納米材料技術(shù)：微觀世界的無限可能

早在20世紀(jì)，我國科學(xué)家錢學(xué)森就曾預(yù)言：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”當(dāng)前，納米材料的前沿研究已經(jīng)成為匯聚了化學(xué)、物理、生物、材料等多學(xué)科的交叉焦點(diǎn)研究，其研究成果廣泛應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域、能源環(huán)境領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域，使其成為推動21世紀(jì)全球產(chǎn)業(yè)變革的重要力量之一，也成為各國競相發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

基本特性

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由其作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料的基本單元可以由原子團(tuán)簇、納米微粒、納米線、納米管或納米膜組成，既可以是金屬材料，也可以是無機(jī)非金屬材料和高分子材料等。

納米材料的分類 納米材料按維度分為零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料和三維納米材料。零維納米材料是指空間中的三個維度均在納米尺度范圍內(nèi)的納米材料，如量子點(diǎn)、納米晶、原子團(tuán)簇等；一維納米材料是指有兩個維度在納米尺度范圍內(nèi)的納米材料，如納米線、納米棒、納米管等；二維納米材料是指有一個維度在納米尺度范圍內(nèi)的納米材料，如納米薄膜、納米片、石墨烯等；三維納米材料一般指納米結(jié)構(gòu)材料，如納米介孔材料等。按照材料性質(zhì)劃分，可分為納米金屬材料、納米非金屬材料，納米高分子材料和納米復(fù)合材料。

納米材料的三大物理效應(yīng) 當(dāng)組成物質(zhì)的基本單元達(dá)到納米尺度時(shí)，物質(zhì)所具有的物理特性、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)屬性均會發(fā)生明顯的變化，產(chǎn)生出一系列獨(dú)特的效應(yīng)，這些效應(yīng)既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。一般來說，納米尺度具備三大物理效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)。

表面效應(yīng)：隨著顆粒半徑變小，將造成其比表面積顯著增加和顆粒表面原子數(shù)明顯增加，而顆粒表面的原子之間缺少化學(xué)鍵相連，造成的不飽和性使得其易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，因此表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。典型例子就是金在納米尺度上的催化活性。當(dāng)金顆粒尺度來到2nm時(shí)，其可以獲得更大的比表面積或臺階數(shù)，從而增強(qiáng)了其催化性能，這也使得2nm的金納米顆粒在一氧化碳氧化反應(yīng)和丙烯環(huán)氧化反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。

小尺寸效應(yīng)：在納米尺度下，當(dāng)微粒尺寸接近或小于光波波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)相干長度、透射深度等關(guān)鍵物理特征尺度時(shí)，材料內(nèi)部的原子排列和相互作用發(fā)生顯著改變。晶體原本規(guī)則的周期性邊界條件被打破，非晶態(tài)納米微粒的表面原子密度降低，致使材料的聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)以及力學(xué)等宏觀性能出現(xiàn)一系列新的變化。因此金屬微粒達(dá)到納米狀態(tài)時(shí)就都將呈現(xiàn)黑色，微粒的尺寸越小顏色愈黑，這被利用來可制造高效率光熱、光電轉(zhuǎn)換材料。晶體達(dá)到納米尺寸時(shí)熔點(diǎn)會顯著降低，以金這種金屬為例，當(dāng)其基本結(jié)構(gòu)的直徑從10nm降到5nm時(shí)，其熔點(diǎn)將從常規(guī)狀態(tài)下的940℃降至 830℃，憑借這一特性，它在粉末冶金工業(yè)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

量子效應(yīng)：當(dāng)顆粒的尺寸來到納米級時(shí)，受量子力學(xué)規(guī)律影響產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象，包括量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)。材料進(jìn)入納米尺寸，電子運(yùn)動將受限，原本連續(xù)的電子能譜變?yōu)殡x散能級，就會發(fā)生量子尺寸效應(yīng)，這使半導(dǎo)體納米粒子的吸收光譜藍(lán)移，這廣泛應(yīng)用于光電器件、生物熒光標(biāo)記等領(lǐng)域。微觀粒子有一定概率穿越高于自生能量的勢壘，就會發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，在納米材料中，它可能影響納米電子器件性能，也被用于設(shè)計(jì)單電子晶體管等新型器件。在納米尺度下，小的金屬顆粒或半導(dǎo)體量子點(diǎn)與周圍電容耦合，電子間的庫侖排斥力阻礙電子進(jìn)入納米顆粒，就會發(fā)生庫倫阻塞效應(yīng)，該效應(yīng)在單電子晶體管和量子點(diǎn)存儲器等器件中有重要應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)低功耗信號處理及提高存儲性能。

