科普-中华学生百科全书-第462章
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Feynman）曾经提出：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产
生怎么样的奇迹？”这并不是一位科学家的异想天开，随着纳米材料科学的
出现、发展与完善，它很快变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发
展产生深远的影响，有可能从根本上解决人类面临的重大问题，如粮食、健
康、能源和环境保护等。
纳米材料是指材料的尺寸处于 1～100nm（纳米：即 10 ～100 ）范围内
的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许
多奇异的性能，这些性能既不同于通常的大块材料，也不同于单个原子状态
的特性。纳米科学领域，包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法，观测它们的
奇异特性，各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米固体
的新特性与有关的应用。
从 19 世纪 60 年代开始，纳米材料的发现是在胶体溶液中，它们是直径
为 1～100nm 的粒子。科学家指出，直径小于 1nm 的颗粒是由 100 个原子构成，
称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的 H．格利特
（H．Gleit…er）教授所领导的研究组在 1984 年制成，他们是用 6nm（纳米）
铁粉压成纳米固体。1986 年，H．格利特宣称，纳米固体是一种具有奇异结构
类型的固体，而且指出，在纳米颗粒的直径为 2～10nm 的颗粒中，其原子数
目一般为 100～1000 个，其中有 50％的体积为按不同方向排列的界面原子。
这样组合而成的材料，表现出这种材料既不同于晶态，也不同于非晶态。在
纳米粉末方面，性质上显现出一连串奇异的物理特性，如金属的纳米粒子并
不反光而且吸收光，一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质，而呈
现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑，不反光，说明具有很强的吸光特性。
另外，纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低，如 10 纳米的铁粉，熔点降
低 33℃，即从 1526．5℃降为 1493．5℃。纳米金粉降低 27℃，即从 1063℃至
1036℃。其粒度越细，熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面
均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质，即便有同样粒度，也会由于
制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。
1982 年，G．宾宁格（G． Binnlg）和 H．罗尔（H． Rohrer）发明了扫描
隧道显微镜（STM）。这种显微分析技术可以直接观察到原子，为开展纳米材
料的研究创造了有利条件。到 80 年代末，扫描隧道显微镜不仅是一种观测的
工具，而且，还可用来排布原子。为此，G．宾宁格和 H．罗尔在 1986 年获得
诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的 l／10，但其放大倍
数要比电子显微镜大 10 倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器，
而且它已进入了国内某些实验室。
1989 年，美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因，
写下了“Stanford universty”的字样。1990 年，美国 IBM 公司的埃格勒博
士在零下 296C 的 Ni 表面用 35 个氢原子排出了“IBM”的字样。1991 年，日
本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”（公司的缩写）。 1993
年 12 月，中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子，写
下了“中国”的字样。短短几年中，美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳
米技术，所写下的字母大小是一个标点符号的 1／500000，表明人类按需要排
布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现实已不是遥远
的事情了，人类打开多姿多彩的原子、分子世界的时代即将到来。随着纳米
技术的发展，为开发原子级存贮技术，打下了有利的基础。如果将某种存贮
材料的原子一个个地按预想的方式进行排列，几个原子一组作为一个存贮单
元，根据设计的功能，进行合理布局，这样就可以使单位面积（或单位体积）
的存贮材料的容量提高几个数量级。这样，飞跃发展的计算机技术就会如虎
添翼，超高速的计算机将遍地开花。
纳米技术促进着纳米材料的发展，当纳米材料实现原子级的布局的时
候，人类就会进人一个崭新的天地。目前，在现有的科学水平上，纳米材料
