納米新技術應用

納米是一個比微米小得多的計量單位。納米技術是指在納米范圍內研究物質的結構及其變化規(guī)律，并應用于生產(chǎn)生活之中的技術。

當今科技的發(fā)展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)忍匦詾榧{米科技和納米材料的應用提供了廣闊的空間。美國制定的“國家納米技術倡議”(NNI)中所列納米科學與技術涉及的領域很寬泛，但最基本的有三個，即納米材料，納米電子學、光電子學和磁學，納米醫(yī)學和生物學。

2004年～2008年，世界納米復合材料市場的年均增長率為18.4%，納米復合材料市場將從2003年9080萬美元增長到2008年2.11億美元。世界聚合物納米復合材料市場中，熱塑性材料市場將從2003年7000萬美元增長到2008年1.75億美元，熱固性材料市場將相應從2000萬美元增長到2800萬美元。

發(fā)展納米科技存在科學理論、科學方法、科技創(chuàng)新和高風險等難點。以國家目標為導向，納米器件的研制和集成是納米科技的核心，納米材料制備和研究是工作重點。

納米磁性材料及應用

項目簡介：納米磁性材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關聯(lián)于與磁相關的特征物理長度恰好處于納米量級，例如磁單疇尺寸、超順磁性臨界尺寸、交換作用長度以及電子平均自由路程等大致處于1-100nm量級，當磁性體的尺寸與這些特征物理長度相當時，會呈現(xiàn)反常的磁學性質。

磁性材料與信息化、自動化、機電一體化、國防，國民經(jīng)濟的方方面面緊密相關，磁記錄材料至今仍是信息工業(yè)的主體，磁記錄工業(yè)的產(chǎn)值約1千億美元，為了提高磁記錄密度，磁記錄介質中的磁性顆粒尺寸已由微米、亞微米向納米尺度過度，例如合金磁粉的尺寸約80nm，鋇鐵氧體磁粉的尺寸約40nm，進一步發(fā)展的方向是所謂“量子磁盤”，利用磁納米線的存儲特性，記錄密度預計可達400Gb／in2，相當于每平方英寸可存儲 20萬部紅樓夢，由超順磁性所決定的極限磁記錄密度理論值約為6000Gb／in2。近年來，磁盤記錄密度突飛猛進，現(xiàn)己超過10Gb／in2，其中最主要的原因是應用了巨磁電阻效應讀出磁頭，而巨磁電阻效應是基于電子在磁性納米結構中與自旋相關的輸運特性。

項目負責：中國工程院。

意義：目前，該項目己進入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，具有很大的市場前景。

用空氣氧化法高效純化炭納米管

項目簡介： 目前合成炭納米管的方法多種多樣，但宏觀量的合成大多采用電弧法，由于電弧法生成的炭納米管常常夾雜有大量的雜質——炭納米顆粒，由于這些雜質的存在，炭納米管的性質測試受到了很大的阻礙。使用堿對炭納米管進行預處理，由于堿是一種分散劑，可以加強炭納米顆粒和氧化劑的反應，使炭納米管和其他形式的炭相分離。采用該方法炭納米管的燒損率較大，純化效率低。采用空氣氧化法改進之后，燒損率降低至80%，純化效率大大提高。

項目負責：中南工業(yè)大學冶金物理化學與化學新材料研究所。

尼龍-6/炭納米管復合材料研究

項目簡介：在原位復合尼龍-6/炭納米管（PA6/CNT）過程中，炭納米管將以其外壁上連接的羧基官能團（－COOH）參與尼龍-6（PA6）的加成聚合反應，并阻礙PA6分子的長大。這在很大程度上削弱了基體強度。采用改進原位復合法復合PA6/CNT，可大大提高PA6分子的平均分子量，減輕炭納米管對基體PA6強度的削弱，大幅度提高PA6/CNT復合材料的強度。

項目負責：清華大學機械系。

意義：該復合材料對提高基體PA6的強度，拓寬其應用范圍，具有很大的研究價值。

納米復合W-氧化物電極材料

的電子發(fā)射特性

項目簡介：這種材料的成分與相組成與傳統(tǒng)電極材料相同，但顯微組織顯著不同。采用真空電弧放電，觀察了陰極斑點的分布特征，測定了電極材料的起弧電場強度。通過與傳統(tǒng)電極對比，認為大幅度細化氧化物添加劑至納米尺度，能夠顯著提高電極材料的電子發(fā)射能力，降低逸出功。具體特征如下：

（1）納米復合W-ThO陰極材料的成分和相組成與傳統(tǒng)電極材料相同，而顯微組織顯著不同。該實驗制備的電極試樣顯微組織為尺寸小于200nm的ThO均勻、彌散分布在W基體上，W基體是晶粒度約為4μm的等軸晶。

