首席科学家谈纳米技术的应用前景

由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景——

光学应用

纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒特殊的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到推广应用。

隐身材料

“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，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，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95％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的红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器准确地击中目标。

美国F117A型飞机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线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线及雷达波波长，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，纳米微粒材料的表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外线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。

目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真正发挥作用的隐身材料大多使用在航空航天与军事有密切关系的部件上。对于上天的材料有一个要求是重量轻，在这方面纳米材料是有优势的，特别是由轻元素组成的纳米材料在航空隐身材料方面应用十分广泛。

有几种纳米微粒很可能在隐身材料上发挥作用，例如纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的复合粉体与高分子纤维结合，它对中红外波段有很强的吸收性能，这种复合体对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用上有明显的优越性。另外，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用也将大有作为。

红外反射材料

红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用，在结构上，导电膜最简单，它为单层膜，成本低。金属-电介质复合膜和电介质多层膜均属于多层膜，成本稍高。在性能上，金属-电介质复合膜红外反射性能最好，耐热度在2000℃以下。电介质多层膜红外反射性良好，并且可在很高的温度下使用(<900℃)。导电膜虽然有较好的耐热性能，但其红外反射性能稍差。

纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69％转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。

如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米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。

优异的光吸收材料

纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外线吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外线吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外线的吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。

目前，用纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收的例子是很多的。例如，防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。

这里还需要强调一下，纳米添加时颗粒的粒径不能太小，否则会将汗毛孔堵死，不利于身体健康。而粒径太大，紫外线吸收又会偏离这个波段。为了解决这个问题，应该在具有强紫外线吸收的纳米微粒表面包敷一层对身体无害的高聚物，将这种复合体加入防晒油和化妆品中，既发挥了纳米颗粒的作用，又改善了防晒油的性能。

塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这样就可以防止塑料老化。

汽车、舰船的表面上都需涂上油漆，特别是底漆主要是由氯丁橡胶、双酚树脂或者环氧树脂为主要原料，这些树脂和橡胶类的高聚物在阳光的紫外线照射下很容易老化变脆，致使油漆脱落，如果在面漆中加入能强烈吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆的作用。因此研究添加纳米微粒使之具有紫外线吸收功能的油漆是十分重要的。

红外线吸收材料在日常生活和国防上都有重要的应用前景。一些经济比较发达的国家已经开始用具有红外线吸收功能的纤维制成军服供部队使用，这种纤维对人体释放的红外线有很好的屏蔽作用。

众所周知，人体释放的红外线大致在4mm-6mm的中红外频段，如果不对这个频段的红外线进行屏蔽，很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现，尤其是在夜间人身安全将受到威胁，从这个意义上来说，研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服是很有必要的。而纳米微粒小很容易填充到纤维中，在拉纤维时不会堵喷头，而且某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性。纳米添加的纤维还有一个特性，是对人体红外线有强吸收作用，这可以增加保暖作用，减轻衣服的重量。有人估计用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，重量可以减轻30％。

陶瓷增韧

纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。目前，材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标，近两年来，科学工作者为了扩大纳米粉体在陶瓷改性中的应用，提出了纳米添加使常规陶瓷综合性能得到改善的想法。我国科技工作者已成功地用多种方法制备了纳米陶瓷粉体材料。

磁性材料

巨磁电阻材料

所谓巨磁电阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。巨磁电阻效应是近10年来发现的新现象。我国科技工作者在颗粒膜巨磁阻研究方面也取得了进展，在颗粒膜的研究中发现了磁电阻与磁场线性度甚佳的配方与热处理条件，为发展新型的磁敏感元件提供了实验上的依据。

在巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化，要求测量系统也要微型化。21世纪超导量子相关器件和超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。

新型的磁性液体

1963年，美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的微颗粒上，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。

纳米微晶软磁材料

纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等，它将成为铁氧体的有力竞争者。新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用增添了多彩的一笔。

另外，纳米微晶稀土永磁材料、纳米磁致冷工质、纳米巨磁阻抗材料等也取得了不少成果。

纳米微粒的催化应用

纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。有人预计超微粒子催化剂在下21世纪很可能成为催化反应的主要角色。

在其他方面的应用

纳米材料在其他方面也有广阔的应用前景。美国、英国等国家已制备成功纳米抛光液，并有商品出售。最细的颗粒尺寸一般在微米到亚微米级。随着高技术的飞快发展，要求晶体的表面有更高的光洁度，这就要求抛光剂中的无机小颗粒越来越细，分布越来越窄，纳米微粒为实现这个目标提供了基础。

纳米静电屏蔽材料用于家用电器和其他电器的静电屏蔽具有良好的作用。例如，人体接近屏蔽效果不好的电视机时，人体的静电就会对电视图像产生严重的干扰。为了改善静电屏蔽涂料的性能，日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽的纳米涂料。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。

从安全的角度提高化纤制品的质量，最重要的是要解决静电问题，金属纳米微粒为解决这一问题提供了一个新的途径，在化纤制品中加入少量金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低，德国和日本都制备出了相应的产品。化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌的作用。

导电浆料是电子工业重要的原材料，导电涂料和导电胶应用非常广泛。近年来，人们已开始尝试用纳米微粒制成导电糊、绝缘糊和介电糊等，这些产品正在微电子工业上发挥作用。

纳米微粒还是有效的助燃剂。例如，在火箭发射的固体燃料推进剂中添加超细铝或镰微粒，每克燃料的燃烧热可增加1倍；超细硼粉-高铬酸镀粉可以作为炸药的有效助燃剂；纳米铁粉也可以作为固体燃料的助燃剂。有些纳米材料具有阻止燃烧的功能，可以作为阻燃剂加入到易燃的建筑材料中，提高建筑材料的防火性。

纳米微粒也可用作印刷油墨。1994年美国马萨诸塞州XMX公司获得一项生产用于印刷油墨的、颗粒均匀的纳米微粒的专利。XMX公司正准备设计一套商业化的生产系统，不再依靠化学颜料而是选择适当体积的纳米微粒来得到各种颜料。

纳米粒子在工业上的初步应用也显示出了它的优越性。美国把纳米粒子添加到橡胶中提高了橡胶的耐磨性和介电特性。日本把纳米颗粒加入到普通玻璃中，明显改善了玻璃的脆性。

我国科技工作者在制备合金时加入了纳米粒子，结果晶粒大大细化，强度和韧性都有所提高。无机纳米颗粒有很好的流动性，利用这种特性可以制备固体润滑剂。