编号：CYYJ00004

篇名：国内外纳米科技研究应用现状及发展趋势分析

作者： 徐翠云

关键词： 纳米材料；纳米技术；应用；发展趋势；

机构： 江苏省地质调查研究院

摘要： 介绍了国内外纳米材料及其技术在电子工业、环保工业、建材工业、金属工业、文物 保护、医学领域的开发应用现状；并对纳米科技未来的发展趋势和市场前景进行了预测和展望。

原文： 纳米技术并非是某一学科的延伸或某一工艺的革新，而是一门跨学科的边缘科学。它是许多基础理论、专业理论与当代尖端高新技术的结晶，是一个原理深奥、科技顶尖、内容丰富的（包括纳米电子学、纳米加工学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学和纳米生物学等）多学科群。纳米科技是20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，它已成为当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展中有着十分重要影响的研究对象。在纳米材料的制备和应用研究中所产生的纳米技术将称为21世纪前20年的主导技术，并带来纳米产业的蓬勃发展。因此，有专家预测，纳米科技的迅猛发展将在新世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。目前，世界上发达国家对纳米科技的开发研究进行了大量的投入，试图抢占这一21世纪科技战略制高点。 目前，国内外在纳米材料和纳米技术的应用研究方面取得了显著成效。现根据有关资料，将国内外纳米材料和纳米技术的应用研究现状及发展趋势作一综述，以飨读者。 1 国外纳米科技研究现状 1．1 发达国家对纳米科技领域的部署和投入 由于纳米科技对一个国家未来战略将会产生重大影响，因此，发达国家的政府和企业 纷纷投入大量的人力、物力和财力进行纳米科技的研究和产业化生产。 美国政府对纳米科技研究的资助已有1997年的1.16亿美元增加到2001年的近5亿美元。据悉，美国政府还加大对纳米科技的投入，预计未来5年，用于纳米科技研究的政府资助将增加到15亿美元。 法国政府于2000年投资了8亿法郎建立起了一个占地8ha、建筑面积为6万m²的纳米技术发展中心，该中心配备了最先进的仪器设备，并成为纳米技术之家，专门负责专利申请和帮助研究人员建立创新企业。 日本从2001年起实施为期为7年的“纳米材料工程”计划，预计每年的投资额为50亿日元。同时日本通产、文部和科技三省厅将在明年投资330亿日元，用于建立“纳米材料研究中心”该中心将集中数百名专家进行纳米材料的开发应用研究，并将与企业和大学合作应用推广。 韩国政府于2001年7月决定在今后10年内将投资1。48万亿韩元（约11。4亿美元），建立“纳米研究设备中心”，用于大力开发纳米科技。 德国将纳米材料列为新世纪科研创新的战略领域，他们建立6个政府与企业联合的研发中心，有19家研究机构专门组建了纳米技术研究网。 此外，英国、瑞典、瑞士等国也纷纷建立和正在建立纳米研究中心，以加强该项技术的研究。西方国家的目标是在基础研究和应用研究领域做前瞻性的部署，取得知识产权，占领战略制高点，并与企业结合，将科研成果迅速推向市场。 1．2 国外纳米研究取得的成果 经过十多年的研究和实践，纳米材料和技术均取得了令人鼓舞的成果，有的研究成果已经转化为生产力。 早在1984年，德国学者把6nm的金属粉末压制成纳米块，研制出世界上第一块纳米材料，开纳米材料科学之先河。 在纳米技术研究方面，日本也是起步较早和开发应用发展较快的国家之一。