納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1-100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。納米新材料配方是一門在100 納米以內(nèi)空間內(nèi)，通過自然更改直接排序原子與分子創(chuàng)造出來的新納米材料的項(xiàng)目。

納米新材料與該領(lǐng)域是現(xiàn)代力量和現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新的起點(diǎn),新的規(guī)律和原理的發(fā)現(xiàn)與全新的理念創(chuàng)設(shè)給予基礎(chǔ)科學(xué)，提供了新的機(jī)會(huì),這會(huì)成為許多領(lǐng)域的重要改革新動(dòng)力。納米新材料配方由于SAIZU細(xì)小,擁有很多奇特的性能。

1988年Baibich 等第一次在納米Fe/ Cr MS里發(fā)現(xiàn)磁電阻變化率達(dá)到百分之五十,與一般的ME比起來要大一個(gè)級(jí)別,并且是負(fù)值的,各向一樣,稱作GMR 。之后還在納米體系的、隧道結(jié)和Perovskite結(jié)構(gòu)、顆粒膜中發(fā)現(xiàn)巨ME。里面Perovskite結(jié)構(gòu)在一九九三年是發(fā)現(xiàn)且具有極大ME,叫做CMR ,在隧道結(jié)中找到的為TMR。

納米材料的應(yīng)用范圍

1、 天然納米材料

海龜在美國佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后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(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來回約需5～6年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無誤地導(dǎo)航。

生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。

2、 納米磁性材料

在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ-Fe₂O₃高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤滑和選礦等領(lǐng)域。

3、 納米陶瓷材料

傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、納米傳感器

納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

5、 納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結(jié)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一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。

6、納米半導(dǎo)體材料

將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)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。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽能催化分解無機(jī)物和有機(jī)物。

7、納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)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。

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600 ℃降低到室溫。

8、 醫(yī)療上的應(yīng)用

血液中紅血球的大小為6000～9000 nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好，21世紀(jì)的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復(fù)雜，而且一般只適用于制備硬材料。

介入性氣囊和導(dǎo)管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備，通過把具有高長(zhǎng)徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中，我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和容易加工成型的特性，一方面獲得更好的血液相溶性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種納米復(fù)合材料引起血液溶血的程度會(huì)降低，激活血小板的程度也會(huì)降低。

使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進(jìn)行修飾形成一些具有靶向，可控釋放，便于檢測(cè)的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法，為藥物開發(fā)開辟了新的方向。

9、納米計(jì)算機(jī)

世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年，它是由美國的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的，一共用了18000個(gè)電子管，總重量30t，占地面積約170㎡，可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1s內(nèi)只能完成5000次運(yùn)算。

經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語言和編程技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)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(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了第一代電子計(jì)算機(jī)。

如果采用納米技術(shù)來構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”，其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來十分可觀的效益。

可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

10、納米碳管

1991年，日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)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，如圖所示。

這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。

在空氣中將納米碳管加熱到700℃左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進(jìn)入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì)，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導(dǎo)體。

納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進(jìn)國家水平，研究隊(duì)伍也在日漸壯大。

11、家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

12、環(huán)境保護(hù)

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。

13、紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

14、機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

納米材料的應(yīng)用效應(yīng)

以上納米材料的應(yīng)用范圍主要是因?yàn)榧{米材料有以下的各種效應(yīng)所至，比如用于線路板防水防潮的TIS-NM納米涂層正是因?yàn)榧{米材料使線路板表面能量降低，從而產(chǎn)生疏水疏油的特性。

體積效應(yīng)

當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。納米粒子的以下幾個(gè)方面效應(yīng)及其多方面的應(yīng)用均基于它的體積效應(yīng)。例如，納米粒子的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀本體，此特性為粉粉冶金工業(yè)提供了新工藝；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，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁屏蔽，隱形飛機(jī)等。

表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表1給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系。

表1 納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處于表面的原子數(shù)越多。表面原子的晶體場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易于其他原子想結(jié)合而穩(wěn)定下來，因而表現(xiàn)出很大的化學(xué)和催化活性。

量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)接近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級(jí)間距為：4Ef/3N式中Ef為費(fèi)米勢(shì)能，N為微粒中的原子數(shù)。宏觀物體的N趨向于無限大，因此能級(jí)間距趨向于零。納米粒子因?yàn)樵訑?shù)有限，N值較小，導(dǎo)致有一定的值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂。半導(dǎo)體納米粒子的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級(jí)，表現(xiàn)在吸收光譜上就是從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收帶過渡到具有結(jié)構(gòu)的吸收特性。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)性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。

量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。用此概念可定性解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

介電限域

納米粒子的介電限域效應(yīng)較少不被注意到。實(shí)際樣品中，粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無機(jī)半導(dǎo)體低。光照射時(shí)，由于折射率不同產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域﹑納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比輻射光的光強(qiáng)增大了。這種局部的場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響。對(duì)于無機(jī)-有機(jī)雜化材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過程和動(dòng)力學(xué)有重要影響

上述的小尺寸效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng)﹑宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域應(yīng)都是納米微粒和納米固體的基本特征，這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點(diǎn)﹑蒸氣壓﹑光學(xué)性質(zhì)﹑化學(xué)反應(yīng)性﹑磁性﹑超導(dǎo)及塑性形變等許多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理﹑化學(xué)性質(zhì)。