固体物理学的大发展

4　固体物理学的大发展——纳米材料

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固体物理学是物理学中内容丰富、应用广泛的分支学科，主要是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系的科学。固体物理是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础。目前最热门的材料——纳米材料是这个学科20世纪的一个伟大成就。

纳米技术之父——埃里克·德雷克斯勒

纳米材料是纳米级结构材料的简称，就是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100纳米以下，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。

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未来的纳米计算机

1945年在美国诞生了第一台电子计算机，一共用了18000个电子管，总重量30吨，占地面积约170平方米，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1秒内只能完成5000次运算。这些年电子技术飞速发展，今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。未来如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”，比现在用的平板电脑还要小，完全可以做到只有手机那么大。

世界上第一台电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）

纳米粒子的研究开始于20世纪30年代的日本，主要是军事需要而开展的“沉烟试验”，用真空蒸发法制成了世界上第一批超微铅粉，但是它的性能很不稳定。1984年德国和美国相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。德国在高真空的条件下将粒子直径为6纳米的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。1990年7月，在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

电磁屏蔽服

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：

第一阶段：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

金属纳米颗粒示意图

第二阶段：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，被列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。美国成立了纳米研究中心；德国以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心；在我国，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”

中国航天之父——钱学森

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中国纳米成就

中国在研究纳米材料方面经过多年的努力，现在也取得了一些进步和成绩，其中就有：中国科学院物理研究所气相法高效制备出孔径约20纳米、长度约100微米的碳纳米管，并由此制备出纳米管阵列，其面积达3毫米×3毫米，碳纳米管之间间距为100微米，碳纳米管制备出直径3～40纳米、长度达微米量级的半导体。中国科学技术大学的钱逸泰，使用四氯化碳和钠反应，以此制备出了金刚石纳米粉，从而得到纳米金刚石。中国科学院固体物理研究所张立德，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO₂纳米电缆。