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一．什么是纳米科技
“纳米”不是粮食中的什么“米”，而是国际规定的米制长度单位中的一个基本单位，只不过这个单位太小了，在日常应用中很少遇到。1纳米(nm)是1米(m)的十亿分之一，(即10-9m)。1毫米(mm)的千分之一是1微米（μm），微米这个尺度已经很小了，大约是一根头发丝的1/10，只有在放大镜下才能看清，不过微米在工业中还是常用的，例如精密机械加工的精度都要用微米来度量，可以用工具显微镜来检测。如果把1μm再分成一千份，每一份就是1nm，这样小的尺度只有在上万倍的电子显微镜中才能分辨，在常规的工业和技术中，纳米这一尺度很少涉及，因此人们对它十分生疏。随着近代科技的发展，尤其是微电子工业、计算机工业的发展，大规模集成电路中，电子元器件越做越小，在1cm2的尺寸中有上百万个晶体管，每一个晶体管的大小可想而知，而连接这些电子元件的导线的宽度已经小到0.1μm，其加工精度已进入纳米尺度范围；在制造计算机存储元件时，都采用镀膜技术，而每一层膜的厚度都在纳米尺度范围。这些超精密的加工技术和测量，往往需要在显微镜的帮助下才能完成，人们开始意识到纳米尺度(人们把1∼100nm称之为纳米尺度)，在现代科技领域中已越来越重要了。从这个意义上说，纳米科技来源于纳米尺度范围的加工技术，这种技术发展的直接效果，是使电子器件、机械零件乃至整个机电装置微型化。其实纳米科技，不仅是尺寸的减小，其内容要更广泛得多，因为人们发现在靠近纳米尺度的过程中会出现一系列新的现象、新的特性、新的规律，这引起了科学家极大的兴趣，因此一个广泛的纳米尺度范围中的科学技术，自然而然地浮出地平线。例如在电子学的领域中，科学家们发现在纳米尺度范围中，电子学的一些规律出现了变化，由此纳米电子学正在兴起，在1991年美国IBM公司首席科学家阿姆斯特朗已经预言：我相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代初以来微米技术所起的作用那样；在材料学的领域中，科学家们发现，当材料小到纳米尺度时会出现-一些常规材料所不具备的新特性，于是纳米材料学诞生了(本文后续将详细论述)；在生物学的领域中，人们期待利用纳米技术制造纳米尺度的药物“导弹“，直接命中肿瘤，期待着制造纳米尺度的病理探测器，放到人体中进行癌症的早期诊断，于是纳米生物(医药)学领域应运而生，......
纳米科技是人类科技领域中的新前沿，它的潜在影响将是巨大的，在美国国家纳米技术倡议中指出，一些潜在的可能实现的突破包括以下几项。
①将每单位表面的存储量增加1000倍，使存储器的存储量提高到几兆兆比特，从而把整个美国国会图书馆的资料压缩到一块方糖大小的器件中。
②从原子和分子开始制造材料和产品，这种自小到大的制造方法需要的材料较少，污染也较少(其意义是划时代的，作者注)。
③开发出比钢强度大10倍而质量只有其几分之一的新材料(碳纳米管，作者注)，以使各种陆上、水上和航空用的交通工具重量更轻、燃料效率更高。
④在晶体管和存储器芯片中采用纳米结构，可使计算机的速度和效率得到几百万倍的提高，使今天的奔腾Ⅲ处理器显得很慢。
⑤利用纳米级的MRI(核磁共振)对照剂定位人体组织器官，运用基因和药物输送来发现癌细胞。
⑥去除在水和空气中最细微的污染物，得到更清洁的环境和饮用水。
⑦使太阳能电池的效率提高两倍。以上的描述多么具体、多么令人鼓舞，可以断言，以上7个方面只是纳米科技将带给人类的很小一部分变革。由此可知，纳米科技是在1∼100nm范围内的加工技术、材料技术、电子技术、生物技术。纳米科技的发展将标志着人类认识自然改造自然的能力产生了新的飞跃，使世界的科技和生产水平全面进入一个新的阶段，对于人类的工业、农业、医疗和国防将产生深刻的影响，对人类文明的发展将产生巨大的推动力。
二．什么是纳米材料
纳米材料(科学与技术)是纳米科技中最重要最基础的组成部分。人们发现，当材料的尺寸小到纳米尺度(100∼1nm)时，材料的某些性能发生突变，即出现了传统材料所不具备的新的特性，因此人们把特征尺寸在1∼100nm并具有新特性的材料称之为纳米材料。所谓特征尺寸，对颗粒(或粉体)材料而言是指每一个颗粒的直径大小；对多层薄膜材料而言是指每一层薄膜的厚度；对于纤维来说是指纤维的横截面直径；纳米材料还可以指将纳米超微粉体加到其他非纳米基体(如高分子材料)中仍保持其纳米尺寸并存在纳米尺度界面的材料，称为纳米复合材料；如果宏观上看是一个块体材料，而其显微结构单元(如晶粒)是在纳米尺度，可称之为纳米结构材料。应该指出，纳米材料是以材料的尺寸来定义的材料领域，它并不特指某一种成分(组分)或某一类结构或某一类特性的材料，它跨越了原有各种材料的学科分类界限。在纳米材料的定义中，要注意尺寸范围和新的特性两个方面，缺少任一方面都是不完整的。
具有传统大块材料所不具备的新特性是纳米材料价值所在，那么纳米尺寸与新的特性有什么内在的必然联系吗?