的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备，接着是保持这些纳米
颗粒在没有受到污染（包括表面氧化）的条件下用 SGPa（G 为千兆帕，即 10
‘帕）的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染，纳米
颗粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空（10…7 帕）容器中进行。生产
纳米颗粒的方法很多，有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制
取纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似，都可采用电子束、激
光束、高频加热、电阻加热等离子溅射，电子回旋共振等离子溅射等方法，
这些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来，然后收集
粉末，进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料，而且易于控制，
但还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒，粒度比较大，且
不均匀，连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有：
钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯
等，还有部分金属氧化物。
纳米材料的应用将以丰富多彩的特色在材料科学史上描绘出奇妙的一
页，如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应是极好的催化剂，可代替
昂贵的铂金或钯催化剂。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层 5～20nm（纳米）的
聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，以控制生物反应，在生物技术和酶工程
领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、各种
传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突
出的，纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包
括粉状，而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。纳米薄膜又称超薄膜材料，制
成 10nm 磁膜或磁带材料，其磁性能得到显著的改善，如铁——硼——硅非晶
磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高 10 倍。
纳米机器人（nano robot）正在科学家们精心的设计之中，第一代的纳
米机器人是生物系统（如酶）和机械系统有机结合的产物，即使用多功能的
微型机器人（称为易于在人体血管流动的药物），注入人体血管内，作为全
身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能消
灭病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子、分子装配成有一定
功能的纳米尺寸的装配装置，它具有自我调节能力和转换程序，例如可以生
产人体所需的蛋白质。第三代纳米机器人将是含有纳米电子计算机的，可以
实现人机对话的并有自身复制能力的纳米装置。那时，人类的劳动方式将彻
底改变，劳动的主体——人将得到完全解放！
纳米材料一出现，有的科学家就预言，纳米材料将是 21 世纪材料构成的
基本单元，这就意味着，由纳米材料构成的许多新材料将会显示出许多前所
未有的奇异特性。于是，美国最早成立了纳米研究中心。早在 1985 年，日本
就建立了全国性的研究体制。英国政府在财政困难下，1992 年投入 1280 万
英镑支持纳米技术的发展。我国已在 1990～1992 年先后召开了两次全国性的
纳米学术盛会，并把纳米技术纳入“863”计划。人类进化史表明一个真理，
“一个充满挑战的时代也往往是一个充满机遇的时代”，机遇总是降临到敢
于驾驭局势的人们。历史最终属于创造它的“上帝”。
高分子王国
在世界范围内，高分子材料的制品属于最年轻的材料。它不仅遍及各个
工业领域，而且已进入所有的家庭，其产量已有超过金属材料的趋势，将是
21 世纪最活跃的材料支柱。
高分子材料是有机化合物，有机化合物是碳元素的化合物。除碳原子外，
其他元素主要是氢、氧、氮等。碳原子与碳原子之间，碳原子与其他元素的
原子之间，能形成稳定的结构。碳原子是四价，每个一价的价键可以和一个
氢原子键连接，所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物。有机
化合物的总数已接近千万种，远远超过其他元素的化合物的总和，而且新的
有机化合物还不断地被合成出来。这样，由于不同的特殊结构的形成，使有
机化合物具有很独特的功能。高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能
团）替换，以改变高分子的特性。高分子具有巨大的分子量，达到至少 1 万
以上，或几百万至千万以上，所以，人们将其称为高分子、大分子或高聚物。
