纳米技术――以小搏大
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2006-11-06 17:40 

刘尚华

（上海科学技术情报研究所 200031）

摘要：人们对新材料产业化开发已经到了纳米尺度。最近几年，媒体上经常出现诸如纳米涂料、纳米陶瓷、纳米布、纳米冰箱、纳米洗衣机等词汇，那什么是纳米呢？什么是纳米涂料？为什么叫“纳米陶瓷”？纳米与布怎么联系在一起？纳米冰箱与普通冰箱有什么差别？纳米洗衣机有哪些特异功能？真有这些特异功能吗？很多人可能回答不上。曾经有这样一个故事，一个乡镇企业家问他从事纳米研究的哥哥：“纳米是什么样的米？味道好吃吗？”其实，纳米不是米，它是一种长度单位，一种比微米还小1000倍的单位。当物质颗粒小到纳米后，会有一些意想不到的奇异性能。正是因为这些与常规材料绝然不同的奇异性能，使纳米材料具有广阔的应用前景，并使纳米技术成为21世纪产业革命的核心。阅读本文后，对这些问题您将会有一个较为全面的了解。

继信息技术、基因组工程之后，纳米技术又成为一颗新的科技明星。有专家认为：谁能在这场遍及全球的“纳米决战”中抢占一席之地，纳米技术就能为谁带来滚滚财源。那么，究竟什么是纳米呢？首先来回答这个问题。
1 走进纳米空间

纳米（nm）实际上是一种计量单位，1纳米是1米的十亿分之一。纳米技术是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。

当物质颗粒小到纳米后，这种物质就可称为纳米材料。纳米材料具有一些意想不到的与常规材料绝然不同的奇异的物理化学性能。如：金属铜是良导体，而纳米铜是绝缘体；硅是半导体，而纳米硅是良导体；陶瓷是易碎品，而纳米陶瓷材料可在室温下任意弯曲；纳米磁材料的磁记录密度是普通磁材料的10倍；纳米碳管的强度是钢的100倍；纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；纳米铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍……

纳米太小了 ，作为计量单位在日常生活中很少出现。拿“大”东西头发比，普通头发就有6万～7万纳米粗；拿小东西原子比，一纳米也就五个原子排列起来的长度。再打个形象的比喻来说，如果人的头发有人的大腿粗，那么一个纳米就相当于人的头发那么细；如果一粒芝麻有足球场那么大的话，一个纳米就相当于一粒芝麻那么小。因此，肉眼是根本看不见纳米级的物体的。

纳米又太“大”了，它将成为21世纪又一次产业革命的核心。现在信息媒体上常见的 “小东西唱大戏”、“小纳米挑战大世界”、“小纳米带来大革命” “小小纳米定乾坤”、“小小纳米翻天覆地”等都是这个意思。纳米技术就是发现量子效应（在微观世界中，物质作为波的形式运动的特性）的人工的独特结构技术。也就是说，它在本质上从一开始就是以量子论支配的世界为前提的。虽然21世纪被称为“光的时代”、“高度信息化时代”和“生物工程时代”等，但是无论怎么说，它的技术关键都是量子效应。因此，纳米技术有可能引起计算机革命、光革命甚至生物工程革命。纳米技术正在向新材料、微电子、计算机、医学、航天、航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，应用前景和市场潜力不可限量。

其实，从古至今，我们早就不自觉地利用了纳米技术特性，如：西汉铜镜和黑漆鼓、徽墨、漆器、催化剂材料、感光材料和彩色胶片、含有高岭土颗粒的轮胎中都有纳米的“身影”。1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想；1990 年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生，会议正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式刊物；1993年，继1989年美国斯坦福大学搬动原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元。（左图：用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米；右图：镍表面36个氙原子排出“IBM”）。

2 纳米技术发展现状

科学家对未来科技发展的一个共识是，生物、信息、航天和纳米技术将在新世纪的科技发展进程中唱主角。未来的某一天，现在像“银河”那样的巨型计算机小到可以被随手放进口袋；而美国国会图书馆的全部信息，将会被压缩到一个糖块大小的设备中。甚至星际旅行也将因为纳米技术变成现实，宇宙的奥秘将在纳米技术的推动下迅速被人类揭晓。那么，纳米技术发展现状如何呢？