（1）表面效应
材料科学已经指出，处于固体材料表面上的原子状态与处于内部的原子有明显不同，表面原子的键合状态是不完整的，它们处于较高的能量状态，因此具有较大的化学活性、较高的与异类原子化学结合的能力，较强的吸附能力。表面原子的特性对材料的扩总体性能会有一定的作用，只不过对大块材料而言，其表面原子数相对总原子数太少，这种作用可以忽略，但当颗粒尺寸小到纳米尺度时表面原子相对数量已相当大，表面原子的作用再也不能忽略了。
（2）小尺寸效应
当超微颗粒的尺寸小到纳米尺度，并与某些物理特征尺寸，如德布罗意波长、电子自由程、磁畴、超导态相干波长等相接近时，由于晶体的周期性边界条件被破坏，使原大块材料所具有的某些电学、磁学、光学、声学、热学性能发生重大改变，或者说某些物理性能随尺寸减小可能发生突变，这种效应称小尺寸效应。
（3）量子尺寸效应
当颗粒尺寸小到纳米尺度时，固体原子中费米能级附近的电子所处的能级由准连续态变为分裂的能级状态，即久保(kubo)效应。久保得出，
式中， 为分裂能级的能量间隔大小；Ef为费米能级的大小；N为固体颗粒中的总电子数。当颗粒尺寸大时，N很大， 很小并接近于零，因此可看成是准连续状态；当颗粒尺寸进入纳米尺度，特别是几个纳米时，N值大大减少，此时 值增大，并可能超过热能、磁能、静磁能、静电能、超导态凝聚态能、光子等的量子能量，这时将导致一系列物理性能的重大变化，甚至发生本质上的变化，这种变化称之为量子尺寸效应。
上述表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应都与颗粒尺寸有关，都在1—100nm尺度范围中显示出来，可统称为纳米效应，这些效应强烈反应的尺寸范围有所不同，对不同的性能影响的尺度范围也有所不同。
近十几年来物理学的研究，已经证实了各种纳米效应的存在，并不断发现新的纳米效应，各种纳米效应都可能使得纳米材料产生某一方面新的特性，例如：
①单畴结构的铁磁性物质(几十纳米)的矫顽力增大1000倍；
②在几纳米尺寸时铁磁性消失，转变为超顺磁性；
③在纳米尺寸金属颗粒的光泽(反光性)消失，其反光性<3%，因此变为黑色，且对电磁波有很强的吸收性(隐身性能)；
④金属的熔点大大降低，如大块金和银的熔点分别是1063℃和960℃，而在2nm时分别降至330℃和100℃；
⑤活泼金属纳米铝粉在空气中可自燃；
⑥粉末冶金材料或陶瓷材料的烧结温度大大降低，扩散系数增大；
⑦纳米微粒的催化能力、吸附能力、化学性能大大提高；
⑧在一定条件下某些导电材料变为半导体或绝缘体；
⑨共价键的非导体变为导体；
⑩铁电性变成顺电性；
⑾出现超导性；
⑿光吸收性能改变，出现吸收限频率的蓝移等。
纳米效应是纳米材料产生新特性的本质原因也是其应用的基础。
三．纳米材料的应用
纳米材料科技基本上包括两个方面：一是发展和完善纳米材料的科学体系；二是发展新型纳米材料，开拓应用领域并实现产业化。
下面以性能特征来分类介绍纳米材料的应用前景。
1．以力学性能为特征的应用
①碳纳米管。碳纳米管的强度是钢的百倍，而重量仅是钢的1/6，这是目前发现的最高强度或比强度的材料，这方面的研究还在继续，其应用前景十分诱人(详见下文中对碳纳米管的介绍部分)。
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| 碳纳米 |
碳纳米管 |
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②纳米增强增韧陶瓷。1986年德国科学家首先在实验室中发现在真空室中原位压制而成的纳米TiO2陶瓷材料具有常温下的韧性和塑性，曾引起了陶瓷界的轰动，科学家们预言，纳米技术可能是解决陶瓷脆性的最有希望的途径，同时掀起了世界范围内纳米增强增韧陶瓷的研究热潮，各种纳米陶瓷材料的制备方法、纳米陶瓷超微粉的成型技术、包括微波加热在内的快速烧结方法等工艺技术迅速发展，但是到目前为止，尽管可以做出晶粒比100nm还细的纳米结构陶瓷或纳米复相陶瓷试样，但其强度和韧性的提高与人们的期盼仍相距甚远，原因是纳米陶瓷原料的流动性差，很难消除烧结过程中产生的微小缺陷，这些缺陷的尺寸在μm尺度范围，因此限制了强度和韧性的提高水平，这是一个十分难以解决的矛盾。纳米陶瓷现在已经显示的确定效果是：
