碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成 ,徑向尺層控制在 100nm以下。電子在碳納米管的運動(dòng)在徑向上受到限制 ,表現出典型的量子限制效應 ,而在軸向上則不受任何限制[1 9]。以碳納米管為模子來(lái)制備一維半導體量子材料 ,并不是憑空設想 ,清華大學(xué)的范守善教授利用碳納米管 ,將氣相反應限制在納米管內進(jìn)行 ,從而生長(cháng)出半導體納米線(xiàn)。他們將 Si-SiO2 混合粉體置于石英管中的坩堝底部 ,加熱并通入 N2 。SiO氣體與 N2 在碳納米管中反應生長(cháng)出 Si N納米線(xiàn) ,其徑向尺寸為 4～40 nm。另外 ,在 1 997年 ,他們還制備出了GaN納米線(xiàn)[2 0 ]。1998年該科研組與美國斯坦福大學(xué)合作 ,在國際上首次實(shí)現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(cháng) ,它將大大推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面顯示方面的應用。其獨特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規模集成電路 ,超導線(xiàn)材等領(lǐng)域。 

　　早在 1989年 ,IBM公司的科學(xué)家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針 ,成功地移動(dòng)了氙原子 ,并利用它拼成了 IBM三個(gè)字母。日本的 Hitachi公司成功研制出單個(gè)電子晶體管 ,它通過(guò)控制單個(gè)電子運動(dòng)狀態(tài)完成特定功能 ,即一個(gè)電子就是一個(gè)具有多功能的器件。另外 ,日本的 NEC研究所已經(jīng)擁有制作 100 nm以下的精細量子線(xiàn)結構技術(shù) ,并在 GaAs襯底上 ,成功制作了具有開(kāi)關(guān)功能的量子點(diǎn)陣列。 

　　美國威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個(gè)電子的量子點(diǎn)。在一個(gè)針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件 ,在微電子和光電子領(lǐng)域將獲得廣泛應用。此外 ,若能將幾十億個(gè)量子點(diǎn)連結起來(lái) ,每個(gè)量子點(diǎn)的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞 ,再結合 MEMS(微電子機械系統 )方法 ,它將為研制智能型微型電腦帶來(lái)希望 [2 1 ],實(shí)現信息采集和處理能力的革命性突破。 

　　2.3　納米技術(shù)在生物工程領(lǐng)域的應用 

　　眾所周知 ,分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料 ,每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器 ,分子在運動(dòng)過(guò)程中以可預測方式進(jìn)行狀態(tài)變化 ,其原理類(lèi)似于計算機的邏輯開(kāi)關(guān) ,利用該特性并結合納米技術(shù) ,可以設計量子計算機。美國南加州大學(xué)的 Adelman博士等 [2 2 ]應用基于 DNA分子計算技術(shù)的生物實(shí)驗方法 ,有效地解決了目前計算機無(wú)法解決的問(wèn)題“哈密頓路徑問(wèn)題”,使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術(shù)有了進(jìn)一步的認識。 

　　雖然分子計算機目前只是處于理想階段 ,但科學(xué)家已經(jīng)考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件 ,其中細菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩定性 ,并且 ,其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲存信息 ,從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個(gè)光循環(huán)過(guò)程中 ,細菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過(guò)程 ,伴隨相應的物質(zhì)結構變化。Birge等[2 3 ]研究了細菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過(guò)調諧激光束 ,將信息并行地寫(xiě)入細菌視紫紅質(zhì)立方體 ,并從立方體中讀取信息 ,并且細菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供比二維光學(xué)存儲器大得多的存儲空間。 

　　到目前為止 ,還沒(méi)有出現商品化的分子計算機組件�？茖W(xué)家們認為 :要想提高集成度 ,制造微型計算機 ,關(guān)鍵在于尋找具有開(kāi)關(guān)功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導“與”門(mén) ,利用發(fā)光門(mén)制成蛋白質(zhì)存儲器。此外 ,他們還利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò )和聯(lián)想式存儲裝置 [2 4, 2 5]。 

　　納米計算機的問(wèn)世 ,將會(huì )使當今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統極限 ,使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高了上百萬(wàn)倍 ,從而實(shí)現電子學(xué)上的又一次革命。 

　　總之 ,納米技術(shù)正成為各國科技界所關(guān)注的焦點(diǎn) ,正如錢(qián)學(xué)森院士所預言的那樣 :“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn) ,會(huì )是一次技術(shù)革命 ,從而將是 21世紀的又一次產(chǎn)業(yè)革命�！� 

　　2.4　納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應用 

　　納米粒子作為光催化劑 ,有著(zhù)許多優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小 ,比表面積大 ,光催化效率高。另外 ,納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前 ,大部分不會(huì )重新結合。因此 ,電子、空穴能夠到達表面的數量多 ,則化學(xué)反應活性高。其次 ,納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性 ,容易運用光學(xué)手段和方法來(lái)觀(guān)察界面間的電荷轉移、質(zhì)子轉移、半導體能級結構與表面態(tài)密度的影響。目前 ,工業(yè)上利用納米二氧化鈦 -三氧化二鐵作光催化劑 ,用于廢水處理 (含 SO2 -3 或 Cr2 O2 -7體系 ) ,已經(jīng)取得了很好的效果。表 1所示為納米 TiO2 粉用作光催化劑處理含有 SO2 -3 或 Cr2O2 -7廢水體系的結果 [2 6 ]: 