近10多年来，日本在纳米技术研究中取得的成果主要有：（1）开发出硫化钨河硫化钼的富勒结构（直径仅数十纳米）；（2）利用化学方法对碳富勒结构进行处理，获得了直径达3/10万mm的中空球体；（3）发现了直径为数百纳米至1μm、长为5μm的针状、棒状、桶状等多种纳米碳结晶，这些碳结晶具有良好的导电性和化学稳定性；（4）研制成直径为10mm的碳纳米管，并用碳纳米管做电子源，制作磁场效应显示器（FED），用这种显示器现已研制成薄型彩色显示屏；（5）研制成纳米碳线圈、碳钻头、碳管道等产品，这些产品可用于微型机械、医疗和生物技术等方面；（6）研制成直径为2nm、长度为2-300nm的导线，实现人类操纵员子分子组合物质的愿望；（7）利用纳米技术开发出一种把抗癌药定点直接送到癌症患部的新投药方法。经临床验证表明，该方法安全、有效，其效果是普通抗癌药的两倍。 1998年，美国成功研制出由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系---量子磁盘。美国商家已将该项技术迅速转化成产品，预计2005年其产品市场销售额将达400亿美元；今年初，美国科学家首先提出把碳纳米管用作燃料电池储氢材料，不久，美国国际商用机器公司应用碳纳米管开发出了晶体管和电子计算机运算用逻辑电路；美国还成功的研究了一种新型纳米粉体材料。该材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改型方面将给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上将占有重要的份额；最近美国科研人员利用“纳米药物制剂”新工艺，将水溶性不高或难溶药物加工成纳米颗粒，从而大大提高某些药物的生物利用度。已开发成功的药物有：高效价的“阿酶素”注射剂，“克霉唑”制剂，“阿糖肥苷”和用于器官移植的“拉派霉素”口服液等。芬兰研究人员于2000年利用纳米技术，开发出一种含高植物固醇的植物黄油，人们食用这种黄油便可达到降低人体胆固醇的目的，使人健康长寿。 据报道，国外将纳米技术用于环保领域已取得了一定的成效。2000年，国际上开发出一种代替汽车金属构件的纳米离子增强复合材料，据测算，应用这种材料可使汽油的燃烧量每年减少500万t,从而使环境污染得到了改善。同时，用粘土和聚合物的纳米离子替代轮胎中的碳黑是一项产生环保型、耐磨损轮胎的新技术。 2 我国纳米科技研究现状 我国政府对纳米科技研究也十分重视，早在“八。五”、“九。五”期间即投资约700 万美元设立了“攀登计划”的重点项目研究。1999年至2000年，我国科学基金会亦新批准 和资助纳米资金项目总经费达8000万元左右。我国的纳米技术研究领域主要以金属和无机物非金属纳米材料为主，约占80%。研究项目主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分析电子学和一些纳米技术的应用等方面。 目前，我国的纳米产业正蓬勃发展，据2001年5月统计，我国共有纳米企业323家，社会投入资金30亿元。现国内已初步形成以北京、上海两大纳米研发中心为核心并辐射四周的纳米科技格局。几年来的实践，我国纳米技术专利成果也颇为可观。据统计，截止2000年底，我国设计纳米材料领域已公开的专利有582项，其中已授权107项。 据悉，未来5年，我国将投入25亿元进行纳米科技研究，建立10个国家级纳米研究中心。 2．1 研制纳米级金属粉末及其产品 1997年山东省正元纳米材料有限公司承担了“金属纳米粉生产线”国家火炬计划项目，建成并投产国内第一条金属纳米粉末生产线，每年可批量生产铁、钴、镍、铬、银、铜等多种纯属和合金纳米粉末500Kg，部分产品现已批量出口到美国和欧洲等地。该公司还先后与多家研究单位合作，利用稀土和有机纳米复合粘土混合，成功的开发出耐高温的纳米复合抗菌材料、“纳米电磁屏蔽涂料”，“纳米吸波涂料”、“纳米复合磁性介质材料”等多项纳米粉体应用技术成果。目前，公司已形成年产200t纳米复合抗菌材料的生产能力和20万件高档抗菌卫生陶瓷洁具的生产能力。