(a)烧结温度可以大大降低；
(b)在高温下(1000℃以上)具有超塑性，因此便于制造复杂形状的部件：
(c)强度和韧性有所提高。
目前还不能说纳米技术己解决了陶瓷的脆性问题，不过人们仍未放弃对这个目标的追求。
③用无机纳米超微粉添加到高分子材料中去。例如橡胶、塑料、胶粘剂中，可以起到增强、增塑、抗冲击、耐磨、耐热、阻燃、抗老化及增加粘结性能等作用，已有不少实际的例子，这是当前纳米材料应用比较活跃的领域。
④纳米级超精密研磨材料已有重要的应用；纳米润滑材料也是一个重要的应用方向；用纳米金属铜粉加入到润滑油中，可制得所谓具有自修复作用的润滑油，不仅使润滑性能大幅度提高，而且纳米金属可使已有的微小蚀坑“修复”，从而使零件的使用寿命大为提高。
2．以表面活性为特征的应用
①纳米超微颗粒可以直接以粉末形态作为催化剂应用。多数情况下，首先用物理方法制备出纳米金属粒子，然后将活性的金属微粒加到选定的载体上。已经可以制备出多种纳米金属负载催化剂，纳米粒子尺寸小到2∼5nm，并与载体的结合牢固，实验证明这些纳米催化剂比传统催化剂有更优异的催化特性，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。纳米催化剂具有高比表面积和表面能，活性点多，因而其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。如用Rh纳米粒子作光解水催化剂，产率比常规催化剂提高2∼3个数量级；粒径为3Onm的镍可使加氢和脱氢反应速度提高15倍；在火箭发射用的固体燃料推进剂中，添加1%纳米Ni粉，燃烧热可增加1倍；纳米TiO2在汽车尾气中的去S能力比常规TiO2大5倍……，有人预言，纳米催化剂在21世纪中很可能成为主要角色。
②纳米材料表面的吸附特性也有重要的用途，例如清除空气中的有害气体、清除海上油污等。
③某些纳米材料(如纳米TiO2颗粒)的光催化特性被用于制造自洁功能涂料及具有杀菌能力的瓷砖等。
3．以光学性能为特征的应用
①某些纳米材料(如纳米金属微粒)具有特别强的光吸收特性和电磁波吸收特性，在军事上用于设计制造隐身材料，隐形飞机、隐形坦克等，在民用上用于减小电磁波的污染等。
②某些纳米材料具有特别强的紫外线吸收能力(如Ti02，ZnO2等)，因此可广泛用于提高高分子材料的抗老化性能、改进外墙涂料的耐候性，也可用于制做防晒用具、服装和护肤霜等。
③利用纳米材料对红外线的吸收和转换能力，可用于红外吸收与探测，也可用于保温或保暖以及保健品。
④利用纳米材料的尺寸效应可实现光过滤器的波段调整，纳米阵列体系是很有前途的新型光过滤器。
⑤利用稀土纳米材料的荧光特性等，已发展出新的荧光和发光材料。
⑥利用纳米材料的光吸收特性，可制作高效光热和光电转换材料，有可能在太阳能的利用方面取得更大的进展。
4．以磁学性能为特征的应用
①纳米微晶软磁材料。具有更高的饱和磁化强度和更优良的高频特性。
②纳米微晶永磁材料。具有较高的磁化强度和很高的矫顽力，同时有更好的热稳定性。
③纳米磁记录材料。使磁记录密度大为提高，且可降低噪声，提高信噪比，矫顽力高，因此可靠性和稳定性好，广泛用于磁带、磁盘、磁卡、磁性钥匙等。
④磁流体。用纳米级的磁粉如Fe3O4，表面经油酸涂覆，加入到某种液相载体中，得到稳定的高度分散的磁性胶体，它不仅具有高的磁化强度而且可以任意改变形状，特别适用于对高速旋转轴的密封，即在旋转轴的部位加一个环形磁场，在转动轴与套体间隙中加入磁流体，从而把转动轴密封起来且不增加转动阻力，可以实行气封、油封、水封，并可承受一定的压力和温度。