2.1 国外纳米技术发展现状

政府：一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元，试图像微电子技术那样在这一领域独占老大地位。日本政府在其“2001年度科学技术振兴重点指针”中，把纳米技术列为重点，并成立了专门机构。西欧对纳米技术的投入也已达数亿美元，还将纳米技术列入欧盟2002至2006年科研框架计划。　

    企业：世界著名企业纷纷进入这一领域，如美国IBM、雷声（Raytheon），日本的日立、索尼、东芝、NTT、富士通等。1998年前，美国就有50多家公司以不同程度参与开发和生产纳米材料，其中12家以上公司以工业规模生产纳米材料，如纳米相技术公司（Nanophase Technology Co.），该公司的技术来自美国阿贡实验室，1996年末开始商业生产纳米材料，1997年9个月的销售额就达224万美元。在美国，还有许多大型跨国公司如道化学、杜邦、柯达、惠普、休斯电子、朗讯科技、摩托罗拉、德州仪器、施乐等都在长期研究实验室建立了专门研究团体。据估计，它们的纳米技术研究总经费与美国政府资助额相当。

产品：国际市场纳米材料有些已进入工业化阶段。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元。日本在纳米器件、纳米结构材料方面占优势；美国在纳米合成、化学品和纳米生物技术方面占优势，而在纳米器件、纳米仪器的制造、超精细工程、陶瓷和其他纳米结构材料方面落后于其他国家；欧洲在纳米粉末、纳米涂层和新型仪器方面占优势。现把部分产品详细介绍如下：

（1）碳纳米管：碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。轻而柔软又非常结实的材料最好用途是制作防弹背心。如果用碳纳米管作出绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它制造地球－月球乘人的电梯，人们在月球定居就成为一件很容易的事情了。

纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。（上图为碳纳米管示意图）。

（2）纳米陶瓷：我们平常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点，一摔就碎。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷更坚韧、更耐高温和耐腐蚀，它将会在汽车发动机上大显身手，汽车会跑的更快，飞机会飞的更高。添加了纳米陶瓷粉体的特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。

（3）纳米机械：近10多年来，科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型零件，并且发明了纳米发动机，它的直径只有200微米，一滴油可以灌满四五十个这种发动机。而且，纳米级的传感器、纳米级执行器也相继制成。如果加上电路和出口，就能组成完整的纳米机电系统了。（左图：用光刻技术做成的微米尺寸的微机械）。

2.2 国内纳米技术发展现状

纳米科技在我国也逐渐受到重视。早在纳米科技兴起之时，中科院就北京真空物理实验室紧跟国际水平，用原子“写”出了“中国”和中国地图。近年来，科技部、中国科学院和国家自然科学基金委等部门纷纷在立项和资金上对纳米研究给予支持。

我们按时间顺序，回顾一下中国科学家在这一领域所取得的主要成果：

“中国”  1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。

一维纳米棒  1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体；　　

“稻草变黄金”  1998年，美国《科学》上刊登了我国科学家的论文。中国科技大学钱逸泰等用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金－从四氯化碳制成金刚石。 ”

最长的碳纳米管   1999年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。

最细的探针  1999年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。

高质量的储氢碳纳米材料  1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。

“能屈能伸、百折不挠”的纳米铜  2000年，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能－超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。（右图为纳米金属铜的超延展性示意图）。

纳米电缆  2000年，我国成功合成出只有头发丝5万分之一细的纳米级同轴电缆，这项工作是国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组完成的。同轴纳米电缆的内芯是直径仅有10纳米左右的碳化物，外层包有氧化硅绝缘体。显微图片显示，放大几十万倍后，纳米电缆的直径仍只有普通电缆一般粗细。据悉，我国科学家有关同轴纳米电缆的论文在国际被引用次数已达18次。

“神奇”纳米布  人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现在这种梦想已由中国科学家实现。中科院化学所雷江教授等2000年宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料——超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不染油污。它的诞生可使石油工人的衣服不再油渍斑斑，也使生产研制水陆两用服成为可能。如果将这一材料用于建筑物表面，还具有自清洁和防雾、防霜效果，可免除人工清洗。

