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　　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制備一維半導體量子材料 ,并不是憑空設想 ,清華大學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行 ,從而生長出半導體納米線。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出 Si N納米線 ,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[2 0 ]。1998年該科研組與美國斯坦福大學合作 ,在國際上首次實現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長 ,它將大大推進碳納米管在場發射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規模集成電路 ,超導線材等領域。 

　　早在 1989年 ,IBM公司的科學家就已經利用隧道掃描顯微鏡上的探針 ,成功地移動了氙原子 ,并利用它拼成了 IBM三個字母。日本的 Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管 ,它通過控制單個電子運動狀態完成特定功能 ,即一個電子就是一個具有多功能的器件。另外 ,日本的 NEC研究所已經擁有制作 100 nm以下的精細量子線結構技術 ,并在 GaAs襯底上 ,成功制作了具有開關功能的量子點陣列。 

　　美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件 ,在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。此外 ,若能將幾十億個量子點連結起來 ,每個量子點的功能相當于大腦中的神經細胞 ,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希望 [2 1 ],實現信息采集和處理能力的革命性突破。 

　　2.3　納米技術在生物工程領域的應用 

　　眾所周知 ,分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料 ,每一個生物大分子本身就是一個微型處理器 ,分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化 ,其原理類似于計算機的邏輯開關 ,利用該特性并結合納米技術 ,可以設計量子計算機。美國南加州大學的 Adelman博士等 [2 2 ]應用基于 DNA分子計算技術的生物實驗方法 ,有效地解決了目前計算機無法解決的問題“哈密頓路徑問題”,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有了進一步的認識。 

　　雖然分子計算機目前只是處于理想階段 ,但科學家已經考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件 ,其中細菌視紫紅質最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩定性 ,并且 ,其奇特的光學循環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。在整個光循環過程中 ,細菌視紫紅質經歷幾種不同的中間體過程 ,伴隨相應的物質結構變化。Birge等[2 3 ]研究了細菌視紫紅質分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調諧激光束 ,將信息并行地寫入細菌視紫紅質立方體 ,并從立方體中讀取信息 ,并且細菌視紫紅質的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。 

　　到目前為止 ,還沒有出現商品化的分子計算機組件。科學家們認為 :要想提高集成度 ,制造微型計算機 ,關鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學已經利用細菌視紫紅質蛋白質制作出了光導“與”門 ,利用發光門制成蛋白質存儲器。此外 ,他們還利用細菌視紫紅質蛋白質研制模擬人腦聯想能力的中心網絡和聯想式存儲裝置 [2 4, 2 5]。 

　　納米計算機的問世 ,將會使當今的信息時代發生質的飛躍。它將突破傳統極限 ,使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高了上百萬倍 ,從而實現電子學上的又一次革命。 

　　總之 ,納米技術正成為各國科技界所關注的焦點 ,正如錢學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展的特點 ,會是一次技術革命 ,從而將是 21世紀的又一次產業革命。” 

　　2.4　納米技術在化工領域的應用 

　　納米粒子作為光催化劑 ,有著許多優點。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 ,大部分不會重新結合。因此 ,電子、空穴能夠到達表面的數量多 ,則化學反應活性高。其次 ,納米粒子分散在介質中往往具有透明性 ,容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。目前 ,工業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　光催化劑形態與轉化率的關系 

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 ,是納米技術的另一重要應用 [2 8]。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹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。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。目前 ,日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。紫外線不僅能使肉類食品自動氧化而變色 ,而且還會破壞食品中的維生素和芳香化合物 ,從而降低食品的營養價值。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。 

　　我們采用化學共沉淀法 ,利用 ZnCO3 包覆 Ti(OH)4粒子 ,在一定溫度下進行預焙解 ,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)的晶體結構類似 )促進了 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紫外分光光度計進行了光學性能測試 ,結果發現此粉體對240～400 nm的紫外線有較強的吸收 ,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余輝發光材料時 ,我們發現 ,利用軟化學法合成出的超細發光粉體的發射光譜的主峰位置 ,較固相機械混合燒結法制備的發光粉體藍移了 12 nm。余輝衰減曲線表明 ,該法合成出的發光粉體 ,其余輝衰減速度相對固相法合成出的發光粉體要快得多 ,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反應局限于一個很小的范圍內進行。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 ,但同時限制了反應物分子和反應中間體的運動。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。科學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的氧化產物。用金屬醇化合物和羧酸反應 ,可合成具有一定孔徑的大環化合物。利用嵌段和接技共聚物會形成微相分離 ,可形成不同的“納米結構”作為納米反應器 [3 3 ]。