ysl反转巴黎纳米在高分子材料中的应用（讲义）
沧桑的网名（湖南大学材料科学与工程学院陈宪宏）
爱因斯坦早就预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”
众所周知，原子是组成自然界的基本单位。正是这些形形的原子，以千差万别的方式排列，才使我们这个世界即充满神奇又多姿多彩。早在1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德.费因曼（Rinchard, Feynman），在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为：《底层大有可为，底层还有多大空间》（There's Plenty of Room at the Bottom）的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激情地说：“当我们深入并游荡在原子的周围，我们是在按不同的定律活动，我们会遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹？！”展开想象的翅膀，费因曼给我们描述了这样一副激动人心的画面：通过人为地操纵单个原子，来构造人们需要的特定功能的物质。这如同用原子来搭积木！囿于人们认识水平和科技发展水平，当时听起来无异是天方夜谭。
在此之后的二十多年时间内，人们对费因曼所提出的这种新奇的技术并没引起足够的重视。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议。这次会议的召开，标志着纳米科技（nano science and technology，简称Nano ST）的正式诞生。时至今日，费因曼当年的梦想已经开始变为活生
生的现实：人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究，并取得了一系列激动人心的重大成果。
继网络热潮之后，纳米技术和生物科技将主导下一轮科技浪潮。跨世纪的新学科——纳米科技。
纳米技术用途广泛。纳米材料和纳米加工技术的研究，已经揭示了它的许多优越的性能，在广泛的工业和民用领域有着诱人的前景。
一、纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位
在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来
中国旅游景点介绍越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方某时400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段
可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。2023年打春时间
研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义：在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当。此时的电子与处在场外中运动的经典粒子是不同的，电子的波动性在输送过程中得到充分的展现。由于纳米体系在维度上的限制，固体微粒中的电子态、原激发态和相互作用过程中的其它状态明显表现出三维体系不同的许多性质，如量子涨落与混沌，非定域量子相干，多体关联效应以及非线性效应等。对于这些在此之前未见过的稀奇古怪的物理特性研究，使人们对现有的物理理论必须重新认识和定义，并对自然界物资存在的规律重新进行认识，这就需要引入自然界物质的新概念并建立认识自然界的新规律，譬如纳米尺度上的能带、费米能级以及逸出功等新概念。除此之外，还有：在纳米化学中，
对表面的化学过程，包括原子簇化合物的研究对吸附/载体系统中的电子性质和对基体表面结构的影响；纳米金刚石的制备技术和应用将对高精度加工技术带来创新；纳米炭粉在电子技术和印刷业中将掀起创新的革命；在纳米能量学中，除了纳米储能材料（如储氢材料、储天然气材料、储其它能量、燃料材料）可作为新型储能材料在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。
行将就木的意思世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。
1、研究形势和趋势
如何养康乃馨纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为本世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和纳米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。
纳米材料诞生多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料
研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50nm的纳米Cu的材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7nm的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望。到目前为止，已形成了具有自主知识产权的几家纳米粉体产业，二氧化硅，二氧化钛、氮化硅在纳米添加功能陶瓷和结构陶瓷改性方面也取得了很好的效果。
根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA （国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近匕年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如Ogala计划、ERA TO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资1．28亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1.2亿美元。据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从2.5亿美元增加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。
2、国际动态和发展战略
1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从2.5亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原1.97亿美元的资助强度提高到2.5亿美元。2000年1月21日，美国总统克林顿宣布，美国将从2000年10月1日起实施一项新的国家计划——国家纳米科学技术计划（NNI），并把其作为美国政府当前科技研究与开发的第一优先计划。据报道，美国政府在2001年预算中用于纳米科技研究与开发的经费将高达4.95亿美元，增幅几乎是翻了一番。美国是最早成立纳米科技研究中心的国家。美国到2005年的10项战略技术中有4项属于纳米科技，它把纳米科技列入了“政府关键技术”、“本世纪末下世纪初的重大研究方向”、“2005年的战略技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美元。1996年，美国以国家科学基金会（NSF）为主的十几个联邦政府机构委托世界技术评估中心（WTEC），对纳米微粒、纳米结构材料和纳米器件的研究开发现状和趋势，在全球范围内进行了为期3年的调研。随后，国家科学技术委员会（NSTC）设立了一个纳米科学、工程与技术机构间工作组（IWGN），在WTEC调研的基础上，拟订出文章开头所说的NNI计划。日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米科技研究计划，将此计划作为日本政府、企业和大学合作研究的三项重大基础研究课题之一；1995年又将此列为今后10年日本应开发的四大基础科学技术项目之一，
并制定了具有挑战性的战略性基础研究推进计划。德国1993年提出了10年重点发展的9个领域80项关键技术，原子测控技术涉及其中4个领域12个项目，联邦政府每年拨款8500万美元支持这个领域的研究。《美国商业周刊》8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性
及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100nm芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10－”bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。
美国在1991年4月把它列入了政府22项关键技术，1992年列入了国家研究理事会确定的本世纪末、下世纪初的十大研究方向中的5个项目。美国国防部通过高级研究项目局每年预算给企业拨款3500万美元，支持它们研究。
日本1991年实施为期10年、耗资2．25亿美元的研究计划，将此项目作为政府、企业和大学合作研究的3项重大基础研究课题之一。1995年宣布将此列为今后10年日本应开发的四大基础科学技术项目之一。
德国1993年提出了10年重点发展的9个领域80项关键技术，原子测控技术涉及其中4个领域12个项目。德国联邦政府每年拨款6500万美元支持研究。澳大利亚1993年将原子测控技术列为21世纪最优先开发的项目。
我国的基础研究计划和“863”高技术计划对纳米科技的研究和开发都给予支持。目前，美国在合成、化学和生物方面处于领先，日本在器件和结构方面具有优势，欧洲在弥散、涂覆和新型仪器方面实力较强。我国在纳米技术的研究与开发的某些方面也取得了一定的成绩，例如制备出了定向碳纳米管阵列、氮化镓一维纳米丝和纳米电缆等。如果纳米技术的定义范围更宽一些，不只包括装配机器系统，也包括纳米尺寸能完成机器或设施功能的分子结构，那么已有原型样机和填充了直径为1.5纳米离子通道的合成膜的生物传感器。非装配纳米技术可能有其它与健康相关的应用，如正由美国国防部高级研
究计划局开发的进行常规生物监控的手表大小的个人状况监控器，及制药公司正在开发的质量监控器等。纳米技术初期的应用将集中于机体外，如诊断和药物生产。虽然纳米技术的早期应用将在体外，但是最有价值的将是体内应用。可能的应用领域包括：沿着血液运行、支持天然免疫系统的程序化免疫机器；激活快速愈合和组织重建的细胞聚集机器；实施遗传手术的细胞修复机器。许多研究领域可能从各个方面有益于纳米技术的发展，生物技术是其中最重要的方面之一。一些关键的研究领域包括：蛋白质工程和大分子设计和折叠；自组生物分子材料；催化；纳米管及其它新化学微结构；生物能及超声－驱动化学；半导体与生物学的交叉；微型化和大规
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