（2）引弧時，電極材料的電子發(fā)射位置分布于ThO彌散體上，而納米復合W-ThO試樣的電子發(fā)射位置均勻分布，觀察不到明顯的電弧灼痕和灼坑。

（3）大幅度細化ThO彌散體至納米尺度，可顯著降低電極的起弧場強。這種顯微組織的電極材料具有較低的逸出功和優(yōu)良的電子發(fā)射能力。

項目負責：西安交通大學材料科學與工程學院。

納米γ-(Fe，Ni)合金顆粒

微觀結構及其微波吸收特性

項目簡介：利用X射線衍射和高分辨率電鏡對納米γ-(Fe，Ni)合金顆粒進行微觀結構研究。檢測表明，顆粒主要由γ-(Fe，Ni)合金顆粒組成，其顆粒大小為10nm左右；X射線能譜分析(EDS)表明，各個顆粒的Fe、Ni含量不相同，并給出了顆粒含量分布圖。用該種納米顆粒作為吸收劑，具有優(yōu)異的微波吸收特性。其特征具體如下：

(1)納米γ-(Fe，Ni)合金顆粒經(jīng)微觀結構研究檢測表明其主要組成為面心立方的γ-(Fe，Ni)相，顆粒大小在10nm左右并呈非球形，各顆粒的Fe和Ni含量不同，平均為Fe44Ni56，其中91%的顆粒Ni含量在40%～70%之間。

(2)納米γ-(Fe，Ni)合金顆粒不易氧化，甚至保存多年后性能仍不變。這就保證了微波頻率下的電磁參數(shù)不因顆粒的氧化而影響其值的下降，從而具有優(yōu)異的微波吸收特性。

(3)納米γ-(Fe，Ni)合金顆粒作為微波吸收劑具有如此好的吸收特性和如此寬廣的吸收頻帶是目前未曾見過的，應進一步加強研究，以便開發(fā)新的應用領域。

項目負責：冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院。

氟氧化物玻璃陶瓷激光材料研制

項目簡介：這一研究成果基本實現(xiàn)了對玻璃陶瓷納米復合結構的控制，獲得了系列具有良好光致發(fā)光和上轉換發(fā)光性能的新材料，主要有：含Er：LaF3納米晶的透明玻璃陶瓷，具有寬的紅外發(fā)射譜，其1.53微米發(fā)射峰半高寬達100納米，可開發(fā)為光纖放大器材料；含Er：CaF2納米晶的透明玻璃陶瓷，具有強的紅光上轉換效應，且1.53微米發(fā)光量子效率高達98%；含Er：BaF2納米晶的透明玻璃陶瓷，其1.53微米發(fā)光壽命高達13.39毫秒；首次獲得含大量Er：NaYF4納米晶的透明玻璃陶瓷，該材料不僅具有很高的上轉換發(fā)光效率，而且通過改變稀土摻雜濃度，可基本實現(xiàn)材料紅、綠發(fā)光強度比的全程調控，在光顯示器件方面具有重要的應用前景。

通過對氟氧化物玻璃陶瓷熱力學行為和結構轉變特性的研究，揭示了納米晶相的晶化機理與主要控制因素，掌握了熱處理條件下玻璃陶瓷結構演變規(guī)律，總結了材料光學性能與顯微結構的關系。

項目負責：福建省科技廳專家組。

意義：該項目的成果已經(jīng)達到國際先進水平。

發(fā)光性稀土配合物超分子結構

調控及其熒光特性研究

項目簡介：用分子水平上的組裝技術3/4Langmuir-Blodgett（LB）膜技術制備二維分散的發(fā)光性稀土配合物分子膜，通過精密控制壓縮速度、亞相組成、膜層面積等多項參數(shù)控制分子間距離、分子取向角、分子聚集狀態(tài)，并輔以與兩親性脂肪酸、手性分子等化合物相混合，得到了處于微/納米范圍不同尺寸的圓形、線形、Boojum形等各種形貌的自組織結構。

通過對p-A曲線數(shù)據(jù)、熒光顯微鏡、布儒斯特角顯微鏡等顯微圖片中不同聚集體的百分比組成及相應的x-射線反射強度結果進行處理，結合各分子自身的物化常數(shù)進行模擬計算得到各種體系中稀土配合物分子的排列模型。

項目負責：山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室。

意義：該項目的研制，改革了稀土化學化工領域的產(chǎn)業(yè)結構，改變了我們這個稀土大國以原料等技術含量低的產(chǎn)品為主出口的局面。

多壁碳納米管/橡膠復合材料

制備及性能研究

技術簡介：自Iijima用電弧法制備C60發(fā)現(xiàn)碳納米管(carbon nanotubes)以來，在世界范圍內掀起一股碳納米管熱。碳納米管具有優(yōu)良的力學性能、極高的長徑比、熱穩(wěn)定性和獨特的導電性能。

采用模板法制備的碳納米管陣列與環(huán)氧樹脂復合，能制備出具有很好抗靜電效果的復合材料。所測得的滲流導電的閥值僅為0.0025％，通過高能超聲用溶液蒸發(fā)法制備了分散性較好的CNT/ 聚苯乙烯(PS) 復合材料膜，1wt%的添加量，使得彈性模量增大36 %～42 %，斷裂應力增長25 % ，而用碳纖維增強達到同樣效果需添加10 wt %。研究了聚合物復合膜中MWNTs在拉伸下的斷裂行為，測得聚合物/碳納米管界面的應力傳遞能力達到500MPa以上，至少比傳統(tǒng)的碳纖維增強復合材料應力傳遞能力高出10倍。