这些产品的应用表明，其抗菌抑杀率均达99%；江苏红豆集团利用纳米技术，研制的抗菌防臭内衣和抗菌陶瓷畅销全国；杭州市为解决公交车的环境污染问题，现决定在公交车的“吊环”拉手上使用纳米抗菌塑料产品。 1997年，天津大学利用纳米技术，研制出铁、镍纳米金属材料，该材料已广泛应用于机械润滑、磨损自修复、高密度纪录、微波吸收、航天、医疗等方面，其部分产品已销往美国和欧洲，深受外商青睐。 长春市与重庆市有关单位联合，共同投资800万元，现已建成集科研、生产、开发为一体的纳米高新技术产业基地。预计该基地可年产纳米粉200t，年创利润4000万元。 不久前，宁波广博纳米公司建成我国第一条高水平超细纳米镍生产线，现已投入运行。预计投产后可年产金属纳米粉末120t，产品大部分将销往国外。销售额可望达数千万美元。 2．2 纳米技术应用于环保业 湖南省智能达有限公司研制成“Z氏法”技术，成功的将纳米技术应由于环保领域。该项技术是将纳米材料对通用的污水处理净水剂、絮凝剂、杀菌消毒剂加以物化改性，从而形成多元复合型高效水处理剂。这种水处理剂有处理污水效果佳、污水沉淀率高、费用低、用时少、缩短流程、使用方便、应用范围广等优点。“Z氏法”为我国开创了一个高效、低耗、低投入的污水治理局面。 中国建材研究院和河北省利用纳米技术研制的新型纳米净水剂具有极强的吸附力，这种净水剂是普通净水剂的10—20倍，它可将污水中悬浮物、铁锈、细菌、病毒、异味等污染物除去；河北省还利用纳米技术研制的碳纳米管用于监测NOx可在温室下工作，造价低，体积小（仅有3µm长）。因此利用纳米技术解决污染问题将成为未来环保业发展的必然趋势。 山东烟台实业有限公司利用纳米技术，研制成具有防静电、防光、防辐射绿色环保功能的纳米涂层材料。这种材料涂敷到普通玻璃上，具有防紫外线、不结雾等优点。该材料广泛用于建筑玻璃、汽车挡风玻璃和冰箱保温门等，市场前景广阔。 2．3 开发电器产品 安徽美菱集团利用我国在纳米材料合成和添加方面的成熟技术，找到了一条与美菱冰箱生产工艺流程相吻合的纳米产业化之路，推出了美菱纳米材料冰箱，这种冰箱以其极佳的抗菌保鲜性能受到国内外用户的青睐，产品除在国内销售外，还远销日本、西班牙和墨西哥等国。今年上半年，电冰箱销售突破60万台，产销率达105%，市场占有率达12。13%。此外，他们还将陆续推出其它美菱纳米电器产品。 我国利用纳米材料添加多种稀土金属联合作用，研制成纳米稀土空调。这种空调在不改变空气自然状态的情况下，具有过滤空气中的有害物质，增加室内空气含氧量的优良功能，为现代家庭营造健康、舒适的生态空间。 2．4 研制纳米碳管、纳米级钛酸盐和锆盐系列产品 2000年，香港科技大学研究人员研发出纯碳纳米碳管，并在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性，这一新发现，在全球科学界引起轰动。他将有助于解决电子在集成半导体器件中传输时发热的问题。 陕西省太和科技公司经多年的实践，采用液相法研制的纳米级钛酸盐和锆盐系列产品。在纳米级钛酸盐和锆盐系列20多种材料中已开发出钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、二氧化钛和锆盐等9种产品。这些产品具有烧结致密，烧结温度低、性能稳定等优点。钛酸盐系列产品主要用于信息、通讯、电子元器件、陶瓷等方面。钛酸钡、钛酸铅是制备电容器、陶瓷的主要原料。此外，该省有关高校、研究院和生产厂家在纳米技术研究方面联合攻关，取得显著效果。如2001年4月，西北大学与河北保定有色金属总厂签订了1000万元纳米二氧化碳技术转让开发合同；与山东东营市精细化工厂签订了3500万元钛酸钡系列纳米级粉体材料合作开发协议，使科技成果转化为生产力。 2．5 研制化学建材产品、各种涂料、化工原料、塑料和胶体产品 我国将纳米技术用于化工领域取得了较好的效果。例如，北京师范大学与东海防腐防水公司共同开发出纳米材料在防水、防腐、涂料等化学建材中的应用技术。