⑤巨磁电阻材料。某些纳米厚度的多层薄膜系统，当在其横向加一个磁场时，其电阻值产生显著改变，如同一个磁性开关。利用这一性质做成的存储元件(磁头)，可将磁盘的记录密度提高一个数量级，从而在与光盘的竞争中重新处于有利的地位。
⑥新的磁疗治病方法。将纳米磁性材料(如氧化铁)注入到患者的肿瘤里，外加一个交变磁场，使纳米磁性颗粒升温至45℃，在这个温度下癌细胞可被消灭；纳米磁性药物“导弹”，是更吸引人的目标。
⑦磁致冷是一种新的无污染的致冷方法。新型纳米复合材料使磁致冷温度大大提高，在未来的致冷装置中有广阔的应用前景。
5．以热学性能为特征的应用
①纳米结构的材料的比热容比常规材料大得多，因此可以做为更好的热交换材料应用。
②由于特别高的表面能，纳米材料可在低得多的温度烧结，对于粉未冶金和陶瓷的制备具有重要的应用价值。
③低温焊料，把钎焊用的焊料细化到纳米尺度，这时可以在更低的温度下熔化并焊接，一旦熔化及再凝固后，其晶粒长大，熔点又恢复到较高的温度，这在某些特殊要求的场合是很有用的。
④用纳米超细原料，在较低的温度快速熔合，可制成在常规条件下得不到的非平衡合金，为新型合金的研制开辟了新的途径。
6．以电学性能为特征的应用
①纳米电子浆料、导电胶、导磁胶等。广泛应用于微电子工业中的布线、封装、连接等，对微电子器件的小型化有重要作用。
②高性能电极材料。以微孔海绵状金属为骨架，沉积纳米等超微粉，进行适当处理后，制备出具有巨大表面积的电极，可大幅度提高充、放电效率。
③同轴纳米电缆。已初步制备出内芯1Onm左右的同轴电缆，内芯可为导体、半导体或超导体，芯外是绝缘包覆层，这种纳米电缆传输电子快、能耗小，可用于高密度集成器件的连接，在发展微型器件、微型机器人中有重要应用前景。
④各种纳米敏感材料。将使工业传感器产生重大进展，例如利用纳米颗粒的大比表面积制成超小型、高灵敏度的气敏、湿敏、光敏等传感器，并可做成多功能的复合传感器。
⑤单电子晶体管。只是控制1个电子的运动行为即可完成特定的功能，如电子开关，可以做成极小的纳米器件，而且使功耗降低1千倍，还可避免电阻引起的温升，有可能从根本上解决超大规模集成电路的功耗和温升等问题。
⑥量子器件。传统的电子元器件是通过控制电子数量来实现信号处理的，而量子器件主要是通过控制电子波动的位相来实现某种功能，因此具有更高的响应速度和更低的功率消耗，性能提高1000∼10000倍，量子器件为纳米尺度，结构简单、可靠性高、成本低，可使集成度大幅度提高，将使电子工业技术推向更高的发展阶段。
7．以生物医学为特征的应用
①在人体的齿及骨中本来就存在着纳米结构，用纳米材料做成的骨水泥和牙填充材料，能与原骨及齿更紧密的结合，并具有优良的性能，已经有了临床应用的实例。
②纳米抗菌材料，主要是纳米无机抗菌材料，具有优异的抑制和杀灭细菌的能力，可净化环境、防止病菌的交叉感染。
③纳米药物，一是把药物细化致纳米级，便于传输到人体的任何部位、也便于吸收和提高疗效；二是将纳米药物直接注射至病变处，更直接的杀灭有害病菌或肿瘤细胞；三是通过纳米材料的包裹作成智能型药物，进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤的组织。
④用纳米材料制成独特的功能膜，可以过滤、筛出有害成分，消除药物的污染，减轻药物的事故。
⑤“导弹药物”和癌症的早期诊断也是纳米技术未来发展的方向。
以上从性能的特征上广泛列举了纳米材料的用途，其中一部分已进入应用阶段，也有一些还处于实验室研究阶段，纳米材料的用途很难全面的展示，但无论如何已可以看到纳米材料应用的美好前景。
四．纳米材料与传统产业