發(fā)展現(xiàn)狀

納米材料作為21世紀(jì)最具潛力的前沿科技領(lǐng)域之一，其發(fā)展勢頭迅猛，從社會民生到國防科技，從基礎(chǔ)科研到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，從電子設(shè)備、生物醫(yī)藥到航空航天、汽車制造，新的納米材料不斷涌現(xiàn)，其所具備的獨(dú)特性為解決諸多傳統(tǒng)難題提供了新的思路和方法。這也使得在2023年全球納米材料市場規(guī)模達(dá)到近757.21億美元，預(yù)計(jì)到2030年這一規(guī)模將達(dá)到約1800.26億美元。

美國 從2000年開始，美國逐步推進(jìn)“國家納米技術(shù)計(jì)劃”（NNI），該計(jì)劃聚焦于八個關(guān)鍵領(lǐng)域展開深入研究與探索：一是基本現(xiàn)象及過程；二是納米材料；三是納米器件及系統(tǒng)；四是設(shè)備研究、測量技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)；五是納米制造；六是主要研發(fā)設(shè)施；七是環(huán)境、健康與安全；八是教育和社會層面。美國在納米材料領(lǐng)域處于全面領(lǐng)先地位，成果卓著。在電子信息領(lǐng)域，Cerebras系統(tǒng)公司推出了5納米“晶圓級引擎3”（WSE-3）芯片，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)研制了納米級3D晶體管。美國研究人員還在研究開發(fā)基于納米材料的柔性電子器件，這些柔性顯示屏、柔性傳感器和柔性電池等，將廣泛應(yīng)用于未來生活的方方面面。在航空航天領(lǐng)域，美國國家航空航天局（NASA）采用了納米增強(qiáng)復(fù)合材料，通過在傳統(tǒng)復(fù)合材料中添加納米級別的增強(qiáng)相，如碳納米管、納米陶瓷顆粒等，減輕了航天器的自身重量，提高了有效載荷，提升了飛行性能，助力航天器在深空探測、通信中繼等任務(wù)中發(fā)揮更大效能。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，美國科研人員開發(fā)的一種基于納米金的免疫層析技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于臨床診斷的快速檢測方法，實(shí)現(xiàn)對生物特定抗原的快速、靈敏檢測。另外，美國的科研人員開發(fā)出了一種基于納米材料的藥物載體系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑺幬锇诩{米顆粒內(nèi)部，并通過對納米顆粒表面進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)對藥物的靶向傳遞和控釋。在能源環(huán)境領(lǐng)域，研究人員發(fā)現(xiàn)了可在原子尺度上調(diào)控層狀雜化鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，這將有助于開發(fā)更高效的太陽能發(fā)電設(shè)備。

日本 2018年，日本頒布《納米與材料科學(xué)技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略》，著重闡述了推動納米材料發(fā)展的四項(xiàng)關(guān)鍵舉措：一是研制具備變革社會效能的材料；二是搭建科學(xué)根基，促使創(chuàng)新材料融入社會應(yīng)用；三是推動實(shí)驗(yàn)室研發(fā)朝著高效、高速、精密的方向變革；四是制定切實(shí)可行的政策，穩(wěn)步推進(jìn)材料革命。在納米材料領(lǐng)域，日本的技術(shù)水平處于世界前列，特別是在半導(dǎo)體材料、石墨烯材料以及納米制造技術(shù)等方面，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢與領(lǐng)先實(shí)力。半導(dǎo)體材料上，日本計(jì)劃最快在2025財(cái)年投產(chǎn)本土的2納米芯片工廠，商業(yè)化速度與業(yè)界領(lǐng)先的臺積電、三星、英特爾處于同一水平。日本企業(yè)東麗公司開發(fā)的石墨烯薄膜廣泛應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示屏以及超級電容器中。