項目負責：清華大學化學工程系反應工程研究室范壯軍。

意義：該項目與炭黑補強橡膠體系進行對比，碳納米管的加入能顯著提高橡膠復合材料的模量、定伸應力及導電性能。

沸騰回流強迫水解法制備

納米TiO2微粒

項目簡介：采用沸騰回流強迫水解法， 以硫酸鈦為原料， 制備出二氧化鈦納米微粒， 并利用紅外光譜透射電鏡及X光晶體衍射對其進行了表征。結果表明：利用該方法可以在較高的鈦鹽濃度下［Ti4+濃度可達0.1mol．L-1］制備出均分散圓球狀的二氧化鈦納米微粒， 粒徑大小為2030nm。

采用沸騰回流強迫水解法， 由0.1mol．L-1的Ti(SO4)2溶液短時間即可獲得納米級銳鈦礦型TiO2顆粒， 由于相轉化溫度低、晶化時間短， 因此， 制備出的TiO2顆粒比表面積大， 更適用于催化劑(如固體超酸)及光敏材料等。

項目負責：河北師范大學化學系武瑞濤。

意義：該方法操作簡便、成本相對低廉， 具有良好的工業(yè)化應用前景。

電極表面直接生成聚

吡咯納米線方法

項目簡介：該方法將吡咯、聚陰離子摻雜劑或高價陰離子摻雜劑和支持電解質配制成電解液，采用復合電極，以相對于飽和甘汞電極０．７０Ｖ、０．９０Ｖ下恒電位法，或者是相對于飽和甘汞電極以０．０Ｖ為起始電位，以０．７０Ｖ、０．９０Ｖ為終止電位的循環(huán)伏安法對上述電解液進行電解聚合，則在電極表面直接生成長度和直徑可以控制的聚吡咯納米線，其特征在于：聚陰離子摻雜劑為帶有羧酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子的鹽溶液，高價陰離子摻雜劑為碳酸根離子。

該發(fā)明優(yōu)點在于：電解聚合時間短，可在數(shù)十秒至２０分鐘內完成，并且納米線的直徑和長度可控，納米線的直徑可為５０納米，產(chǎn)率高，成本低。

項目負責：天津大學。

納米二氧化硅研究

項目簡介： 改產(chǎn)品集中高等院校及研究公司專家教授，通過分析研究提出一種新的工藝路線--化學直接合成法。在本方法中，采用的為改良沉淀法，即在沉淀過程中，通過分散劑控制粒子生長的方法控制關鍵的反應階段及操作數(shù)據(jù)來生產(chǎn)氧化硅微粉，是具有國內領先水平的高新技術，產(chǎn)品粒徑15-20nm，已通過成都市科技成果鑒定。

該項目具有粒徑小、比表面積大、化學純度高、分散性能好等特征，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和觸變性而在橡膠、涂料、醫(yī)藥、造紙、日化等諸多領域得到廣泛應用，并為其相關工業(yè)領域的發(fā)展提供了新材料基礎和技術保證，享有“工業(yè)味精”、“材料科學的原點”之美譽。

項目負責：成都科大高新科技有限公司。

意義：該項目已成為當今世界材料學中最能適應時代要求和發(fā)展最快的品種之一。發(fā)達國家已經(jīng)把高功能、高附加值的精細無機材料作為本世紀新材料的重點加以發(fā)展。

納米團簇超分子自組裝

項目簡介：在納米材料的應用過程中，納米團簇或納米粒子的組裝將是非常關鍵的一步。納米團簇的超分子化學組裝方法可分為兩類，即膠態(tài)晶體法和模板法。膠態(tài)晶體法是利用膠體溶液的自組裝特性將納米團簇組裝成超晶格，可得到二維或三維有序的超晶格。模板法是利用納米團簇與組裝模板間的識別作用來帶動團簇的組裝，可應用的模板有固體膜、單分子膜、有機分子、生物分子等。其中，單分子膜模板是研究最多也是最為成熟的一種；生物分子間嚴密的分子識別功能使其成為非常有發(fā)展前途的組裝模板，而且用生物分子模板有可能實現(xiàn)不同納米團簇間的組裝。

目前納米團簇組裝體的性質研究也已經(jīng)有了很大進展，利用LB膜技術組裝得到的金屬基質-有機分子-納米粒子結的單電子響應庫侖效應已經(jīng)得到了證明；利用LB膜技術組裝得到的銀團簇膜的非線性光學性質也已經(jīng)得到了可喜的研究成果；最令人激動的是由四個量子點組成的自控功能單元已經(jīng)在實驗中得到實現(xiàn)。

項目負責：北京大學化學系李彥。

意義：隨著納米組裝技術的進一步發(fā)展，納米材料的各種奇異性質和功能必將得到更充分的發(fā)揮和利用，納米材料將在科技、生產(chǎn)、生活等各領域發(fā)揮越來越大的作用，納米組裝將成為21世紀有重大突破的領域。