纳米材料不仅在高科技与尖端工业中有重要的应用前景，而且在化工、建材、纺织、轻工等民用工业领域也有重要的应用价值，用纳米材料改造传统产业，利用比较成熟的纳米材料与技术，使传统产品提高质量、赋予新的功能或更新换代，无疑具有十分重大而现实的意义，也是科技工作者和企业管理者的历史责任。近几年来，在我国这方面的应用已有展开，下面略举一些实例。
1．纳米改性橡胶
橡胶及其制品大部分是黑色的，因为其中加有一定量的炭黑，炭黑是橡胶的主要补强剂和抗老化剂，其实炭黑也是纳米级材料，随其粒度的减小及比表面的增大，其补强性及抗老化性也随之提高。北京汇海宏纳米科技有限公司率先对纳米改性彩色橡胶及其制品进行了大量的实验研究，系统研究了一系列无色的纳米材料对橡胶补强及抗老化性能的影响，与此同时又系统研究了纳米材料及其他因素对有机、无机颜料保色性能的影响，从而开辟了具有优异性能的彩色橡胶及其制品的新天地，对于传统的黑色橡胶工业提出了挑战，提供了改造传统产业的一条新路。其中纳米改性彩色三元乙丙防水卷材具有优异的防水功能和装饰功能，使我国防水材料提高到一个新的水平，可对我国城市屋顶的美化发挥积极的作用，这是用纳米材料改造传统产品的成功范例，已被国家建设部列为2002年重点推广的科技成果，产业化的步伐已迅速展开。
2．纳米改性塑料
以中科院化学所国家工程塑料工程中心为代表的科学家，在纳米改性塑料方面做了大量系统的研究，他们以具有纳米层状结构的蒙脱土为原料，将高分子单体加入到较大间隙的层间，然后在高分子聚合的过程中，由于体积膨胀致使蒙脱土沿层间破碎，以纳米颗粒分散在塑料之中，成为纳米复合塑料，这种材料具有优异的力学性能，其中抗冲击性、耐热性等有显著提高，这种方法解决了纳米材料不易均匀分散的难点，同时成本较低，纳米复合塑料已可制成管材、板材，产业化的进程也已展开；此外，在国内外，纳米改性塑料的研究工作十分活跃，成果不少，例如用纳米改性的聚丙烯塑料代替尼龙用于铁道导轨的垫块，取得良好效果并已推广应用。如果通过纳米改性的途径把普通塑料的性能提高到接近工程塑料的水平，那么传统的塑料产业将得到全面的改造。
3．纳米改性建材
建材是一个极为广泛的综合性产业，其产值在国民经济总产值中占有十分显著的地位。对我国来说，大多数建材产品均为中、低档范畴，高档产品仍被国外名牌产品所占领。近几年来，纳米材料技术在建材中的应用研究十分活跃，效果也逐步显示出来，其中纳米改性涂料是最突出的一个。纳米改性涂料主要针对三个方面的需要：其一是提高涂料特别是外墙涂料的耐候性或抗老化性能，以延长涂料的使用寿命，紫外线的照射破坏键合是高分子材料老化的主要原因，某些纳米材料如TiO2、ZnO、SiOx等，对紫外线有强烈的吸收特性，从而在提高涂料的耐候性方面将可能发挥重要的作用；其二是改善涂料的抗污性或自洁性，传统的涂料常常由于污垢难于清除，使得涂料的装饰效果丧失殆尽，某些纳米材料的应用可以通过光催化作用促使表面油污分解，或使涂料表面具有憎水、憎油的功能，从而不粘油污，或油污附着不牢而极易清除；其三是通过纳米材料的应用赋予涂料新的功能，如抗菌功能、抗静电功能、消除电磁污染功能、耐磨功能、阻燃功能等。纳米改性涂料的研制单位很多，只要采取科学的态度，不断创新，传统涂料工业的面貌一定会大为改观。纳米材料在建筑陶瓷中的应用，在粘结剂中的应用，在各种化学建材和装饰材料中的应用还不十分广泛，可以说纳米改性技术已经成为传统建材工业技术改造的主要方向之一。
4．纳米材料在纺织工业中的应用