纳米带  2001年3月8日的美国《科学》杂志刊登了三位留美中国科学家的研究成果－“纳米带”。这三位科学家是美国亚特兰大州佐治亚理工学院的王中林教授、潘正伟博士和戴祖荣博士，他们利用金属氧化物制造出10至15纳米厚、30至300纳米宽的新材料，这是世界上首次发现并合成出半导体氧化物的纳米级带状结构材料。这种材料有可能制造出价格便宜的超微感应器和元件。

迄今为止，我国已经建立10多条纳米材料和技术的生产线，纳米复合塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发正在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司达到几百个，企业家对纳米材料和技术的关注，为纳米技术产业的形成注入了新的活力。目前这些企业都有自己的产品，但绝大部分是以生产纳米粉体材料为主。

3、纳米技术前景展望

作为一个微观的工程学，纳米技术就是要对原子和量子进行加工，并且将其组装成具有特定功能的一种结构，控制小到肉眼看不到的一种材料，从而为向微观世界跃进做准备。有人预言，纳米技术所引起的世界性技术革命和产业革命，将会比历史上任何一次技术革命对社会经济、政治、国防等领域所产生的冲击更为巨大。

3.1 应用领域展望

纳米技术具有广阔的应用前景，它对信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域都将产生深远的影响：

3.1.1 日常生活

对普通百姓来说，纳米是一个远比网络、基因更为陌生的科技新名词，似乎既不可望更不可及。其实纳米离我们的生活并不遥远。的确，一纳米仅为十亿分之一米，是一个肉眼无法感知的微观世界，似乎比梦想更为遥远。但事实上，生活中的化妆品、涂料、食品……都可能应用了纳米技术。我们就可以根据需要在各种产品中加入不同的纳米微粒，改变传统产品的性能、颜色等等。于细微处显神奇的纳米技术“润物细无声”，正悄然进入我们寻常百姓的生活中。让我们首先从自己身边的衣、食、住、行说起。

衣：在人们格外追求美的今天，工业化布料带给我们许多的烦恼，像衣服的静电现象，我们每个人在脱衣服时都曾有过被静电所扰的经历。而应用纳米技术，在化纤布料中加入少量的金属纳米微粒就可以使这一问题迎刃而解。

随着纳米技术的突破和应用，未来的衣服还可以自己清洗和修补。衣服的特殊面料通过细微的物质运动，能自动将衣服表面上的污垢排挤掉，如同人类肺部的污垢自动从鼻孔和喉咙中排出一样。

纳米微粒添加的纤维具有红外吸收特性，还具有保暖作用，可用来制作隐身服或保暖服。

食：在食物中添加纳米微粒，可以除味杀菌。聪明的厂家利用这一技术生产出可以抗菌的冰箱，放在里面的食品延长了食用期，居民不用过于担心食品腐烂。在食品制造中采用纳米技术，可以帮助我们提高肠胃吸收能力。

住：把纳米技术运用到涂料中，使外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到了1万多次，老化时间也延长了两倍多。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何粘在表面上的脏物，包括油污、细菌，在光的照射下，由于纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质。表面“涂”上透明的纳米颗粒的镜子，在充满水蒸气的浴室会依然光亮。

行：过去轮胎通常是“一统天下”的黑色，原因是生产橡胶制品过程中需要加入碳黑来提高强度、耐磨性和抗老化性。但运用纳米材料生产的轮胎不仅色彩鲜艳，性能上也大大提高，轮胎侧面胶的抗折性能将由10万次提高到50万次。不久的将来，我们周围的汽车、摩托车、自行车轮胎都是彩色的，我们的街道将汇成五彩缤纷的流动风景。

用：目前已有许多防晒油、化妆品因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。纳米氧化铝粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管使用寿命上。在塑料、油漆制品中加入纳米微粒，亦可防止老化。

纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。20世纪80年代以来，人们用纳米二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电。

3.1.2 生物医学

纳米技术不光改变着或即将改变着我们的生活，而且在生物医学方面，纳米技术更是潜力巨大。人类控制基因的实现必须以纳米技术作为支撑和依赖，纳米技术可以重新排列遗传密码。人类可以利用基因芯片迅速查出自己基因密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使人类可以消灭各种遗传缺陷。

  分子马达　分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶。美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备－“纳米直升机”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件，其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量。据美国《科学》杂志报道，研究人员把金属镍制成的螺旋桨嫁接到ATP酶分子中轴上，制造了400个分子马达。当它们被浸于ATP溶液后，其中395个保持不动，但另5个则转动了起来，转速达到每秒钟8转。据介绍，这种马达只有在显微镜下才能被观察到，其镍螺旋桨相对来说较长，达到750纳米。根据拍摄到的画面，研究人员可以看到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入、再被甩出的情景。研究人员说，分子马达潜在的应用价值非常巨大。如果在分子上嫁接其它东西，可以制造出其它纳米机器，譬如可探测有害化学物质的纳米传感器。当被有害物质激活后，这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质告警。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。（右图为“纳米直升机”示意图）。

纳米探针　一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内，致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。

捕获病毒的纳米陷阱　美国密西根大学用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。

美容美发护理剂  纳米氧化锌粉末无毒、无味、对皮肤无刺激性、不易分解、不变质、热稳定性好，本身为白色，可以简单地加以着色。更重要的是，它具有很强的吸收紫外线的功能，对UVA（长波320-400nm）和UVB（中波280-320nm）均有屏蔽作用。此外还具有渗透、修复功能。因此适用于作美容美发护理剂中的活性因子，不仅能大幅度提高护理效果，还可避免紫外线辐射对皮肤的伤害。

疾病检测指示剂  纳米粒子微细结构使其对环境中的化学或物理指标的变化极为敏感，因此可对人体内的病原体作出早预测，例如：当肿瘤只有几个细胞大小时就可以将其检测出来，加以根除。

抗菌剂  纳米氧化锌粉末在阳光下，尤其在紫外线的照射下，在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电的电子,同时留下带正电的空穴。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），从而把大多数病菌和病毒杀死。有关的定量试验表明：在5分钟内纳米氧化锌的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%，大肠杆菌的杀菌率为99.93%。

纳米矿物中药  研究表明，矿物中药制成纳米粉末后，药效大幅度提高，并具有高吸收率、剂量小的特点；还可利用纳米粉末的强渗透性将矿物中药制成贴剂或含服剂，避开胃肠吸收时体液环境与药物反应引起不良反应或造成吸收不稳定；也可将难溶矿物中药制成针剂，提高吸收率。

纳米导向剂  将以纳米磁性颗粒为载体的药物注入人体后，药物在外磁场的作用下会聚集于体内的局部，从而可在对人体的整体副作用很小的情况下对病理位置进行高浓度的药物治疗。这对于癌症、结核等有固定病灶的疾病十分适合。

3.1.3 微电子领域

纳米技术在微电子计算机领域应用的目标为：纳米结构的微处理器，效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器（提高1000倍）；研制集成纳米传感器系统等。微电子和计算机领域中最有应用前景的纳米材料有：

导电浆料  纳米导电浆料（导电胶、导磁胶等）可广泛应用于微电子工业中的布、封装、连接等，对微电子器件的小型化起着重要用。

高性能电极材料   用纳米粉末辅加适当工艺，能制造出具有巨大表面积的电极，可大幅度提高放电效率。

高性能磁记录材料   用纳米粉末制成的磁记录材料，可使磁带和软硬磁盘的记录密度提高数十倍，并能大幅度改善它们的保真性能。

磁流体   用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等领域。

吸波材料   纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、可见光－红外线隐形材料和结构式隐形材料、手机辐射屏蔽材料。

3.1.4 航天航空

纳米技术在航天航空领域的应用很广，与其它领域相比，相对重要的应用可能有：低能耗、抗辐射的高性能计算机；用于小型太空船的纳米仪器；通过使用纳米结构传感器和纳米电子器件，进一步发展航空电子器件，从而进一步发展航空电子学；阻热和耐用的纳米结构涂层。

纳米器件在航空航天领域的应用，不仅可增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。

纳米制造技术将使我们能设计和制造可用于飞机、火箭、空间站、行星/太阳探测平台的轻质、高强度、热稳定的材料；低引力、高真空空间环境也可以帮助我们开发在地球上不能制造的纳米结构和纳米系统。

此外，纳米粉体还可作为高效助燃剂。由于纳米粉末具有极强的储能特性，将其作为添加剂加入燃料中可大大提高燃烧率。将一些纳米粉末添加到火箭的固体燃料推进剂中，可大幅度提高燃料的燃烧热、燃烧效率，改善燃稳定性。有研究表明，向火箭固体燃料中加入0.5%纳米铝粉或镍粉，可使燃烧效率提高10%-25%，燃烧速度加快数十倍。

3.1.5 环保领域　

随着纳米材料和纳米技术在环保方面的应用更深入的研究，将会给我国乃至全世界在治理环境污染方面带来新的机会。

（1）治理废气

大气污染一直是各国政府需要解决的难题，空气中超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体。纳米材料和纳米技术的应用，可从污染源上最终解决这一难题。

工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃烧时会产生二氧化硫气体，这是二氧化硫的最大污染源。所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低硫含量。纳米钛酸钴就是一种非常好的石油脱硫催化剂。经该催化剂催化的石油，硫含量小于0.01％，达到国际标准。

工业生产中使用的煤燃烧也会产生二氧化硫气体，如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂，不仅可以使煤充分燃烧，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，而不产生二氧化硫气体，从而杜绝有害气体的产生。

复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳和氮氧化物的污染问题。新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生一氧化碳和氮氧化物，无需进行尾气净化处理。

（2）治理污水

污水中通常含有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。

污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。

纳米净水剂的吸附和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10-20倍，因此可先用它将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来；然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后，水体清澈、没有异味、口感也较好。再经过带有纳米膜和陶瓷小球组装的处理装置后，水中的细菌、病毒100％可以去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质元素则保留下来。该技术在医学领域血透中已开始应用，有“体外肾脏”之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。

3.1.6 军事应用

读过《西游记》的人都会记得孙悟空钻进铁扇公主肚子里的故事。孙悟空保唐僧去西天取经，路过火焰山，想借铁扇公主的扇子扇灭火焰山的烈火。不料铁扇公主不肯借扇。孙悟空便变成一只小虫子钻进铁扇公主的肚子里，大闹五脏六腑，迫使铁扇公主就范。如今随着纳米武器的出现，这种神话正成为现实。

“麻雀”卫星　美国于1995年提出了纳米卫星的概念，这种卫星比麻雀略大，重量不足10公斤，各种部件全部用纳米材料制造。一枚小型火箭就可以发射数百颗纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。

“蚊子”导弹　纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化，利用纳米技术制造的形如蚊子的纳米型导弹，可以起到神奇的战斗效能，纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉的潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。

“针尖”炸弹　美国密歇根大学生物纳米技术中心的一群科学家到犹他州的美国陆军达格维试验场去了一趟。他们此行的目的是展示“纳米炸弹”的威力。事实上，这种炸弹不会“轰”地一声爆炸。它们是一些分子大小的小液滴，其大小只有针尖的5千分之一，作用是炸毁危害人类的各种微小“敌人”，其中包括含有致命生化武器炭疽的孢子。在测试中，这些纳米炸弹获得了100％的成功率。据说，密歇根大学的这个研究小组正在制造更聪明的新型纳米炸弹，这些针对性极强的炸弹能够在大肠杆菌、沙门氏菌或者李氏杆菌进入肠道之前攻击它们。

“苍蝇”飞机　这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通讯能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视地方情况。这些纳米飞机可以旋停、低飞、高飞，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战，可以从数百公里外，将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。

“蚂蚁”士兵　这是一种通过声波控制的纳米型机器人，这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力，它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些纳米士兵就会各显神通：有的专门破坏地方电子设备，使其短路毁坏，有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标，有的施放各种化学制剂使敌方金属变脆、油料凝结、或使敌方人员神经麻痹，失去战斗力。

此外，还有被人称为“间谍草”或“沙粒坐探”的形形色色的微型战场传感器等纳米武器装备。所有这些纳米武器组配起来，就建成了一支独具一格的微型军。据美国国防部专家透露，美国第一批微型军将在五年内服役，十年内可大规模部署。

隐身  除了上面这些神不知鬼不觉的纳米武器外，我们还要重点介绍一下纳米隐身材料在军事上的应用。什么是隐身？纳米材料为什么具有隐身功能呢？下面专门来谈谈这个问题。

“隐身”，顾名思义就是隐蔽的意思。“聊斋”故事中就有“隐身术”的提法，它是指把人体伪装起来，让别人看不见。近年来，随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机；利用红外探测器也可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中的实力，也将隐身技术作为一个重要研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要的地位。