歐洲 2013年6月，歐盟發(fā)布《歐盟納米安全（2015—2025）：向安全和可持續(xù)的納米材料和納米技術(shù)創(chuàng)新邁進(jìn)》文件，清晰地呈現(xiàn)了歐盟在納米領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向以及未來的發(fā)展規(guī)劃。歐盟主要在納米材料的制備技術(shù)、納米復(fù)合材料以及納米技術(shù)在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用等方面處于領(lǐng)先地位。其中，德國研發(fā)的具有高靈敏度和高精度的納米傳感器，在工業(yè)制造、衛(wèi)生醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域，得到了廣泛應(yīng)用；英國在納米生物技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，使得其在疾病的早期治療中取得了新的突破。

韓國 2012年，韓國設(shè)立“納米融合2020”項(xiàng)目，投入5130億韓元，優(yōu)先用于新一代半導(dǎo)體、納米彈性元件、高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)、水環(huán)境與資源處理技術(shù)等四大戰(zhàn)略項(xiàng)目。韓國電子部品研究院通過3D打印技術(shù)揭示了納米線在三維空間中的高度定向發(fā)光模式，這一創(chuàng)新預(yù)計(jì)將在超小型發(fā)光材料應(yīng)用的AR/VR、光束投影儀及光子集成電路等前沿科技領(lǐng)域激起行業(yè)的廣泛興趣與熱烈反響。KAIST的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種創(chuàng)新的分層堆疊技術(shù)，成功制造出了在現(xiàn)有技術(shù)下難以實(shí)現(xiàn)的3D量子點(diǎn)納米結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)顯著提升了發(fā)光材料的性能效率。

社會效用

電子信息領(lǐng)域 納米材料的應(yīng)用為電子產(chǎn)品的性能提升帶來了質(zhì)的飛躍。在芯片制造方面，納米技術(shù)的運(yùn)用使得晶體管尺寸不斷縮小，集成度大幅提高。例如，英特爾等公司已成功將芯片制程推進(jìn)到納米級，如7納米、5納米工藝，使得芯片在更小的面積上能夠集成更多的晶體管，從而顯著提升了計(jì)算速度和處理能力，為高性能計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等設(shè)備的發(fā)展提供了強(qiáng)大動力。在傳感器制造方面，納米傳感器具有極高的靈敏度和選擇性，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測出各種物質(zhì)和物理量。例如，納米線傳感器可對生物分子、氣體等進(jìn)行超靈敏檢測，在生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。以檢測空氣中有害氣體為例，納米顆粒制成的傳感器能夠敏銳感知到極低濃度的有害氣體，如甲醛、苯等，為室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測提供了可靠保障。在顯示器方面的應(yīng)用上，有機(jī)納米發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)的出現(xiàn)，使顯示器具備了更高的對比度、更快的響應(yīng)速度和更廣的視角。與傳統(tǒng)液晶顯示器相比，OLED顯示器能夠呈現(xiàn)出更加鮮艷、逼真的色彩，并且可以實(shí)現(xiàn)柔性顯示，為可穿戴設(shè)備、折疊屏手機(jī)等新型電子產(chǎn)品的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

能源環(huán)境領(lǐng)域 納米材料的應(yīng)用有助于提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。染料敏化太陽能電池中的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦（TiO?），因其大的比表面積能夠吸附更多的染料分子，使得其光吸收率得到明顯提升。此外，通過在TiO?納米結(jié)構(gòu)中引入量子點(diǎn)等納米材料，可進(jìn)一步拓寬光譜響應(yīng)范圍，使得這種納米材料構(gòu)成的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升。在電池儲能方面，納米材料的應(yīng)用也為提高電池性能帶來了突破。納米材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，可改善電極材料的性能。納米尺度下的電極材料，表面效應(yīng)下，離子擴(kuò)散速率更快，可提升電池的充放電效率，延長電池的循環(huán)壽命。石墨烯作為一種新型納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能，將其應(yīng)用于鋰離子電池電極材料中，可顯著提高電池的能量密度和功率密度。此外，納米催化劑可高效降解污水中的有機(jī)污染物，如納米TiO?光催化劑在紫外線照射下，能夠?qū)⑺械挠袡C(jī)污染物分解為二氧化碳和水，實(shí)現(xiàn)污水的凈化。空氣凈化方面，納米材料制成的空氣凈化器濾網(wǎng)能夠有效吸附和分解空氣中的有害氣體和顆粒物，如甲醛、苯、PM2.5等，為人們提供清新健康的空氣環(huán)境。

