備體積更小效能不變甚至更好的器件，減小器件的體積，使其更輕盈。
第一台計算機需要三間房子來存放，正是借助與微公尺級的半導體製造技術，才實現了其小型化，並普及了計算機。無論從能量和資源利用來看，這種「小型化」的效益都是十分驚人的。「更高」是指奈米材料可望有著更高的光、電、磁、熱效能。
「更強」是指奈米材料有著更強的力學效能(如強度和韌性等)，對奈米陶瓷來說，奈米化可望解決陶瓷的脆性問題，並可能表現出與金屬等材料類似的塑性。
奈米材料的應用前景
奈米材料的應用前景是十分廣闊的，如：奈米電子器件，醫學和健康，航天、航空和空間探索，環境、資源和能量，生物技術等。我們知道基因dna具有雙螺旋結構，這種雙螺旋結構的直徑約為幾十奈米。
用合成的晶粒尺寸僅為幾奈米的發光半導體晶粒，選擇性的吸附或作用在不同的鹼基對上，可以「照亮」dna的結構，有點像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔，借助與發光的「燈籠」，我們不僅可以識別燈塔的外型，還可識別燈塔的結構。簡而言之，這些奈米晶粒，在dna分子上貼上了標籤。目前，我們應當避免奈米的庸俗化。
儘管有科學工作者一直在研究奈米材料的應用問題，但很多技術仍難以直接造福於人類。2023年以來，國內也有一些奈米企業和奈米產品，如「奈米冰箱」，「奈米洗衣機」。這些產品中用到了一些「奈米粉體」，但冰箱和洗衣機的核心作用任何傳統產品相同，「奈米粉體」賦於了它們一些新的功能，但並不是這類產品的核心技術。
因此，這類產品並不能稱為真正的「奈米產品」，是商家的銷售手段和新賣點。現階段奈米材料的應用主要集中在奈米粉體方面，屬於奈米材料的起步階段，應該指出這不過是奈米材料應用的初級階段，可以說這並不是奈米材料的核心，更不能將「奈米粉體的應用」等同與奈米材料。
下面我們選用幾副插圖來說明奈米材料。
圖一：二氧化鈦奈米管。多種層狀材料可形成管狀材料，最為人們所熟悉的是碳奈米管。
圖一為二氧化鈦奈米管的透射電鏡**，這種管是開口、中空管，比表面積能達到400m/g，可能在吸附劑、光催化劑等方面有應用前景。
圖二：晶內型奈米復相陶瓷，顏色較淺的大晶粒內部有一些深色的顆粒，在陶瓷收到外力破壞時，這些晶內的深色顆粒像一顆顆釘子，抑制裂紋擴散，起到對陶瓷材料的增強和增韌作2用。
圖三：二氧化鈦奈米顆粒的透射電鏡**。可以看出二氧化鈦僅為7奈米左右。
人們不僅要問：如此小的奈米顆粒肉眼能否看到？商家提供的「奈米粉體」能看得到嗎？
如此小的晶粒用肉眼是看不到的，可以借助於電子顯微鏡來看。由於這些晶粒聚集在一起，我們可以看到聚集後的粉體，除了能感覺到「奈米粉體」更膨鬆外，不借助科學的表徵方法，我們難以區別它們。
在材料科學家和其他科學家經過不懈努力後，取得了重大突破，在一些先進國家相繼建立了受控聚變實驗裝置，進行科學實驗。更令人興奮的是，受控核聚變經過近半個世紀的努力，它的科學可行性已由現有的實驗結果外推確認，圖2為其實驗裝置tokamak示意圖。而最具說服力的實驗是2023年11月jet和2023年12月tftr的d-t實驗，證明受控核聚變已不是可望而不可及的幻想，而是經過努力可望在本世紀中葉付諸應用的有性能源。
奈米材料的應用前景教案
教學目標 了解奈米技術和奈米材料在汙水處理 納濾膜 紡織品 化妝品 醫藥等一些方面的應用前景，了解奈米材料的某些危害 通過本課介紹能對奈米材料的應用發表自己的想法 以此為指導，調動學生更深入了解奈米技術的相關資訊的求知慾。教學方法手段 講授法 教學重難點 奈米材料在各方面的應用前景及一些危害 教學時...
奈米材料及其應用前景
引言諾貝爾獎獲得者feyneman在六十年代曾經預言 如果我們對物體微小規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，就會看到材料的效能產生豐富的變化。他所說的材料就是現在的奈米材料。材料與社會的發展 材料是人類社會進化和人類文明的里程碑，是人類賴以生產和生活的物質基礎，是社...
奈米材料的發展及應用
課程名稱 化工新材料概論 姓名 鄧元順 學號 1208110201 專業 化學工程與工藝 班級 化工122 時間僅僅過去了二十幾年，到了1982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 ...