如在丙烯酸乳液中加入纳米SiO2、TiO2后使涂料的抗老化、耐擦洗、耐水等性能均有很大的提高，改性后的纳米涂料具有较强的耐酸碱盐浸泡、耐磨洗可达几万次。在JS防水涂料中加入纳米粒子后，其抗拉强度可达2。1Mpa，伸长率可达400%，耐低温达-30— --50ºC，并可长期在水中浸泡。 我国科学家利用纳米技术，经过几年的攻关，于2000年研制成纳米级碳酸钙。纳米级碳酸钙是重要的精细化工原料，它广泛应用于建材和塑料行业。如大连建材厂在塑料建材中添加1%纳米级碳酸钙，使建材强度增加8倍；天津科技部门利用纳米级碳酸钙研制出高档汽车油漆，其性能优良。 目前我国对纳米级碳酸钙年需求量为16万t，主要靠进口。预计3年内需求量将增加到60万t，而国外需求量将超过国内数倍。为满足国内对纳米级碳酸钙的需求，国家决定今年内兴建5家万吨级生产厂，每个厂总投资6000万元，产品一半以上由外商包销。 近几年，我国以将纳米技术用于涂料产品研究。如哈尔滨鑫科纳米科技发民有限公司科技人员利用纳米钛粉研制成高科技防腐涂料，该涂料具有耐腐蚀、耐磨、耐沸水等优良性能，现已在大庆油田、胜利油田、吉林通化酒厂等单位得到成功的推广应用。在此基础上，该公司还将开发20余种纳米钛聚合物涂料，这些涂料可广泛用于石油、化工、食品、等行业；北京纳美科技发展有限公司利用纳米技术，研制成光催化涂料和特殊纳米界面涂料。经使用这种涂料对氮氧化物、油脂、甲醛等物质有明显的催化降解作用（对氧化物的将解率可达80%）。特殊纳米界面涂料具有疏水、疏油性能，这种性能用于建筑涂料能大大提高涂料的耐污染性；北京市为美化城市，利用纳米材料作外墙涂料，使用表明，纳米涂料比普通涂料寿命高几倍，且对表面污染一擦即净；北京体育馆改造，其顶棚表面采用纳米涂料，使噪音大大减小。 我国科学家利用插层复合技术，将天然蒙脱石粘土矿物均匀地分散到聚合物中，从而研制成纳米塑料。科研人员经过探索，进而开发出以聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯等为基础材料的一系列纳米塑料产品。这些产品具有强度好、耐洗性好、比重轻等性能。有的纳米塑料的耐磨性是黄铜的27倍，钢铁的7倍。 最近，西北大学的科研人员发现，利用溶胶与凝胶相结合的方法把新研制成的纳米材料制成一种透明的胶体，将这种胶体涂在文物表面，可形成一种“无机膜”，这样使文物完全与外界隔离，有利于文物的长期保护。又因这种纳米材料吸收紫外线，可保护文物的颜色不变，材质不腐烂，还可有效地排除虫菌对文物的侵蚀。因此，利用这种纳米材料将使已有2000多年历史的秦兵马俑告别霉菌侵扰，从而使文物千秋万代永不褪色。 2．6 开发润滑油和纳米燃油添加剂 据我国学者王九等报道，1994年，马国光利用纳米技术，将石墨分散于基础油中（粒径小于200nm），开发出“驰凯牌”超级润滑油添加剂。1991年，Urban应用纳米技术也开发了一种含SiO2（质量分数5%，粒径25nm）的SAE15w/40润滑油，这些润滑油用于石化工业，具有良好的抗高温性能。 北京大学博亚科技实业有限公司采用液相纳米技术，研制成具有纳米结构的富勒烯药物，现已合成数种水溶性富勒烯衍生物。其产品远销新加坡、日本、香港等地。 华北制药厂在片剂与粉剂药物中使用纳米材料后，不仅用药剂量减少，成本降低，而且药效大大提高。 上海四通纳米技术有限公司科研人员经过十几年的攻关，现研制成纳米硒药品，临床试验表明，该药品具有较强的抗氧化性和清除自由基的能力，且能大大提高生物体免疫指标和延缓生物衰老的功效。 最近，西安量维生物纳米科技有限公司开发出纳米级胶囊生产技术。该胶囊不仅可提高机体吸收率和生物利用度，还可将现有的复方中药改造成纳米级粉体，并可进一步加工成水工剂、片剂、贴剂等多种剂型，大大提高疗效、降低毒副作用。 