最近几年中，关于纳米保暖内衣的商业炒作受到各种质疑，存在着宣传过度或概念不清等问题，其实纳米材料在纺织工业中有十分广阔的应用前景，例如纳米改性高强度抗老化织物、紫外线屏蔽织物、抗菌除臭织物、环保过滤织物、抗电磁辐射织物、抗静电织物、抗油污自洁净织物，隔热阻燃织物、红外保暖织物、磁性保健织物等。纳米材料在纺织中的应用途径有三种，一是把纳米超微粉直接在合成纤维的反应过程中加入；二是利用熔融共混的方法在聚合物纺丝过程中添加；三是在织物的后整理过程中加入。纳米材料的分散技术、表面改性技术是关键所在。最近超憎水纺织品已多次在电视广告中展示，其中一种是利用特制的纳米TiO2表面形态特征，通过表面改性和其他技术制成憎水浆料，再在织物的后整理阶段复合到织物的表面，并渗透至纤维的间隙之中，烘干后赋予织物以超憎水性、抗污性、阻燃性，并保持织物的透气性，对人体皮肤无毒无害，这种织物具有所谓荷叶效应，做成的服装不沾水，可作为防水用具，把墨水、酱油等洒在这种衣物上，只要用吸水纸及时清除可不留任何痕迹。由上面的叙述中，不难看到纳米材料技术在纺织工业中的应用价值，确实能使纺织品大放异彩，使纺织工业充满生机、增加商机。
5．纳米材料在环保、卫生行业领域中的应用
纳米材料由于巨大的比表面积和吸附能力可用于吸收和消除有害气体，净化空气，利用某些纳米材料的催化或光催化特性，可用于分解进而消除油污的污染，净化水域；各种新发展的纳米抗菌剂的应用，可以净化环境，防止交叉感染和疾病的蔓延，这些应用对于人类的健康直接相关，受到人民群众的关注。纳米抗菌冰箱、洗衣机的广告宣传在一般时间中被媒体炒得火热，有人说好，有人又持否定态度，老百姓茫然不知所措，标有抗菌功能的冰箱、洗衣机仍随处可见。下面对纳米抗菌无机材料及其应用做一简要介绍。抗菌剂分为有机和无机两大类，前者的应用历史已久，但其抗菌效果不甚理想，不能经受高温，有些本身还具有毒性，因此最近20年来，无机抗菌剂被研究并迅速获得应用，纳米材料的出现实际上促进了无机抗菌剂的发展。无机抗菌剂可分为两大类，一是利用金属离子如Ag、Cu、Zn直接对细菌的杀灭能力，另一是利用纳米材料(如TiO2)的光催化特性产生活性氧起到杀灭细菌的作用，前者的作用直接、迅速、高效，因此受到重视，金属离子如何分散到各种材料中去呢?最好的办法是将它们先沉积到一个高比表面(多孔)、高吸附能力的纳米粉体(载体)上，复合成一种纳米组装的形态，再将它们分散至各种材料中去，做成各种抗菌的材料和制品。纳米材料载银系抗菌剂是最主要的无机抗菌剂，在国内已有多家可以生产。国家工程塑料工程中心在抗菌塑料的生产与应用方面已经产业化；北京华元川科技公司、北京汇海宏纳米科技公司在磷酸锆载银系抗菌粉的生产及其在陶瓷中的应用也已在进行产业化；中国建材研究总院在采用稀土复合抗菌剂及其在日用卫生陶瓷中的应用也已有一定规模，抗菌的纺织品也已问世，经过权威部门的检测，使用纳米无机抗菌剂的塑料或陶瓷或纺织品表面杀菌率都超过90%以上，2002年初国家已组织制定抗菌制品的行业标准，包括检测方法，抗菌材料及其制品已不断被用户认知，预计其应用范围将迅速扩大。在国外，特别是日本，抗菌材料的产业及应用已接近普及，可以说，抗菌材料及应用是一个发展的方向，是众多日用品都应该具有的一种有益无害的功能。
总之，用纳米材料技术改造传统产业是当前具有战略意义的方向，对国民经济的发展有现实的重大意义，对纳米材料科技本身的发展也是一个巨大的推动力。
五．迎接纳米时代的到来
纳米科技从20世纪90年代诞生，在短短的十几年中，对世界产生了巨大的冲击。为争夺在纳米技术领域的领先地位，世界发达国家争先实施各种纳米开发技术。美国政府把纳米科技列为21世纪前10年重点开发的11个关键领域之一，克林顿总统于2001年1月21日发布“国家纳米技术倡议”，并决定2001年增拨5亿美元用于纳米基础研究；日本在2001∼2005年度科技计划中，把纳米技术作为国家研究开发投资的重点战略领域之一，加速进行纳米高新技术的开发；德国早在1995年1月就完成了“纳米技术分析报告”，把纳米技术作为21世纪科研创新的战略领域，并争取占据领先地位；英国在90年代已先后实施了三项有关纳米技术的研究计划，现有上千家公司、三十多所大学、七个研究中心进行纳米技术的应用开发；我国也十分重视纳米科技的研究，先后列入国家“攀登计划”、“火炬计划”、“863计划”、“973计划”，2000年又把纳米材料和纳米技术列入国家“十五”重点攻关计划。各发达国家开发纳米技术的主要战略是：