1991年海湾战争中，美国出动的战斗机躲过伊拉克严密的雷达监视网，迅速飞到伊拉克首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标，在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军百分之九十五的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。这场高技术的战争一度使世界震惊。为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策？为什么美国的导弹击中伊拉克的军事目标如此准确？空对地导弹击中伊拉克的坦克为什么有极高命中率？一个重要的原因就是美国战斗机F117A型机身表面包覆了红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。

美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大三至四个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

一谈到军事，人们会想到巨型航母、远程导弹、大型轰炸机等大型武器装备，然而今天，当一种全新的纳米技术创生于世，当人们用肉眼几乎难以发现的纳米武器装备跃上战争舞台之时，一些军事专家预言：纳米军事悄然崛起，纳米战争悄然来临，这必将在世界范围引发一场真正意义的新军事革命。

3.2 产业化前景展望

人们要问：开发纳米技术到底需要多久？有关专家根据计算机硬件的发展历程预测纳米技术的开发，即从计算机依赖真空管到晶体管到集成电路到超大规模集成电路，我们看见器件的尺度越来越小，但逻辑元件的成本和性能在提高。照此推断，开发纳米技术应在2010-2020年的时间范围。

美国有关专业机构预测，纳米技术的发展将经历五个阶段，到2010年将发展到第三阶段，纳米材料市场规模将达1000亿美元。发展到第五阶段，市场规模将达6万亿美元。五个发展阶段主要情况如下：

第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。这个阶段的市场规模约为5亿美元。

第二阶段是生产纳米结构物质，在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。这个阶段的市场规模在50～200亿美元之间。

第三阶段是大量制造复杂的纳米结构物质。这要有高级的计算机设计－制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。本阶段的市场规模最高可达到l000亿美元。

第四阶段是纳米计算机的制造和应用。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。

第五阶段，科学家们研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。市场规模将高达6万亿美元。

预测报告指出：虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性，难以准确确定，但在2010年之前，纳米技术有可能发展到第三个阶段，超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。

4 我国发展纳米产业对策

纳米技术是微观领域的一场巨大变革，一方面，我国面临着发展机遇，然而另一方面，其挑战性也十分明显。

4.1 纳米产业化，我国存在跨越式发展机遇

现在，纳米技术的应用和开发，为我们提供了一个千载难逢的大好时机，机不可失，时不再来。为什么这么说呢？首先，纳米技术目前仍处在基础研究阶段，发达国家尚处在纳米技术产业化的前夜，并且哪个国家都还不具备超前的领先地位；其次，我国在纳米技术领域的研究起步较早，部分领域与国际发展水平是同步的，经过近20年的努力，我国已初步具备开展纳米技术的研究条件，形成了一支研究队伍；最后，纳米技术是一种跨学科、跨领域的渗透性技术，并具有令人难以置信的潜在经济价值和社会效益。谁抓住了机会，谁就有可能成为下一轮产业革命的领头羊。“纳米技术计划”是继人类基因组计划之后美国提出的又一项重大科技计划，可以说这并非偶然事件。为使我国不再象微电子那样在技术核心上受制于人，为使我国不再象信息战、基因战那样走在别人后面，为了我国的主权和安全，我们必须发展纳米技术。

4.2 纳米产业化，我国面临的主要挑战

首先，美国、日本、西欧许多国家都制定了纳米技术发展战略或计划，对纳米技术的研究和发展进行宏观政策规划。而我国相比落后了一步。

其次，发达国家已对纳米技术投入了大量的资金和人力。而由于国力所限，我国所投入的资金与发达国家相比有很大差距。

第三，传统上，我国科研工作与产业界、企业界脱节较严重，许多科技成果被束之高阁。

4.3 纳米产业化，我国应采取的对策

二次大战期间，爱因斯坦对美国总统罗斯福说：拿破伦越过英吉利海峡攻打英国时，有人建议战舰上安装刚发明不久的蒸汽机作动力。但拿破伦没有采纳这一建议，从而丧失了机会，否则，欧洲的历史有可能被改写。爱因斯坦以此力主美国发展原子弹。正是美国在日本广岛和长崎投下两颗原子弹，加速了日本投降的速度，使盟国取得了最后的胜利。而后，在以微电子计算机和网络为代表的新经济中，美国更是抓住了机会，确立了超级大国的地位。