生物醫(yī)藥領(lǐng)域 納米探針可用于生物分子的檢測和成像，能夠?qū)崿F(xiàn)對疾病的早期診斷。例如，在癌癥早期診斷中，通過檢測血液或組織中特定腫瘤標(biāo)志物的含量，量子點(diǎn)納米探針能夠?qū)崿F(xiàn)超靈敏檢測，幫助醫(yī)生更早地發(fā)現(xiàn)癌癥跡象，為患者爭取寶貴的治療時(shí)間。納米材料還可用于制備磁共振成像（MRI）造影劑、超聲成像造影劑等，提高成像的清晰度和分辨率。例如，超順磁性納米顆粒作為 MRI造影劑，能夠顯著提高正常組織與病變組織兩者間的對比度，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地觀察病變情況，為疾病的診斷和治療提供有力支持。在疾病治療方面，納米材料可作為藥物載體，精準(zhǔn)地將藥物遞送至病變部位，提高藥物的療效并降低副作用。納米粒子可以包裹化療藥物，通過對其表面進(jìn)行修飾，使其能夠特異性地識別腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)腫瘤組織的靶向給藥。這種靶向遞送方式可有效減少藥物對正常組織的損害，提高治療效果，同時(shí)降低患者的痛苦。

軍事應(yīng)用前景

納米技術(shù)的經(jīng)濟(jì)與社會滲透能力極強(qiáng)，在全球范圍內(nèi)，那些牢牢掌握納米技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)，并且能夠?qū)⑵鋸V泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的國家，在經(jīng)濟(jì)安全和國防安全層面往往能占據(jù)顯著優(yōu)勢。在國防安全領(lǐng)域，納米技術(shù)的賦能尤為突出。納米和微米機(jī)械設(shè)備在國家核防衛(wèi)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使核防衛(wèi)系統(tǒng)性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，大幅提升了對核威脅的監(jiān)測、預(yù)警和防御能力。先進(jìn)納米電子器件被應(yīng)用于信息控制，極大地提升了軍隊(duì)在預(yù)警、導(dǎo)彈攔截等關(guān)鍵領(lǐng)域的反應(yīng)速度，使軍隊(duì)能夠更快地感知威脅、做出應(yīng)對決策。在武器裝備方面，艦船、潛艇、戰(zhàn)斗機(jī)等各類裝備，借助納米材料技術(shù)，其耐腐蝕性能、吸波能力和隱蔽性大幅提高，在軍事行動中能夠更好地規(guī)避敵方探測，發(fā)揮更強(qiáng)的作戰(zhàn)能力，為國防安全提供更堅(jiān)實(shí)的保障。

隱身技術(shù)革新 在軍事領(lǐng)域，隱身技術(shù)至關(guān)重要，而納米材料的出現(xiàn)為其帶來了重大變革。納米材料的高比表面積和納米結(jié)構(gòu)使得在被電磁波照射時(shí)，電磁波與材料的相互作用界面相比傳統(tǒng)材料更大，通過介質(zhì)損耗和磁損耗機(jī)制，使得雷達(dá)波的能量散失掉，以此來大幅減少雷達(dá)波的反射，從而顯著降低目標(biāo)的雷達(dá)截面積，達(dá)到隱身效果。美國研制的以納米石墨為吸收劑制成的石墨熱塑性復(fù)合材料和石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，對雷達(dá)波的吸收率高達(dá)99%，被廣泛應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱身轟炸機(jī)、艦船和導(dǎo)彈上。

防護(hù)能力增強(qiáng) 納米材料的顆粒尺寸極小，可在微觀層面實(shí)現(xiàn)更緊密的結(jié)構(gòu)排列，使得裝甲和防御系統(tǒng)的強(qiáng)度與耐久性方面得到明顯增強(qiáng)，能有效提高裝備和人員的防護(hù)水平。在單兵防護(hù)方面，用碳納米管制成的防彈衣、頭盔比傳統(tǒng)材料更輕便、更堅(jiān)固，能為士兵提供更可靠的保護(hù)，在減輕士兵負(fù)重的同時(shí)，顯著增強(qiáng)對子彈、彈片等的防護(hù)能力，降低士兵在戰(zhàn)場上的傷亡風(fēng)險(xiǎn)，如美國陸軍 “陸地勇士”系統(tǒng)防護(hù)服、德國“未來士兵”系統(tǒng)頭盔。在軍事裝備方面，納米陶瓷復(fù)合材料可用于制造坦克、裝甲車的裝甲部件，其優(yōu)異的硬度和耐磨性，能有效抵御敵方武器的攻擊，提高裝備的生存能力，如俄羅斯T-14阿瑪塔主戰(zhàn)坦克。此外，納米材料還具有自修復(fù)功能，使防護(hù)裝甲在受到損傷后能夠自動修復(fù)，大大提高了戰(zhàn)場防護(hù)的可靠性和實(shí)用性。