①以未来经济发展和国家实际需求为目标，推动纳米科技领域的基础研究与应用研究；
②组织多学科科技人员联合创新，基础与应用研究并举并重视二者的衔接；
③重视用纳米技术和纳米材料改造传统产品，提高技术含量和生产能力。毫无疑问，各国政府的高度重视，使纳米科技如虎添翼，获得更迅猛的发展，纳米材料学与纳米电子学、纳米生物学以及纳米加工技术相辅相成，互相推动，一系列前沿领域的进展比人们预料的更令人鼓舞。
· 新型纳米材料——碳纳米管
碳元素是自然界最普遍的元素，以其特有的成键轨道形成了丰富的碳家族，长期以来人们一直认为碳在自然界中只存着三种同素异构体，即无定形炭、石墨和金刚石，同一元素不同结构却在性能上天差地别，令人惊讶。更令人惊奇的是，1985年kroto、Smalley等人发现了由60个碳原子组成的球笼状大分子，称C60，60个碳原子分别位于20个六边形和12个五边形组成的网格节点上，形成像足球一样的球体，此后又发现C70、C76、C78、C82、C84等称为富勒烯球的大家族，它们的一些新的特性引起材料界的震惊。1991年日本NEC(日本电气)的饭岛澄量(Iijima)教授在对电弧法制备C60产物的电镜研究中，发现了直径在数十纳米长度可达数十微米的管状物——碳纳米管，国内学者也称之为巴基管；开辟了碳纳米管材料研究的先河，从此人们先后用弧光放电法、激光蒸发法在催化剂作用下的化学气相沉积法等方法制得了高质量的碳纳米管。碳纳米管是由碳的石墨平面结构沿着一定轴线卷曲而成的筒状结构，随着管轴方向的不同卷筒的螺旋角不同和直径的变化，碳纳米管的电学性能可分别显示出金属、半导体和绝缘体的性质。由于形成碳管的原子层数不同，可分为单壁和多壁碳纳米管。自碳纳米管被发现以来，世界上许多物理、化学和材料学家纷纷对它的基本物质结构、结构与性能的关系、电子结构、电子传输特性、力学性能等作了大量而详细的研究，发现了碳纳米管具有优良的物理、力学性能，并展现了极其诱人的应用前景，碳纳米管的发现被认为是当代材料科学的一项重大突破。
①理论计算和实验研究表明，单壁碳纳米管的强度是钢的100倍，而其密度只有钢的1/6，是世界上已知的比强度最高的材料，中科院物理所的解思深研究员发明了碳纳米管定向生成新方法，并于1998年制备出世界最长的3mm超长碳纳米管，为这种超级纤维材料的应用迈出了重要的一步。设想，用这种纤维为增强体做成各种复合材料，将使陆上、水上、航空、航天的交通工具的重量更轻、强度更高、燃料消耗更小，完全可能导致一场革命性的变化。
②碳纳米管具有很多独特的电学特性，电子在碳纳米管中只能沿轴向运动，而沿径向的运动受到很大限制，因此金属性的碳纳米管可用于未来纳米集成电路中的连接线，而半导体性的碳纳米管可以用来制作纳米电子开关、单分子晶体管和其他纳米量子器件，可以预见，碳纳米管在电子学领域的应用，将使集成电路向更小的方向发展，计算机领域的历史性变革也已不是梦想了。
③碳纳米管应该说是比表面积最大的材料，用这种材料做成双电荷层电容器，其电容量将比目前所有电容器都要大得多，通过适当的电路使这种电容器的放电速度得到控制，即有可能做成一个类似电池的电源系统，这种电源充电时间可以非常短，比如几秒钟，而其放电时不怕大电流的冲击，这种电源有可能做为电动汽车的启动电源，在汽车的运行中及时充电以满足连续使用。
④碳纳米管也是储氢容量最大的材料。1997年美国国家再生能源实验室和IBM公司发现碳纳米管的储氢能力随管径增大而提高，他们推断单壁碳纳米管的吸氢量可达碳管重量的5%∼10%，1999年新加坡国立大学用化学掺杂锂和钾的方式进一步提高了碳纳米管的吸氢能力，使吸氢量可高达碳管重量的14%∼20%。用碳纳米管不需高压就可储存高密度的氢气，并在使用时比较容易释放出来，这方面的突破将对未来氢能源的利用产生极为重要的作用。