　　表 1　光催化劑形態(tài)與轉化率的關(guān)系 

光催化劑 轉化率 / % 
2 h 3 h 4h 
TiO2 超微粉 (還原 ) 96.0 99.8 99.8 
TiO2 超微粉 (氧化 ) 82.3 99.6 99. 8 
普通 TiO2 粉 (還原 ) 29.0 62.3 99.8 
普通 TiO2 粉 (氧化 ) 7.1 15.0 21.0 

　　我們利用沉淀溶出法制備出了粒徑約 3 0～ 6 0 nm的白色球狀鈦酸鋅粉體[2 7],該粉體比表面積大 ,化學(xué)活性高 ,用它作吸附脫硫劑 ,較固相燒結法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高。 

　　納米靜電屏蔽材料 ,是納米技術(shù)的另一重要應用 [2 8]。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹(shù)脂摻加碳黑噴涂而成 ,但性能并不是特別理想。為了改善靜電屏蔽材料的性能 ,日本松下公司研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如 Fe2O3 ,TiO2 ,ZnO等做成涂料 ,由于具有較高的導電特性 ,因而能起到靜電屏蔽作用。另外 ,氧化物納米微粒的顏色各種各樣 ,因而可以通過(guò)復合控制靜電屏蔽涂料的顏色 ,這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性 ,而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。 

　　另外 ,如將納米 TiO2 粉體按一定比例加入到化妝品中 ,則可以有效地遮蔽紫外線(xiàn)。一般認為 ,其體系中只需含納米二氧化鈦 0.5%～1 %,即可充分屏蔽紫外線(xiàn)。目前 ,日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問(wèn)世。紫外線(xiàn)不僅能使肉類(lèi)食品自動(dòng)氧化而變色 ,而且還會(huì )破壞食品中的維生素和芳香化合物 ,從而降低食品的營(yíng)養價(jià)值。如用添加 0.1 %～0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品 ,既可以防止紫外線(xiàn)對食品的破壞作用 ,還可以使食品保持新鮮 [2 9]。將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中 ,可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構成的海綿體狀的輕燒結體 ,可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機化合物等的分離和濃縮 ,用于電池電極、化學(xué)成分探測器及作為高效率的熱交換隔板材料等。納米微粒還可用作導電涂料 ,用作印刷油墨 ,制作固體潤滑劑等。 

　　我們采用化學(xué)共沉淀法 ,利用 ZnCO3 包覆 Ti(OH)4粒子 ,在一定溫度下進(jìn)行預焙解 ,然后溶去絕大部分包覆的 ZnO粉體。利用體系中少量的 ZnTiO3 (ZnTiO3 與 TiO2 (R)的晶體結構類(lèi)似 )促進(jìn)了 TiO2從銳鈦型向金紅石型的轉化 ,結果制得粒徑約 20～60 nm的金紅石型二氧化鈦粉體。用 UV-2100S紫外分光光度計進(jìn)行了光學(xué)性能測試 ,結果發(fā)現此粉體對240～400 nm的紫外線(xiàn)有較強的吸收 ,吸收率高達92 %以上 ,其吸收性能遠遠高于普通 TiO2 粉體 [3 0 ]。另外 ,由于納米粉體的量子尺寸效應和體積效應 ,導致納米粒子的光譜特性出現“藍移”或“紅移”現象。在制備超細鋁酸鹽基長(cháng)余輝發(fā)光材料時(shí) ,我們發(fā)現 ,利用軟化學(xué)法合成出的超細發(fā)光粉體的發(fā)射光譜的主峰位置 ,較固相機械混合燒結法制備的發(fā)光粉體藍移了 12 nm。余輝衰減曲線(xiàn)表明 ,該法合成出的發(fā)光粉體 ,其余輝衰減速度相對固相法合成出的發(fā)光粉體要快得多 ,這些都是由于粉體粒子大幅度減小所致 [3 1 , 3 2 ]。 

　　研究人員還發(fā)現 ,可以利用納米碳管其獨特的孔狀結構 ,大的比表面 (每克納米碳管的表面積高達幾百平方米 )、較高的機械強度做成納米反應器 ,該反應器能夠使化學(xué)反應局限于一個(gè)很小的范圍內進(jìn)行。在納米反應器中 ,反應物在分子水平上有一定的取向和有序排列 ,但同時(shí)限制了反應物分子和反應中間體的運動(dòng)。這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應的方向和速度�？茖W(xué)家們利用納米尺度的分子篩作反應器 ,在烯烴的光敏氧化作用中 ,將底物分子置于反應器的孔腔中 ,敏化劑在溶液中 ,這樣就只生成單重態(tài)的氧化產(chǎn)物。用金屬醇化合物和羧酸反應 ,可合成具有一定孔徑的大環(huán)化合物。利用嵌段和接技共聚物會(huì )形成微相分離 ,可形成不同的“納米結構”作為納米反應器 [3 3 ]。