3 纳米科技的发展趋势分析 我国政府对纳米材料和纳米技术的应用研究亦十分重视和支持，国家主席江泽民在7 月3日“2001年国际纳米材料高层论坛与技术应用研讨会”上指出，中国纳米材料的研究已具有很好的基础，国家给予了高度重视和支持，在我国刚刚制定的“十五”规划中，把新材料和纳米科技的进展作为科技进步和创新的重要任务。发展纳米材料与技术应用对发展我国高科技和国民经济建设具有战略性意义。 3．1 纳米材料的发展趋势 3．1．1 纳米材料和制备 （1） 纳米尺度。通过精确的控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻更强的材料，并具有寿命长、维修费用低等特点；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的生物材料和仿生材料；由于纳米技术能使物质的物理、化学性能发生根本的改变，如纳米陶瓷硬如钢铁，而纳米钢却能像橡胶那样富有弹性等。所以，纳米技术被认为是21世纪材料技术的发展方向。 （2） 航天和航空。这方面的研究主要包括：研制低能耗、抗辐射、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备；抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。 （3） 国家安全。通过纳米电子器件在信息控制中的应用，使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应；应用纳米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大大提高；通过纳米材料的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性有很大的提高，可用于舰船、潜艇和战斗机。 3．1．2 纳米技术的发展趋势 （1） 微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器（提高1000倍）；研制集成纳米传感器系统。 （2） 环境和能源。发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径1纳米的纳孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳能电池的能量转换效率。 （3） 医学。纳米粒子将使药物在人体内的传输更方便，将来用纳米结构“组装”一种寻找病毒的药物进入人体后，可对艾滋病、癌症、病毒性感冒等进行治疗；在人工器官外涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；研究与人工友好的人工组织、器官复明和复聪器件等。 （4） 生物。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。 3．2 纳米的市场前景展望 纳米技术现已逐步走向市场，据不完全统计，1999年，全世界纳米技术应用所产生的产值约500亿美元，2000年全球纳米技术创造的产值达3750亿美元，预计到2010年全世界纳米技术创造的年产值将达1。44万亿美元。 日本对纳米技术的发展趋势和市场前景进行了预测，到2005年，日本的纳米技术市场将达到8万亿日元，到2010年，将达到19万亿日元。他们认为，纳米技术是一项主要的基础技术，由此发展起来的纳米信息、纳米生物、纳米材料等将对未来世界产生不可估量的影响。美国科学预测，20年后，美国可望用单电子移动单电子纳米技术研制成速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 随着科技的发展，纳米科技将日益受到人们的重视，纳米的应用领域将不断拓展，将会产生革命性的变革。预计不久的将来，纳米科技将深入到各行各业乃至千家万户，并将成为今后二三十年科技发展的主导技术。