因此，面对纳米技术发展的机遇和挑战，我们要采取积极地应对措施。

4.3.1 有所为，有所不为

 第一，充分发挥我国特有的技术优势。中国纳米技术在一些领域还有自己的优势，如碳纳米技术、一维纳米材料的制备等。我们要发挥我们的技术优势和人才优势，扬长避短，将有限的经费用准、用好，同时，不同领域的纳米技术在产业化速度上也应有快有慢。

 第二，充分发挥我国的资源优势。例如，我国是世界第一稀土大国，利用这一资源优势，我们可以大力发展稀土纳米材料及稀土掺杂纳米材料。稀土离子掺杂纳米材料有望作为一种新型的高效的发光材料和探索新的显示器件。稀土纳米晶是一个刚刚兴起的前沿领域，这方面的研究不仅能发现稀土新的性质，而且能探索稀土原子的奥秘。稀土纳米材料可先从稀土金属间化合物如磁性材料、储氢材料、发光材料及催化材料等方面的应用领域开始着手。

第三，对于那些具有决定意义的纳米技术项目要优先发展，如军事领域。在全球军事领域引发的新军事革命，其核心是军事信息技术。而作为军事信息技术的重要基础的微电子技术，如果一旦得到纳米技术的支撑，将促使以微电子技术为代表的当代信息技术，实现向以纳米技术和分子器件为代表的智能信息技术的巨大转变。

第四，建立风险投资基金，促进“纳米技术”向产业化的转化。政府应支持纳米技术产业化的孵化器，鼓励风险投资进入纳米产业。政府还可对“纳米技术”高科技企业提供税收减免和财政贴息贷款等优惠政策，以促进纳米技术产业化。

4.3.2 要客观，不要炒作

纳米热中存在着过度炒作和“伪纳米”现象，或是趁大众对纳米的内涵还不太清楚，给自己的产品挂上“纳米技术”的牌子；或是只做了一点点皮毛的工作（例如涂料里加些细粒、织物里加点微粉等）就随意夸大，自称对纳米技术的发展有“突破”；有的还进行虚假预测，企图使股民买其股票。真正纳米技术的运用必须具备两个必要条件，首先是所有材料粒子均小于100纳米，其次是小于100纳米粒子的变化引起物质宏观性质的改善。

“纳米水” 就是一个典型的炒作例子：不久前，广州一家公司宣称生产出一种用麦饭石和纳米特殊材料制作而成的“纳米珠”，只要把它放在水里，多脏的水也能喝。长期饮用“纳米水”，可抗疲劳、耐缺氧、抵抗细菌、降火排毒，甚至“增强女士防匪徒强暴的能力”。现场演示是这样的：往两杯清水里加入纯蓝墨水，然后抓起一把“纳米珠”放到其中一个杯子里，几分钟后，这杯水颜色变淡，而另一杯没有“纳米珠”的水则还是老样子。专家指出，这纯属骗局。首先，要实现“化蓝为清”的表演效果，有许多种简单的化学反应都可以做到，与“纳米”技术没有任何关系；其次，纳米材料的确有一些普通材料无法达到的功能，但是，就目前纳米技术的研究进度以及纳米材料的较高成本等因素综合来看，纳米技术要大规模走入民用阶段需要相当长的时间，而且即使到了那个时候，也决不能替代药品，达到所谓的“水到病除”。

无论是国内还是国外，纳米是一门前瞻性、战略性、基础性的科技，但目前仍集中在基础研究方面。科学家认为，虽然90年代初科学家已经成功搬动原子,但离自如操纵原子还很远。像基因组技术一样，纳米技术还有很长一段路要走。尽管纳米技术已经开始走入百姓的生活,但是纳米科技要像信息技术一样产生广泛而深刻的影响，那将是二三十年以后的事情。当前必须正确认识纳米材料的作用，持一种科学态度，实事求是地进行科普工作，而非盲目炒作。                                              （撰稿：刘尚华）