⑤研究发现碳纳米管的端口极为细小而且非常稳定，十分有利于电子的发射，是新一代场发射阴极材料的极佳选择，单壁碳纳米管的直径仅1∼2nm，是目前广泛应用的硅阴极发射器顶部大小的10∼20分之一，是一种非常理想的电子发射源，而且其场发射阀值电压可降低十倍，使新一代低能耗的壁挂式平板显示器成为可能。
· 实现“在原子和分子水平上制造材料和器件”的梦想
近20年来，一些超微观的研究仪器出现了，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，他们使人的视觉延伸到原子的尺度，使人们看到了固体中原子排列的图像，他们还能把微观的成分分析精确到单个原子，告诉人们固体表面中某一个原子是什么元素，更有甚者，借助扫描隧道显微镜还可实现按人的意志一个一个地搬动原子。早在1959年，美国著名物理学家，诺贝尔物理奖获得者Feynman曾经对物理学有一段展望：“如果我们按自己的愿望一个一个地排列原子，将会出现什么呢?这些物质将有什么性质?这是十分有趣的问题，虽然我现在不能精确地回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺寸上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质……，如果能在原子和分子水平上制造材料和器件，就会有许多令人激动的崭新发现。”这是一个精彩的预言，也是科学家们长期的一个期盼，在当时应该说是一个梦想。半个世纪过去了，科学发生了翻天覆地的变化，人类过去的梦想一个又一个变成了现实，应该说当Feynman的梦想成为现实时，标志人类创造新材料的能力达到了全新的高度，而全新的物质将给人类带来全新的世界。
扫描隧道显微镜(STM)被国际科学界公认为是20世纪80年代世界十大科技成果之一，由于这一成就，Binning和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理奖。STM具有极高的空间分辨能力，平行方向分辨率为0.04nm，垂直方向分辨率为0.01nm，它标志着微观分析技术的重大转折，人们可以直接观察表面上的原子和分子结构；可以研究原子之间的微小结合能，人为设计并制造分子；可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术；可以在原子尺寸上加工、组装新型量子器件。
在STM设备中有一个极细微的探头，顶部为直径只有50∼100nm的金属针尖。操纵表面上原子的方法简单的说是将针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上的原子的电子云重叠，因此在针尖与表面原子间产生一种与化学键相似的引力，这种力足以提取、移动和放置原子，实现对单个原子的操纵。IBM公司用STM搬动101个Fe原子，组成了世界上最小的“原子”两个字，用STM搬动吸附在Cu表面上的Fe原子，排列成一个圆形的量子栅栏，它的直径只有14.26nm，这是人类首次用原子组成的人工结构，在科学上有十分重大的意义。在Cu表面移动C60分子，用STM的针尖一个接一个的移动C60分子，就像中国的算盘珠一样，而每一个C60分子的尺寸只有0.7nm。当然，到目前为止，单原子的操纵精度、速度等都远未达到实用的水平，但是随着STM理论和技术水平的日趋完善，在原子、分子水平上制造新材料和器件的梦想一定会变成现实，到那时，也许运算速度高达每秒几十万亿次的超级计算机可以小到随手放入口袋中。到那时一个可称为纳米时代的新纪元便出现在地平线上了，让我们满怀信心、满怀希望地迎接这一辉煌的新时代的到来。
视频：材料科学资料集成——纳米材料，纳米氧化锌
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