能源與通信突破 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，可靠的能源供應(yīng)和高效的通信至關(guān)重要，納米材料在這兩方面的應(yīng)用有望帶來重大突破。在能源供應(yīng)領(lǐng)域，納米材料可用于開發(fā)高性能的太陽能電池板和超級電容器。納米太陽能電池具有超薄、重量輕、柔性好等特點(diǎn)，能方便地集成到武器、車輛和士兵裝備上，無需額外的能源供應(yīng)。而且，其能量轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)太陽能電池更高，能夠在較小的面積上產(chǎn)生更多的電力，為軍事裝備提供持續(xù)穩(wěn)定的能源支持。納米材料在超級電容器中的應(yīng)用，可顯著提高其能量存儲和釋放能力。超級電容器具有快速充放電的特性，與納米材料結(jié)合后，能為需要瞬間高能量輸出的軍事裝備，如電磁炮等，提供強(qiáng)大的動力支持。在通信設(shè)備方面，納米材料可改善無線電設(shè)備和天線的性能。使用納米材料制造的天線，尺寸更小、性能更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高速率的信號傳輸。同時(shí)，納米技術(shù)還能增強(qiáng)電磁波的傳輸性能，實(shí)現(xiàn)隱形通信和抗干擾通信，有效應(yīng)對復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的干擾和偵察，確保戰(zhàn)場通信的安全與穩(wěn)定，為作戰(zhàn)指揮和信息傳遞提供有力保障。

醫(yī)療與監(jiān)測新篇 納米技術(shù)在戰(zhàn)場醫(yī)療和監(jiān)視方面具有巨大的應(yīng)用潛力，將為軍事醫(yī)學(xué)和戰(zhàn)場態(tài)勢感知帶來新的變革。在戰(zhàn)場醫(yī)療中，納米材料可用于制造微型傳感器、藥物輸送系統(tǒng)和納米機(jī)器人等。微型傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測士兵的生命體征，如心率、血壓、血氧飽和度等，以及檢測士兵體內(nèi)的毒素、病原體等生物標(biāo)志物。這些傳感器體積小、靈敏度高，可集成到士兵的裝備或身體中，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，為及時(shí)救治提供依據(jù)。納米藥物輸送系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地將藥物遞送至病變部位，提高藥物的療效并減少副作用。例如，納米粒子可以包裹抗生素等藥物，通過對其表面進(jìn)行修飾，使其能夠特異性地識別感染部位的細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精準(zhǔn)給藥，加快士兵的康復(fù)速度。納米機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，它們可以在人體內(nèi)執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)，如清除血栓、修復(fù)受損組織、殺死病變細(xì)胞等。在戰(zhàn)場上，當(dāng)士兵受傷時(shí)，納米機(jī)器人可被迅速注射到體內(nèi)，到達(dá)受傷部位進(jìn)行即時(shí)治療，如止血、消炎、促進(jìn)傷口愈合等，為挽救士兵生命提供新的手段。

納米材料作為21世紀(jì)最具潛力的材料之一，以其獨(dú)特的物理特性、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)屬性，在諸多領(lǐng)域中彰顯出極大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α？梢灶A(yù)見，納米材料將在未來的科技發(fā)展中扮演越來越重要的角色，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展持續(xù)注入強(qiáng)勁的動力。它不僅將推動現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的升級換代，還將催生更多新興產(chǎn)業(yè)，為我們創(chuàng)造更加美好的未來。我們應(yīng)積極關(guān)注納米材料的發(fā)展動態(tài)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，共同探索其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，讓納米材料更好地造福人類。

責(zé)任編輯：劉靖鑫