高分子材料包括三大合成材料，即塑料、合成纤维和合成橡胶（未加工
之前称为树脂）。
面向 21 世纪的高科技迅猛发展，带动了社会经济和其他产业的飞跃，高
分子已明确地承担起历史的重任，向高性能化、多功能化、生物化三个方向
发展。21 世纪的材料将是一个光辉灿烂的高分子王国。
现有的高分子材料已具有很高的强度和韧性，足以和金属材料相媲美，
我们日用的家用器械、家具、洗衣机、冰箱、电视机、交通工具、住宅等，
大部分的金属构造已被高分子材料所代替。工业、农业、交通以及高科技的
发展，要求高分子材料具有更高的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、耐油、
耐折等特性，这些都是高分子材料要解决的重大问题。从理论上推算，高分
子材料的强度还有很大的潜力。
在提高高分子的性能方面，最重要的还是制成复合材料第一代复合材料
是玻璃钢，是以玻璃纤维和合成树脂为粘合剂制成。它具有重量轻、强度高、
耐高温、耐腐蚀、导热系数低、易于加工等优良性能，用于火箭、导弹、船
只和汽车躯体及电视天线之中。其后，人们把玻璃纤维换成碳纤维，其重量
更轻，强度比钢要高 3～5 倍，这就是第二代的复合材料。如果改用芳纶纤维，
其强度更高，为钢丝的 5 倍。高性能的高分子材料的开拓和创新尚有极大的
潜力。科学家预测，21 世纪初，每年必须比目前多生产 1500～2000 万吨纤
维材料才能满足需要，所以必须生产大量的合成纤维材料，而且要具有更轻
型、耐火、阻燃、防臭、吸水、杀菌等特性。有许多新型纤维，如轻型空腔
纤维、泡沫纤维、各种截面形状的纤维、多组份纤维材料等纷纷被研制出来，
人们可指望会有耐静电、耐脏、耐油，甚至不会沾灰的纤维材料问世。这些
纤维材料将用于宇航天线、宇航反射器、心脏瓣膜和人体大动脉。
高分子功能材料，在高分子王国里是一片百花争艳的盛景。由于高分子
的功能团能够替代，所以只要采用极为简便的方法，就可以制造各种各样的
高分子功能材料。常用的吸水性材料，如棉花、海绵，其吸水能力只有本身
重量的 20 倍，在挤压时，已吸收的大部分水将被挤出来。而用淀粉和丙烯腈
制成的高分子吸水材料，它不仅能吸收自身重量数百倍到上千倍的水，而且
受到挤压也不会挤出水来。人们可以期望，将高吸水性的高分子材料制成能
将化学能转变成机械能的装置，以及具有类似于肌肉的功能或制造测量仪
器。在微电子工业的光刻集成块工艺，常用的光刻胶（又称光致抗蚀材料），
就是能使高分子相连接一种功能团，光照射时会起化学反应，使其溶解度降
低或提高。应用这种光刻胶制备集成块，可以使集成块的线宽达到0．1到0．01
微米（1‰毫米），只有用其他工艺制成的集成块的线宽的 1／10 到 1／100，
是适合于 21 世纪的电子计算机的主要元件——微细元件的开关。光刻胶并能
用于各种精细加工，如半导体元件，EP 刷线路板，金属板膜或表面的精细加
工、玻璃、陶瓷的精细刻蚀、精密机械零件加工等。
高分子功能材料应用在信息工程方面，已经生产了光电导摄影材料、光
信息记录材料、光——能转换材料，并都已进入实用阶段。
像“当代摩西神树”的离子交换树脂的高分子功能材料也发展很快，许
多高分子离子交换膜、高分子反渗透膜、高分子气体分离膜、高分子透过蒸
气膜等都在化学工艺的筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、萃取、吸附等过程
中获得应用，而且分离结果优于其他方法，可节约大量能量。日本的制盐工
业早已用离子交换膜去代替盐田和电解食盐工艺。利用反渗透膜对有机化
工、酿造工业的三废进行处理，可回收胺、酯、醇、醚、酮、酚等重要有机
化合物。气体分离膜对不同气体的透过率和选择性不同，可以利用这一性质
从混合气体中选择分离某种气体，如从空气中富集氧，从合成氨中回收氢，
从天然气中收集氦，还可以制备一种水下呼吸器（人工鳃），它是直接从海
水中提取氧的潜水装置，人类可望能长期生活在海水中，进入海龙王的宫殿，
分享海龙王海底宁静的幸福生活的梦想可变成现实。还有各种信息转换膜、
反应控制膜、能量输送膜等正在研制阶段。一种富有吸引力的生物膜也正在
研究之中。生物膜具有奇特的性能，不仅能主动起能量、信息、物质的传递
作用，还能参加光合作用及有机物质的生命合成等生命活动。这就是 21 世纪
的高科技的一颗明珠，摘取这颗明珠需要有极大的勇气和百折不挠的精神。
高分子功能材料的另一极为重要的发展就是用于催促化学反应，这类高
分子功能材料被称为高分子催化剂。早在本世纪 40 年代，人们已经使用一种
叫交联磺化聚苯乙烯的离子交换树脂作催化剂，用于化学反应的各个过程，
如水解、缩合、聚合等。尔后，这类高分子功能材料发展很快，高分子金属
络合物催化剂接着问世，它能够在化学反应中加速捕捉金属离子，实现金属
化合物的迅速分离，在工业生产和工业分析上是一种十分重要的方法。还有
高分子金属催化剂，是促进化合物中金属离子迅速完成化学反应的材料，它
已获得了成功的应用。自然界存在一种最有效的催化剂，称为酶。这一类高
分子材料像酶一样有很强的催化作用，称为人工合成酶。酶是由氨基酸组成
的蛋白质高分子化合物，它是生物体内各种生物化学反应的高效催化剂，是
性能最优异的天然的高分子功能材料。现在，各种人工合成酶已经研制成功
并逐步投入应用，其种类越来越多，科学家根据酶的作用原理试图模仿应用
于化学工业的催化剂，在化学工业上进行一场革命。它可以制作进行化工生
产，可以充分利用再生的生物资源，以摆脱传统的以石油系列为主要原料的
合成工艺，而且还可用酶的催化原理，避开传统的合成工艺中的高温，高压
的条件，在各种物质混合的状态下，有选择地使特定物质发生化学反应，使
反应物能够不加分离地连续反应至生产出最终产物。这样，生物反应器将�
