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南北高校各有优势
2011年，北京科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、苏州大学和南京理工大学五所高校开始招收纳米材料与技术专业本科生。五所大学中，北京科技大学、北京航空航天大学和大连理工大学三所北方高校在材料科学上属传统名校，而南方院校苏州大学和南京理工大学把纳米材料成果产业化，形成了自己的特点。
北方三所高校算是材料科学与工程领域传统名校，值得注意的是，它们却均未设置专门的纳米材料研究机构，更多的是依托原有的强势学科，在传统材料研究领域引入纳米科技，寻求突破。
北京科技大学
北京科技大学原名北京钢铁学院，曾被誉为“钢铁摇篮”，其材料科学研究侧重点是金属材料。除了材料学院这个重点学院外，从事材料科学研究的还有新金属国家重点实验室、高效轧制国家工程研究中心、国家材料服役安全科学中心等机构，侧重点也不局限于金属材料，在无机非金属、高分子、生物医药材料等方面亦有建树。
目前，北科大纳米材料课题组主要研究纳米材料制备与表征、纳米材料改性、功能纳米材料等方面。此外，亦有部分老师研究纳米加工、纳米组装、纳米器件等应用方向。
北京航空航天大学
与北科大不同，北航材料学院在北航不属于重点学院，规模较小，师资力量仅百来人，这决定了北航材料学院的研究方向不会太广。作为航天航空院校，北航材料学院也有自己的优势，正在筹建的航空科学与技术国家实验室（航空领域最高级别实验室），它的侧重点在金属材料、树脂基复合材料及失效分析、先进结构材料、新型功能材料等方面。
在纳米材料上，北航材料学院重点关注纳米器件和纳米涂层。材料学院的纳米材料研究发展趋势可能是纳米技术在航天航空领域的应用。
大连理工大学
大连理工大学的材料学院在金属材料、材料加工方面实力强，基于大连的地理位置，材料学院还开设了五年制金属材料工程日语强化班。不过，纳米材料与技术专业并非隶属于材料能源学部，而是化工与环境学部。因而，大连理工大学的纳米材料研究偏化工类，包括纳米粒子合成化学技术、无机纳米功能材料、纳米复合材料等方向。纳米材料与技术专业开设的专业课中，亦有化工原理、基础化学、材料化学等化工类课程。可以说，这是大连理工大学纳米材料与技术专业的一大特色。
与北方三所高校相比，苏州大学和南京理工大学纳米材料与技术专业的发展方向截然不同。两所南方高校均成立多个纳米材料研发机构，在研究方向上，两所高校侧重于纳米材料器件应用，尝试产业化。这些特点可能与江浙一带出现纳米高新技术企业有关。
苏州大学
苏州大学没有材料科学与工程学院，而是材料与化工学部，研究偏向化工，在无机非金属、高分子材料方面实力不错。纳米材料与技术专业并没有开设在材料与化工学部，而是2010年成立的纳米科学技术学院。除了纳米科学技术学院，苏州大学研究纳米材料的机构还有2008年成立的苏州大学功能纳米与软物质研究院、2011年成立的苏州大学-滑铁卢大学苏州纳米科技研究院。其中，以中科院院士李述汤教授领衔组建的功能纳米与软物质研究院已初具规模，它以功能纳米材料和软物质为研究对象，侧重于功能纳米材料与器件、有机光电材料与器件、纳米生物医学技术等，寻求在纳米器件以及新能源、环保、医用等领域的应用。
南京理工大学
南京理工大学由军工学院演变发展而来，其材料科学与工程学院的材料学研究侧重于金属材料及复合材料。不过，南理工是国内最早开展纳米材料与技术研究的大学之一，正筹建纳米结构研究中心，研究侧重点是与纳米结构材料相关的分析、材料力学、电化学性能评估等。由南理工化工系和南京部分企业共同支持的南京市高聚物纳米复合材料工程技术中心，研究侧重点是纳米材料制备、应用、纳米催化聚合反应、纳米复合材料，该中心已与江苏部分纳米企业开展纳米技术产业化合作。此外，南理工还共建了金属纳米材料与技术联合实验室。
其他高校纳米特色
上海交通大学
上海交通大学材料科学与工程学院在各类相关排名中居首，教职工200多人，研究侧重点包括金属材料、复合材料、塑性成形、轻合金精密成型等，在中国是材料科学与工程学子公认的梦想学府。其材料学院也涉及纳米材料，比如，复合材料研究所部分老师从事纳米复合材料研究，微电子材料与技术研究所从事纳米电子材料研究。此外，上海交通大学还成立了微纳科学技术研究院，研究方向为纳米生物医学、纳米电子学与器件。生物医药工程学院也开展纳米材料的可控合成与制备、纳米生物材料等方面的研究。
清华大学
与北京航空航天大学相似，清华大学材料科学与工程系是学校名气大于院系实力，每年有数百人争夺材料系不足30个研究生名额。材料系建有新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，研究侧重点以陶瓷材料为主，同时涉及磁性材料、复合材料、电极材料和核材料。在纳米材料方面，清华材料系主要研究纳米材料结构、纳米材料合成和微纳米颗粒等。2010年，清华大学成立了微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，主要研究微纳米器件、纳米复合材料在电能存储上应用和微纳米设备研发等。
北京大学
北大材料科学与工程系成立于2005年，教职工10余人，成立之初就把材料科学与纳米技术结合起来，欲在纳米材料与微纳器件方面有所突破。此外，北大成立了纳米化学研究中心，教职工7人直博生却达45人，主要研究领域包括低维新材料与纳米器件、纳米领域的基本物理化学问题。
西北工业大学
西工大是西部材料科学与工程实力最强的院校，其材料学院师资队伍近200人，有凝固技术国家重点实验室和超高温复合材料国防科技重点实验室。因此，其研究侧重点在凝固，复合材料和金属材料的实力亦不俗。在纳米材料方面，西工大成立了微/纳米系统研究中心，致力于航空航天微系统技术、微纳器件设计制造技术、微纳功能结构技术。总之，西工大的纳米材料研究可能集中于纳米器件在航天、航空、航海方面的应用。
留学两大国
纳米技术是交叉学科，包括纳米科技、物理、化学、数学、分子生物学等课程。报考纳米专业或方向的研究生在本科一般学的是材料学、材料物理与化学、凝聚态物理、物理化学等。就留学而言，由于纳米材料处于基础研究阶段，容易；各个国家在纳米材料方面投入大量资金，使得科研经费相对充足，相比于其他专业容易申请奖学金。这两点决定了留学攻读纳米技术专业研究生相对容易。
2000年，美国白宫国家纳米技术计划，美国的纳米技术得到飞速发展。总体上看，美国的纳米技术已经处在纳米技术实用化阶段，而其他各国仍处在纳米技术的基础研究阶段。美国各大高校也争相进入纳米材料各个研究领域——
实力强劲的麻省理工学院在太阳能存储、航空材料、燃料电池薄膜、封装材料耐磨织物和生物医疗设备领域的碳纳米管、聚合纳米复合材料等方面成果显著。
加州大学伯克利分校注重于纳米材料在能源、药物、环境等方面的应用，已卓有成效。
哈佛大学则侧重在生物纳米科技，即生物学、工程学与纳米科学的交叉领域。
康奈尔大学已经在纳米级电子机械设备、碳纳米管应用电池、纳米纤维等方面获得突破。
斯坦福大学重在纳米晶的光学性能、输运性能和生物应用，以及纳米传感器、纳米图形技术等。
普渡大学的纳米电子学、纳米光子学、计算纳米技术，尤其是计算纳米技术全球领先。
纽约州立大学奥尔巴尼分校专注于纳米工程、纳米生物科学，其纳米技术研究中心是全球该领域最先进的研究机构。
莱斯大学在纳米碳材料领域成果显著，在学校的研究人员中，纳米材料研究人员的比重约为四分之一，是美国纳米材料研究人员最多的大学之一。
此外，美国有很多研究纳米技术的实验室，它们比较愿意招中国大学生，这一点也值得注意。
日本算是最早开展纳米技术基础及应用研究的国家，早在1981年，日本政府就建立了纳米技术扶持计划。美国公布国家纳米技术计划前，曾派人去日本做调查。日本纳米技术的研发特点是企业界是主力军，它们试图将纳米技术融入到产业中。比如，日本企业纷纷斥巨资建纳米技术研究机构，同时建立纳米材料分厂实现产业化。此外，企业与大学、科研院所合作，开发纳米技术。比如，富士通和德国慕尼黑大学合作，三菱公司和日本京都大学合作。
与美国在纳米技术基础研究和生物工程技术领域领先不同，日本在精细元器件及材料的制造方面独占鳌头，日本对纳米材料研究的投入不断加大，也使得去日本读纳米专业是一个不错的选择。
Tips：何去何从
纳米材料专业毕业生有三大去处。选择留学深造或进高校、研究院从事研发；进入纳米材料行业企业；进入传统材料企业。
[关键词]纳米电子器件；纳米电子技术；纳米电子器件分类；纳米电子设备加工技术
中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0074-01
引言
根据摩尔定律，当价格恒定时，集成电路上的元器件数目，每经过18到24个月便会增加一倍，性能也会提升一倍。但是在未来的几十年内，在继续提高计算器的运算能力和存储能力等方面将面临严峻的挑战，这其中既有技术性的工艺限制，也有原理性的理论限制。主要有：（1）当电子器件的大小尺寸处于微米级别时，电子主要表现为粒子性，而当大小尺寸为纳米级别时，电子主要表现的却是波动性，此时的电子器件将在完全不同的原理下工作；（2）当器件尺寸减小到纳米级别时，该系统产生的热起伏将会限制电子器件的性能，致使其无法正常运行。
纳米电子技术和电子器件的出现及发展有望打破这种困局，同时也为微电子技术的发展提供了新的思路和转机。本文将阐述纳米电子技术和纳米电子器件的分类及指出在纳米电子领域中所面临的和亟待解决的问题。
1 纳米电子技术与纳米电子器件
纳米电子技术是指在纳米尺寸级别内构建纳米和电子器件，进而完成量子计算机和量子通信系统之间的信息计算及传导与处理的相关技术，纳米电子技术发展的核心是纳米电子器件。纳米电子技术正处于高速发展时期，其最终目标是为了利用最前沿的物理理论和工艺手段，打破原有的大小尺寸及技术极限，依照全新的设计理念制造纳米电子器件，构建电子系统，使得该系统的信息存储和处理能力走上新的台阶，实现革命性的突破。
纳米电子器件指使用纳米级别的加工和制造技术（如光刻工艺、外延、细微加工、自组装生长和分子合成技术等），设计并制备而成的具有纳米级别的尺度和某些特定性能的电子器件。当前人们通过纳米电子材料和纳米光刻技术，已设计出多种纳米电子器件，例如电子共振隧穿器件、金属基、单电子晶体管、半导体、单电子静电计存储器及逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、通过硅纳米晶体制造的存储器、聚合体电子器件、纳米硅微晶薄膜器件和纳米级浮栅存储器等
2 纳米电子器件的分类
国内外对纳米电子器件分类有着不同的看法。根据目前纳米电子技术的发展和对未来发展前景的估测，有一种看法将纳米电子器件从广义分成8类：（1）纳米CMOS混合电路，有纳米CMOS电路及半导体共振隧道效应混合电路，单电子纳米开关电路和纳米CMOS电路，还有碳纳米管电路和纳米CMOS电路，人造原子电路和纳米CMOS电路，DNA电路和纳米CMOS电路；（2）纳米存储器，例如隧道型静态随机存储器、单电子存储器、超高容量纳米存储器和单电子量子存储器等；（3）纳米集成电路，有纳米光电电路及纳米电子集成电路；（4）纳米传感器，例如量子级别的隧道传感器；（5）单分子器件，例如单电子开关、分子线、电化学分子电子器件、单原子点接触器件、量子效应分子电子器件等；（6）单电子器件，例如电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子泵、单电子箱、单电子陷阱、单电子泵和单电子结阵列等等；（7）量子效应器件，例如量子点器件、谐振隧道器件和量子干涉器件等等；（8）纳米级别的CMOS器件，例如异质结MOSFET、双极MOSFET、绝缘层上硅MOSFET、和低温MOSFET等等。以上分类中，纳米传感器、存储器、纳米集成电路、纳米级CMOS器件和纳米CMOS混合型电路等均作为一种完全独立的器件类型。但是否应该将这些纳米级别的CMOS器件、传感器或者纳米集成电路纳入纳米器件的范畴，当前还未有定论。
3 纳米结构制备和加工技术
无论是研究纳米电子技术，还是制作纳米电子器件都是非常复杂的。本文仅对纳米电子器件的制备进行简单的探索，提供一些思路和建议。
3.1 光刻技术
电子束光刻、光学光刻与离子束光刻统称为三束光刻技术，机理是通过曝光掩模、刻线等物理化学工艺将设计的器件图形结构传递到介质或单晶表面上，形成功能图形的加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断缩减，电子束光、刻光学光刻与离子束光刻等技术已在纳米CMOS器件、纳米CMOS混合集成电路、纳米集成电路等加工领域去的较好应用效果，并逐渐在纳米电子器件加工方面获得了应用。
3.2 外延技术
原子层外延、分子束外延金属、有机化学汽相淀积与化学束外延技术统称为外延技术，是一种在基体上生长纳米薄膜的纳米制造技术，可用于纳米集成电路上的硅基半导体材料和纳米半导体结构，均用于器件的加工与制备。
3.3 分子自组装合成技术
自组装是依靠分子间非共价键力自发将无序状态结合成稳定的聚集体的过程，可以发生在不同的尺度上。自从80年代有人提出分子器件的概念至今，人们已从当年的LB技术发展到了如今的分子自组装技术，同时从双液态隔膜技术发展到了SBLM技术，现已在加工具有特定功能的分子聚集体、分子组装有序分子薄膜等方面取得了丰硕的成果。目前，国际上已开始研究超分子自组装合成技术。
3.4 SPM技术
自从1982年第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微观纳米世界的认识翻开了新的一页。现今的扫描探针显微镜（SPM）的横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm，不仅可以进行观测高分辨率的三维成像，还可对材料表面结构的不同性质进行研究。因此，这已不仅是一种简单的微观测量和分析的工具，更是一种非常重要的微观操纵与加工工具。
3.5 特种超微细加工技术
还有另外一些特殊的超微细加工技术，可用于制备和加工纳米电子器件：包括纳米碳管构建FET；通过机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；以介孔材料、纳米碳管、DNA分子为模板，电火花加工、制备量子线、电化学加工及超精密复合加工、电解射流加工等技术等。
4 展望
纳米技术目前的发展现状是非常可观的，具有一定的社会意义。其作为一项具有应用性、高性能和巨大潜力的科技成果，在一定程度上对人们的生活起到重要的作用。纳米电子技术是以许多现代自然科学技术为基础的科学，研究涉及混沌物理、量子力学、基础化学、分子生物学等现代科学和计算机技术、核分析技术、扫描隧道显微镜技术和微电子等多种现代技术，并与机械学、生物学、认知科学等学科相互融合，这种融合发展必然会引发各行业各领域的科学技术发展，对于人类而言，不仅可以改善生存环境，提高生活水平，并且还将从根本上造福全人类。
参考文献：
[1] 王敏，简述纳米电子器件与纳米电子技术研究分析，中国科技投资，2013（36）：P221.
[2] 肖蓉，纳米技术在电子器件上的应用与发展，建筑遗产，2013（7）.
据苏州日报，日前，国家知识产权局《关于确定国家专利导航产业发展实验区的通知》，苏州工业园区等8家部级开发区成功获批国家知识产权局首批专利导航产业发展实验区。园区是江苏省唯一获此殊荣的开发区。据悉，园区实验区建设将以纳米技术应用为主导，探索专利运用导航产业高端发展的新模式。
此次实验区项目是国家知识产权局实施区域知识产权发展战略，着力推进专利与产业发展相结合，优化整合专利资源，提升专利运用能力，建设与区域资源相适应、专利引领并推动发展的产业集聚区，从而提升产业创新驱动发展能力和国际竞争能力的重要举措之一。
近年来，园区确立了以纳米技术引领全区新兴产业发展的战略决策，将纳米技术创新与产业化发展列为园区的“一号工程”，将纳米技术产业列为园区的“一号产业”。园区围绕纳米技术产业，已集聚了以中科院苏州纳米所为代表的近20家纳米技术创新研发机构和以中科大苏州纳米学院、苏州大学纳米学院等为代表的24家国内外著名高等院校或其研究教学机构，已基本建成近200万平米的苏州纳米城、苏州纳米技术国家大学科技园等纳米技术高科技产业园，已集聚纳米技术企业近200家，2012年纳米技术相关产业产值90亿元，年增长超过50%。园区先后被授予“国家纳米技术国际创新园、苏州纳米技术国家大学科技园、部级纳米科技企业孵化器、苏州国家纳米高新技术产业化基地、国家纳米技术产业化标准化示范区、国家微纳加工与制造产业技术创新战略联盟、国家科教结合苏州纳米技术产业创新基地”等七大部级纳米技术创新基地的牌子，并纳入国家纳米技术创新与产业发展体系，奠定了园区纳米技术产业的国内优势地位。
根据《苏州工业园区创建国家专利导航纳米技术应用产业发展实验区建设方案》，园区将利用5年的时间，初步掌握纳米技术应用产业知识产权发展规律；实现专利与纳米技术应用产业的有机融合，专利运用能力大幅提升，构建完成与纳米技术应用产业规划协调发展的知识产权运营体系，基本实现纳米技术应用产业知识产权管理的科学化、规范化和知识产权服务的高效化、流程化、标准化，形成纳米技术应用产业优势明显、特色突出、专利集聚、布局合理、专利和纳米技术应用产业发展紧密结合的示范区，基本建成国家专利导航纳米技术应用产业发展实验区。
关键词 纳米科技;纳米地球化学;纳米矿物学;纳米矿床学
中图分类号TB383 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0083-02
1 概述
纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]
1.1 基本概念
纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。
1.2 纳米科技的发展历史
纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。
1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;
2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];
(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。
1.3 纳米固体的基本特征
纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :
1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;
表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;
3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;
4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。
表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。
2 纳米科学研究的分析手段
具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。
1)扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。
2)高分辩透射电镜(HRTEM)
高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。
3)原子力显微镜(AFM)
以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)
能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。
3 纳米科技理论在地学上的应用
纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。
3.1纳米地球化学
纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。
3.2 纳米矿床学
相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。
3.3 纳米矿物学
目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。
所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:
1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;
2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;
3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;
4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。
目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。
4 结论
纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。
参考文献
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本文作者：王国豫冯烨作者单位：大连理工大学
纳米技术可能引起的主要伦理问题
1．健康和安全问题。纳米技术对健康和安全的影响，是纳米伦理面对的首要问题。由于纳米粒子极其微小，可以说无孔不入，所以也很容易进入人体，有可能成为许多重大疾病如肺部疾病和心血管疾病的诱因，给人类健康和安全带来严重的损害。研究表明，吸入的纳米颗粒可能避开免疫系统的吞噬作用，蓄积在某些靶器官，也可跨越不同生物屏障，重新转运分布到身体的其他组织器官，产生系统的健康效应［10］。而且，环境中的纳米颗粒由于具有较大的表面积而极易吸附大气中的有毒污染物，如多环芳烃等，被纳米颗粒吸附的有毒污染物可进一步对人和其他生物体产生毒性效应，还可能波及整个生物圈。纳米粒子对健康和环境的潜在风险涉及安全伦理和环境伦理的问题。安全不仅是一个科学的概念，安全更是伦理学必须考量的最基本的要素，因为安全既是人的基本需求也是人的基本权利。离开了安全，人的其他权利和自由、尊严等也将无从谈起;而且，保障研究人员和工人在工作场所的生命和健康安全，也是国家和企业的基本责任。
2．平等与公正问题。首先，纳米技术的潜在利益和风险使得其风险与利益的分配，也面临着社会公平与公正的伦理问题。纳米技术可能为技术发明家、企业家带来丰厚的利益，但也可能为研究者、受试者、生产者甚至消费者带来直接的和间接的健康风险，为公众带来环境风险。面对个体利益与公众利益、企业利益与社会利益、眼前利益与长远利益的冲突，应该优先考虑谁的利益?承担高风险的人是否应得到较高的回报?“如何分配科学技术的发展带来的好处、风险和代价，就成为了我们时代所必须面对的一个重要问题”［11］。其次，纳米技术的应用也可能加剧原有的社会不平等、不公正现象。众所周知，“信息高速公路”的出现导致了迅速扩大的信息资源和知识资源分布严重不均的“数字鸿沟”问题，并且加剧了原有的经济不平等、机会不平等和社会不平等问题，成为当今社会问题的一个重要根源。纳米技术的发展也可能产生类似数字鸿沟的“纳米鸿沟”问题。比如，纳米技术在医学上的应用，使得疾病的预防、早期诊断和治疗成为可能。研究表明，在不久的将来，用基因芯片、蛋白质芯片组装成的纳米机器人，有可能通过血管进入人体以诊断疾病、携带DNA去更换或修复有缺陷的基因片段，也可以将携带纳米药物的芯片送入人体内，在外部加以导向，使药物集中到患处，更理想地提高药物疗效［12］。但是，这些技术在其发展的初期阶段，往往比较昂贵，大部分人可能只好望而却步，仅能被少数人使用。如何使社会中的大多数成员公正地享受到纳米技术的成果并避免可能受到的损害，是纳米技术发展过程中必须面对的重要伦理问题。第三，纳米技术还有可能带来代内与代际、穷国与富国之间的平等与公正问题，尤其是可能使发达国家与发展中国家之间的差距加大。能够支付纳米技术研究与发展巨额费用的国家，可能优先发现和利用纳米技术的研究成果，在国际舞台上便优先掌握了“话语权”。当然，也不能排除发达国家将有污染的、甚至有毒的纳米研究项目转移到发展中国家的可能。诸如此类的问题会使国际间的不平等恶化。此外，还存在为了当代利益发展纳米技术而提前利用了过多的自然资源或给后代造成众多污染等代际不公正现象。
3．自主与尊严问题。人是有理性的存在物。理性之人的尊严来自于它的自主性，能够按照自己的意志作出决定。“大自然中的无理性者，它们不依靠人的意志而独立存在，所以它们至多具有作为工具或手段的价值，因此我们称之为‘物’。反之，有理性者，被称为‘人’，这是因为人在本性上就是目的自身而存在，不能把他只当做‘物’看待。人是一个可尊敬的对象，这就表明我们不能随便对待他。”［13］联合国教科文组织在《世界生物伦理与人权宣言》中强调，科学技术的研究和发展需要遵循本宣言所阐述的伦理原则，要尊重人的尊严。这包括自尊、享受别人尊重和尊重他人三个方面。在纳米技术的研究与应用中，许多方面涉及人的自主与尊严问题。例如，纳米技术与认知科学相互渗透与融合，可以揭示人脑的工作机制，利用纳米药物可以增强人的认知能力或治疗某些脑神经与认知方面的缺陷。但是，如果利用这些研究成果控制人的思维、干扰人的决定，则侵犯了人的自、漠视人的尊严。再者，如果将能够随时获取他人信息的纳米电子芯片等极微小的纳米器件，毫不被人察觉地嵌入他人衣服或皮肤里，则不仅窃取了他人的隐私，更贬损了他人的尊严。又如，纳米基因工程不仅能够治疗遗传病，而且能够改变生殖细胞基因以达到治疗或增强后代的目的。但是，不论父母的主观意愿是否善良，这种行为确实忽视了子女的自主与尊严。而诸如赛博格(Cyborg)、生命产品(Biofact)等技术的进一步发展将模糊人与机器、生命体与人工产品之间的界限，使得我们关于人与自然的基本概念发生动摇，什么是人、什么是自然等问题将变得不再是不言而喻的了。
纳米伦理的特征与评估
纳米技术的中介性和不确定性特征不仅使纳米技术可能引起一系列的伦理问题，而且也使得这些伦理问题展现出共同的伦理特征:可能性、整合性和前瞻性。这使得即时性、跨学科性、预警性评估成为应对纳米伦理的关键。
1．可能性特征与即时评估。纳米技术可能引起的伦理问题包括两个部分，其中有些是现实的，比如纳米粒子对安全和健康造成的影响;有些还是潜在的、未来的甚至含有推测性特征，比如有关纳米机器人的自我复制问题，但这绝不等于说这种推测完全是无中生有。纳米伦理不仅关注现实的纳米伦理问题，也关注未来的和潜在的伦理问题，目的是在纳米技术研究和开发的初期就参与到纳米技术的构建中。事实上，技术的发展并不是由技术本身或者技术专家们所能决定的。如果有怎样的技术就会有怎样的未来，那么，我们就有权利选择技术、选择和构建未来。因此，纳米伦理必须关注可能性。在这个意义上，可能性成为纳米伦理的一个重要特征。鉴于纳米技术发展的可能性、阶段性和动态性特征，对纳米技术应该采取即时评估的研究方法，以适时地、动态地评估纳米技术研究发展与应用各个阶段可能出现的伦理问题。在目前纳米技术的开发时期，首先应该关注的是实验室和工作场所的安全伦理问题，包括工人对所从事的纳米技术风险的知情权问题，建立健全工人的健康保险制度的问题，以及工作场所的通风、检测和预警机制等制度问题。其次，在纳米药物和利用纳米技术进行的检测中，即时评估纳米粒子在人体的生物学效应和对人体整体的影响，以确保纳米用药和检测的安全。
2．整合性特征与跨学科评估。纳米是关于尺度的概念。在纳米尺度上，物质的物理性质、化学性质和生物性质已经交融在一起，在纳米尺度上对物质的研究，应该是跨学科的研究。今天，在自然科学领域，人们已经开始从化学、物理学、力学、生物学、药物学、毒理学等不同的学科方向来研究纳米材料。纳米技术和信息技术、生物技术和认知技术一起被称之为“汇聚技术”，这正是着眼于它们之间的整合与相互关联。而且，关于纳米伦理的研究视阈也扩大到ELSI(即纳米技术的伦理、法律和社会问题)，纳米伦理在某种意义上是一个统称。这是因为，一方面，纳米技术的伦理问题和法律、社会问题已经事实上交织在一起;另一方面，纳米伦理问题的解决也不能离开法律，不能离开社会。传统的学科分类是为了更深入地认识世界，学科的分离更多地是学科语境化的分离即观察视角和研究方法的分离。而在纳米层次上，我们涉及的是一些更根本的、基础性的问题，比如说什么是生命、什么是自然的问题。在纳米层次上，生命与非生命的界限已经不再清晰，自然与人工的界限已经消失。因此，它需要我们扬弃学科的分离，通过跨学科的研究，从整体上探讨纳米技术对我们的生活世界的影响。纳米伦理不仅需要纳米科学家和技术专家的参与，也需要社会科学家和伦理学家包括技术伦理、经济伦理和环境伦理、政治伦理研究者的共同参与，以及广大公众的共同关注和携手应对。因为我们所面对的不是一般的技术，而是有可能改变我们的社会和世界、改变我们的思维方式的全新的技术。这绝不是基于一个学科、一个国家的能力所能解决的。纳米伦理研究就是要揭示纳米技术与社会、与人的内在联系，从生活世界的整体意义和目的评价纳米技术。
3．前瞻性特征与预警性评估。前瞻性表示在事件出现之前就对其进行预测和评估，以期制定相应的预警方案，一旦发现问题，及早采取应对措施。纳米伦理关注纳米技术研究发展与应用过程中可能出现的伦理问题，包括现实的和未来可能的伦理问题。因此，前瞻性是纳米伦理的又一重要特征。纳米伦理的前瞻性特征要求彻底改变过去那种“先污染后治理”的老路子，即在研究发展和应用纳米技术的同时就对其进行相应的伦理反思和政策管理，以防患于未然。这需要根据纳米技术的特征和现有的技术发展环境，预测其可能的发展方向和条件，评估纳米技术在将来的研究、发展和应用过程中可能出现的正负两方面的伦理与社会影响，并积极采取有效的预防措施，以最大限度地避免不良后果的产生，既节约资源又促进纳米技术的持续发展。
当今世界，纳米科技已渗透到人们生活的诸多方面，建筑，IT、医药，电器，塑料、陶瓷等领域到处可见纳米科技的身影。专家指出，纳米技术还将在环保，微电子器械，能源的合理使用等方面起着越来越巨大的作用。
说到我国纳米科技的发展历程，一定要提到张立德。
张立德，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所学位委员会主任，资深研究员，1996年6月至2005年1月间，先后担任国家攀登计划预选项目“纳米材料科学”和国家g73项目“纳米材料和纳米结构”首席科学家。
叩开纳米科技的神秘之门
在阿拉伯的神话故事中，有个藏满宝藏的山洞，阿里巴巴只要念动“芝麻开门”的咒语，洞门便应声而开。在当今时代，纳米科技领域就是一个既现实又神秘的藏宝所在。不过，打开这个宝藏之门靠的不是什么咒语，而是全凭刻苦的科学实践。张立德等一批科学家，就是通过多年刻苦的科学实践，叩开了我国纳米科技的神秘之门。
1987年，张立德率先在国内开展纳米材料研究。二十多年来，他带领他的团队围绕国际上共同关注的纳米科技领域的关键问题，进行了深入系统的研究，取得了在国内外颇有影响的成果。
在纳米材料可控合成的原理和生长规律的研究方面，他们获得了重要发现，取得了创新性成果，为此获得了2008年美国汤姆森路透集团首次在中国颁发的“科学前沿卓越研究奖”。张立德在单晶纳米线有序阵列制备的原理和方法的研究上所取得的成果，同样受到了国际上的关注。2006年，世界科学出版社邀请他撰写一部英文专著《ControlIedGrowth of NanomateriaIs》。《JournalOf Nanoscience and Nanotechnology(JNN)》主编来函说：“基于您在这一领域做的开拓性工作邀请您撰写综述论文。”张立德在文中系统总结了半导体纳米线有序阵列制备科学和技术取得的最新进展，全文五十多页，于2008年1月在该杂志的Special Issue上发表。他的异质纳米结构的构筑和性能优化研究工作更被包括诺贝尔奖获得者在内的近千名作者引用了几千次，并获得了国家自然科学二等奖，安徽省自然科学一等奖，还获得发明专利十多项。
领跑国内纳米技术产业化
20世纪90年代中期，张立德清醒地认识到纳米材料只有在应用中才能充分体现其价值，纳米材料制备技术由实验室转移到企业势在必行。他分析了技术转移工程中的3个瓶颈问题：一是降低纳米材料成本，二是发展规模生产纳米材料的分散技术，凸显纳米效应：三是发展纳米材料应用技术，促进产品的性能升级。1995年，他率先在报刊上撰文呼吁加速纳米材料产业化进程，指出纳米材料产业潜藏商机。与此同时，他在中国科学院固体物理研究所创建了纳米材料应用研发中心，结合企业的需求，着手解决纳米材料技术领域的3个关键问题，在纳米粉体制备技术方面获得了十多项发明专利，并与企业家合作，使4项发明专利成功地实施了技术转移，实现了规模化生产。
张立德极力推动纳米技术产业化。3年中，他走访了31个企业，参加了二十多次专业技术座谈会，启发企业家以创新的思路运用和发展纳米实用化技术。
张立德为我国的纳米科技事业作出了突出贡献，正如他当选“2008安徽十大新闻人物”时获得的评语所述：20年来，他在神奇的纳米世界辛勤耕耘，发展了十多种制备纳米粉体材料和纳米结构的技术，攻克了多项纳米技术工程化的关键技术，共获授权发明专利18项。他的研究成果先后获得国家自然科学二等奖，安徽省自然科学一等奖等重要奖项。他先后荣获首届科学前沿中国卓越研究奖、美国汤姆森2007年科学前沿卓越奖，并再次当选“科学中国人2007年度人物”。
作为一种几何尺度的量度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米，大约是三四个原子的宽度。人们在研究物质构成的过程中发现，在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性并通过物理或化学方法制造出具有特定功能产品的科学技术，就称之为纳米技术。一般来说，纳米技术所制造物体的体积不超过数百个纳米，其宽度相当于几十个原子聚集在一起的宽度。由此可见，纳米技术是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系、学科之间交叉性很强的新型综合科学技术。
在现代科学技术快速发展的今天，纳米科技成果已经在现代科技的多个学科领域得以广泛渗透和发展，其中就包括与人们日常生活密切相关的日用化学工业领域。我们知道，化妆品作为一种特殊日用化工产品，由各种原料或添加剂经过合理配方加工而成。因此，化妆品学也通常被认为是一门交叉性很强的综合学科，其主要涉及物理、化学、生物、生理、化工工艺、化工工程机械、医药卫生、材料等多种学科。因此，在化妆品产品的研发和生产过程中，将纳米技术科研成果转化并应用到新的化妆品产品中，能从根本上大大提高化妆品的性能、科技含量及市场竞争力。正因为如此，纳米技术有望在未来的化妆品产业中得到广泛的应用。
一、纳米科技与化妆品纳米化
1. 纳米科技与纳米级功能材料
目前，纳米科学的研究主要集中在纳米材料领域，取得的成果也多在此。因此，作为纳米科技的基石，纳米材料和纳米结构是当今新兴材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近转化为应用的重要组成部分。
在过去的十几年里，广大科技工作者在纳米材料的制备、性质、表征乃至应用方面进行了系统和规范性研究，尤其在功能材料方面做了大量的基础研究工作。所谓功能材料主要是指基于物质的光、电、磁等功能开发的材料。研究发现，纳米级功能材料主要可产生小尺寸效应、量子化尺寸、宏观量子隧道效应以及表面效应。这些功能都是与物质的电子层结构和能级密切相关的。当物质的粒径下降至纳米级时，由于此时物质的粒径与电子的德布罗意波长接近，因此量子化效应、小尺寸效应等对物质的能级和电子跃迁的影响骤然增加，从而影响了材料性能。
2. 纳米材料与化妆品纳米化
一般认为，化妆品对皮肤的清洁、护肤、营养和保护作用主要取决于通过渗透或吸收进入皮肤中的各种功效成分，而传统工艺所生产的各种活性成分却往往难以充分发挥作用。我们知道，化妆品的各种性能及质量除了与配方、生产设备和工艺密切相关外，关键取决于化妆品中功效成分的粒子大小。功效成分的粒子越小，就越容易透过皮肤角质层而到达皮肤深层，起到应有的护肤和疗肤效果，反之，即便是很好的配方也不能对皮肤产生应有的护理和保养作用。基于此，化妆品的研制者一直致力于化妆品功效添加剂粒子细小化的工作，这一点与纳米技术点的发展是不谋而合。结合纳米生物学、纳米材料学等学科优势将各种化妆品材料／原料纳米化的技术，即为化妆品纳米化技术。利用纳米化技术可使各种纳米级化妆品功效成分颗粒能够顺利渗透到皮肤深层，并通过其产生的表面效应和尺寸效应最大限度地发挥护肤、疗肤效果。目前，对纳米化妆品的研制，第一步是要突破微米级（100～300nm），第二步就是进入国际上所公认的纳米尺度(1～100nm)范围内。
化妆品功效成分纳米化后，对人体皮肤所产生的两个主要效应为表面效应和尺寸效应。（1）表面效应：众所周知，球形粒子的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比，随着粒子直径变小，比表面积将会增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加；同时由于处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同而使得表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性和反应特性，晶体微粒化使这种活性表面原子增多，其表面能大大增加，这样就使得化妆品中功效成分的粒子能充分发挥其功效。如：能够充分抑制酪氨酸酶的活性，分解和阻断黑色素的形成和上浮的通过，达到使人体肌肤白皙的目的；能够充分与病原体接触，达到抑菌和杀菌的作用效果；能够充分散射和吸收紫外线，达到防晒的目的。（2）尺寸效应：人体皮肤随年龄的增长及环境条件的不同而有不同程度的变化，如：真皮中的胶原蛋白减少、分子变硬，致使皮肤逐渐失去弹性和韧性，出现皱纹，皮肤抵抗力、免疫力和排除废物的能力下降，从而出现和加深了各种色素斑点等。因此要在化妆品中加入一些功效成分，对皮肤的生理结构、细胞组成成分及新陈代谢进行修复、保养和调整，使皮肤焕发出青春活力。皮肤的渗透和吸收作用与物质粒子的大小密切相关。随着化妆品功效成分纳米化程度的提高，皮肤组织对功效成分的渗透和吸收就会变得更加快捷和深入，从而能够对深层皮肤起到深层清洁护理、抑菌杀菌、促进细胞新陈代谢、补充营养和水分等作用，达到增强肌肤弹性和表面张力的目的，并使人体肌肤最终能得到更加完美的呵护和保养，更加健康美丽。
二、纳米技术在化妆品中的应用
1. 在化妆品添加剂经皮给药中的应用
化妆品纳米化技术的一个方向是发展化妆品原料纳米微粒技术，即将功效成分包裹在直径纳米尺度的微粒中。载药纳米微粒作为纳米技术与现代药学结合的产物之一，具有许多作用：容易被组织或细胞吸收，恒速缓释功效成分并确保功效成分在较长时间维持在有效浓度内，以及增加有效成分稳定性，减少特殊添加剂对皮肤的刺激等，因此，载药纳米微粒已成为化妆品活性成分的理想载体和新剂型，在化妆品添加剂经皮给药及控释和缓释方面初显奇效。纳米微粒主要包括纳米微胶囊和纳米微球。微胶囊是指用聚合物薄膜将微量固体、液体或气体物质包裹制成微小囊状物，厚壁仅为10nm。微胶囊可有效防止各种有效成分间的相互干扰，控制添加剂的释放速度。纳米微球为一种多孔的微粒载体，直径为纳米级。纳米微球由于多孔而使球体表面积增加，从而具有更强的吸附能力，可运载更多的有效成分，同时也具有缓释和定向释放的效应。目前，应用上述两种新型载体的多种化妆品已在国外成功上市，市场前景已被业内人士看好。
2. 在化妆品乳化技术中的应用
乳化技术是膏霜和乳液类化妆品制备的重要技术。传统乳化工艺制备的化妆品膏体其内部结构一般为胶团状或胶束状，直径通常为微米级，对皮肤渗透能力很弱，不易通过表皮和皮肤附属腺体两条主要途径被皮肤所吸收。通过纳米乳化技术所制备的化妆品，其膏体微粒直径可达到纳米级。这种化妆品在皮肤各层的渗透性可以明显增加，而皮肤的选择性吸收物质的利用率随之大为提高。目前，市场上销售的此类护肤品在美白、抗衰老等功效方面效果更好。另外，由于此类护肤品不含或少含表面活性剂，因此，尤其适用于敏感皮肤消费者。
3. 在防晒产品中的应用
防晒化妆品中防晒剂的选择对防晒产品功能具有决定性作用，是防晒化妆品配方的核心所在。目前，国内传统防晒产品中，常用的防晒剂主要为化学防晒剂（有机防晒剂）和物理防晒剂（无机防晒剂），其中以化学防晒剂为多。化学防晒剂品种多，效果好，但光稳定性相对较差；物理防晒剂光稳定性好，但使用时含量不宜过高。因此，在最大限度地追求防晒剂的安全性、高效、广谱和降低成本方面，对无机材料防晒剂的研究和开发以及多种防晒剂复合使用的研究一直是该领域的研究热点。最近几年，应用纳米技术开发生产的多种无机防晒剂在化妆品中的应用已经初显良好的应用前景。纳米无机材料在防晒化妆品中应用，可有效解决化学防晒剂的缺点，提高物理防晒剂的防晒效果。目前，这些防晒剂中研究和应用最多的是纳米TiO2，其次为纳米ZnO和SiOx。其他一些金属氧化物的纳米粒子如Fe2O3,Cr2O3，尽管也具有紫外吸收性质，但是由于毒性或过深的颜色，限制了他们在化妆品中的使用。纳米TiO2作为紫外吸收剂有其独特的长处。首先，纳米TiO2在UVA和UVB波段都表现出吸收，是广谱紫外吸收剂。其次，除了能够吸收紫外线，它还可以在一定程度上散射紫外线,这是传统的有机紫外吸收剂所不具备的特点。纳米ZnO也具有类似特点，但吸收峰主要在UVA波段。在美国，FDA已经批准TiO2和ZnO为化妆品的原料，而日本甚至要求防晒化妆品中必须加入纳米TiO2。目前，国内外以纳米TiO2和纳米ZnO为原料的防晒化妆品已经面市。
4. 在天然药物化妆品中的应用
近年来，随着人们对回归自然需求的增加，天然药物化妆品以其独特的功效和副作用少而在市场上倍受青睐。然而，大多数中药添加剂有效成分存在分子量大和溶解度差所导致的吸收差利用率低等问题。为了提高药物的吸收率，利用纳米技术直接将难溶解的中草药纳米化,制备成化妆品添加剂，可有效增加中药添加剂有效成分溶解速率和接触面积，可使皮肤对天然药物成分的吸收更加顺利，从而使天然药物药效得以充分发挥。
“纳米中药”是我国科研工作者首先提出的研究方向。徐辉碧教授等人在对雄黄进行纳米化处理后，发现其对肿瘤细胞S180和上皮细胞ECV-304的细胞毒性和细胞凋亡作用呈现明显的尺寸效应。纳米石决明在对血清微量元素的药效上也表现出类似作用。这些研究充分体现了中药的纳米化对其效果提高的影响。采用纳米化的人参、灵芝、黄芪等代替相应提取物，在很大程度上提高了药物的吸收率和利用率，同时在一定意义上达到了延长药效的效果。因为纳米化的中药吸收很快，但是释放却不像提取物那样迅速，是相对缓慢的释放过程。这对功能性化妆品具有重要意义。如人参、芦荟、灵芝和黄芪等经纳米化后添加到化妆品中，其产品功效可明显提高。因此，中药添加剂有效成分纳米化技术在天然药物化妆品中的应用具有非常重要的意义。
5. 在化妆品包装材料中的应用
纳米化材料可广泛应用于化妆品包装材料中，其中应用最为广泛的是纳米塑料。纳米塑料的特点是具有耐高温、耐磨、外观好（透明度和光泽度）、重量轻，而且质地坚硬等良好的物理性状；同时，纳米塑料还有耐化学腐蚀、耐老化、不生锈和无毒等特点；此外，纳米塑料还有物理祛臭和抗菌作用。因此，纳米塑料在化妆品行业中将会有广阔的应用前景。
三、展望
近代和现代，我国在科技出版方面与科技发达国家存在较大的差距，许多科技领域的第一本系统性著作和有重要影响的著作大多来自欧美国家。而进入当代，我国科技水平有了很大发展，尤其是在新兴科技前沿领域，出现了与科技发达国家同步发展的良好机遇。
纳米科技即是这样一个具有代表性的新兴领域，笔者尝试以纳米科技为例，结合编辑实务和工作体会，简略谈一谈新兴前沿科技类重大图书项目的策划与出版工作，以期抛砖引玉。
作为国内重要科技出版机构之一，科学出版社很早便关注着纳米科技出版工作，陆续出版了诸如《纳米材料和纳米结构》等具影响力的图书单品。2006年，“纳米科学与技术”正式启动，丛书汇聚了该领域众多杰出专家学者，开始系统地推进这一领域专著的编撰出版工作……特别是在2010年，“纳米科学与技术”列入2010年度国家出版基金项目，在有关部门的指导和帮助下，经编委会和项目组成员的共同努力，共出版纳米科学技术著作近百部，成果丰硕，涌现了一大批重要前沿领域的代表性作品。
我们有幸亲历了十余年的纳米科技出版工作，尤其是基金项目的组织和实施。回顾这一重点出版工程自创意至完成的点点滴滴，收获很多。深感高层次、高质量、高水平的科技出版项目与以下因素密不可分。
1.高层次科技出版项目来源于并进一步服务于国家科技战略
高层次科技出版项目主要是依托国家科技发展战略，来源于一定时期内进行研究或攻关的重要科研项目和重大工程项目，及时总结这些项目所积累的经验和所取得的关键性突破，撰写成书，可以反映国家在科技领域最前沿取得的重要进展，进而服务于国家科技战略，促进科研成果的推广和转化，加速科学技术进步，推动经济建设和社会发展。
以“纳米技术”为例，它被公认为当今世界高新技术的三大支柱之一，美国、日本、欧盟等发达国家和地区都把纳米科技列为未来10-15年的研发重点，并投入巨资抢占战略制高点。
我国作为参与推动纳米科技全球性发展的主要国家之一，一直高度重视纳米科技研发工作，且在国家层面制定相关科技发展规划对我国纳米科技进行了总体布局。相应地，为加强我国纳米研究，加快在纳米研究领域取得更多原创性的成果，实现重点突破，解决国家战略需求中的一些关键性、基础性的问题，国家科技部特别加大了纳米科技方面的投入，设立“纳米研究”国家重大科学研究计划。此外，国家自然科学基金委、中国科学院、教育部等国家机构也为我国纳米科技研究提供了政策和资金的支持。
在这样一个科研大背景下，最近十年我国纳米材料与科技研究取得了突飞猛进的发展，纳米科研人才队伍快速成长、规模不断壮大，基础研究和应用研究取得了一大批创新性和有价值的科研成果。这就为科技成果的传播提供了优质的作者资源和内容基础。
而相关科技著作的出版，则从传播的角度，在国家科学技术发展战略的总体布局下，能够充分展示我国最优秀的科技成果产出，为我国优秀的学者们展示自己的学术思想以及对纳米科学技术这个领域的充分把握和高度概括的能力提供平台，促进纳米科学技术理论体系的不断完善，从而增强我国纳米科技工作者在国际上的话语权和影响力。
基于纳米科技研究与开发的重大项目“纳米科学与技术”，其出版宗旨恰是为国家在新兴前沿科学，特别是纳米科技领域的战略发展服务。丛书有望在传播科技文明、促进学科发展、普及科技知识、增进对外交流、服务专业教育等方面发挥积极作用。
2.高水平科技出版项目离不开编委会的学术指导
强有力的编委会是高水平科技出版项目的关键一环，通常需要具有学术权威性和广泛代表性。主编和编委会在作者推荐、选题遴选、稿件审读等方面的作用对于前沿科技出版项目至关重要。我社在确立组织出版“纳米科学与技术”项目后，即约请到中国纳米科学技术界代表性人物白春礼院士担任主编。在主编以及国家纳米科学中心的支持下，根据地域与学科，组建起了由白春礼、侯建国、朱道本等三十余位著名科学家组成的编委会，编委会具有很强的学术权威性，对项目的出版提出了很多指导性和建设性的建议和意见，在选题的设计及作者的确定与约请方面，给予了很大支持。
纳米科学与技术涉及多学科交叉，包括化学、物理、材料、生物、医学、电子、机械等学科。编委会在协调各自领域专家过程中，发挥了很好的组织与协调作用。
在实际组稿过程中，很多两院院士、重大项目首席科学家和国家杰出青年科学基金获得者等知名科学家在编委会的号召和带动下，积极参与到“纳米科学与技术”的出版中并贡献自己的学术著作。数百位专家学者精心撰稿，确保了出版项目的高水平、高质量。
3.高质量科技出版项目的实现需要有力的组织保障
对于已经列选或者有明确出版意向的重点图书选题，需要从出版社层面给予组织保障。首先，为保证项目的高质量出版，可成立由社领导牵头的领导小组，负责统筹指导;并下设项目工作组，由出版社总编部、专业学科编辑和校对人员、出版人员等共同组成，负责具体工作。通过协调和调动社内资源（如校对、质检）确保按预期顺利出版。其次，考虑到大型出版项目编撰不易、校勘繁复、出版周期长等困难，出版社宜在人员和资金上给予一定的支持。
4.合理的把关机制确保项目选题质量
对于前沿性和交叉性较强的学科领域，为了科学、严谨地落实选题评价工作，需要由编委会对图书选题从专业的角度进行把关。例如，“纳米科学与技术”项目经过编委会的认真讨论，在编委会上确定了选题列选的流程：选题项目原则上需经编委会集体讨论通过，补充项目的选题列选至少需经1位主编（副主编）和2位编委同意，方可列选。
在召开编委会期间，通过集体讨论，对主要选题方向和作者进行确定;会下，则严格按照选题列选程序，通过相关编委的判定来确定选题是否可以列选。这样就能够有效地保证项目的内容质量。
此外，严格的外审机制将确保稿件的高质量。从编委会以及出版社专家数据库中遴选出一批责任心强的外审专家，严把稿件质量关，保证了书稿的学术水准和编写水平。出版社内部则实施“三审五校”等质量保障体系，齐抓共管编校质量。
5.各项管理制度规范以保证项目的运转
严格贯彻执行各项政策法规以及有关编辑出版方面的规章制度、标准、规范等，是确保重大科技出版项目顺利运转和高质量出版的必要条件。除此之外，作为出版基金项目，需遵守国家出版基金相关条例。而“纳米科学与技术”还结合项目实际情况，制定了多项管理办法和管理规则，并严格按照管理规则进行各项工作。这为该项目提供了制度上的保障。
6.主管部门的指导积极推动项目的落实
新兴前沿科技类重大出版项目代表着某个领域的国内先进水平，因此，积极争取相关主管部门的重视和支持，对于获取优质图书选题、汇聚优秀作者、顺利开展编撰以及适当调动人力、物力、财力确保顺利出版方面起到很大的作用。例如，“纳米科学与技术”的编写得到了中国科学院的支持和国家出版基金的资助，这为组织、出版严肃的、小众的学术著作，特别是新兴前沿科技类出版项目提供了强有力的支撑。
[论文摘要]科技的发展,使我们对物质的结构研究的越来越透彻。纳米技术便由此产生了,主要对纳米材料和纳米涂料的应用加以阐述。
一、纳米的发展历史
纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,不如,人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
1959年,着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。
二、纳米技术在防腐中的应用
纳米涂料必须满足两个条件:一是有一相尺寸在1~100nm;二是因为纳米相的存在而使涂料的性能有明显提高或具有新功能。纳米涂料性能改善主要包括:第一、施工性能的改善。利用纳米粒子粒径对流变性的影响,如纳米SiO2用于建筑涂料,可防止涂料的流挂;第二、耐候性的改善。利用纳米粒子对紫外线的吸收性,如利用纳米TiO2、SiO2可制得耐候性建筑外墙涂料、汽车面漆等;第三、力学性能的改善。利用纳米粒子与树脂之间强大的界面结合力,可提高涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等。纳米功能性涂料主要有抗菌涂料、界面涂料、隐身涂料、静电屏蔽涂料、隔热涂料、大气净化涂料、电绝缘涂料、磁性涂料等。
纳米技术的应用为涂料工业的发展开辟了一条新途径,目前用于涂料的纳米材料最多的是SiO2、TiO2、CaCO3、ZnO、Fe2O3等。由于纳米粒子的比表面大、表面自由能高,粒子之间极易团聚,纳米粒子的这种特性决定了纳米涂料不可能象颜料、添料与基料通过简单的混配得到。同时纳米粒子种类很多,性能各异,不是每一种纳米粒子和每一粒径范围的纳米粒子制得的涂料都能达到所期望的性能和功能,需要经过大量的实验研究工作,才有可能得到真正的纳米涂料。
纳米涂料虽然无毒,但由于改性技术原因,性能并不理想,加上价格太贵,难以推广;而三聚磷酸铝也因价格原因未能大量应用。国外公司如美国的Halox、Sherwin-williams、Mineralpigments、德国的Hrubach、法国的SNCZ、英国的BritishPetroleum、日本的帝国化工公司均推出了一系列无毒纳米防锈颜料,性能不错,甚至已可与铬酸盐相以前我国防锈颜料的开发整体水平落后于西方发达国家,仍然以红丹、铬酸盐、铁系颜料、磷酸锌等传统防锈颜料为主。红丹因其污染严重,对人体的伤害很大,目前已被许多国家相继淘汰和禁止使用;磷酸锌防锈颜料虽比。我国防锈涂料业也蓬勃发展,也可以生产纳米漆。
我国自主生产的产品目前已通过国家涂料质量监督检测中心、铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站、机械科学院武汉材料保护研究所等国内多家权威机构的分析和检测,同时还经过加拿大国家涂料信息中心等国外权威机构的技术分析,结果表明其具有目前国内外同类产品无可比拟的防锈性能和环保优势,是防锈涂料领域划时代产品,复合铁钛粉及其防锈漆通过国家权威机构的鉴定后已在多个工业领域得到应用。
三、纳米材料在涂料中应用展前景预测
据估算,全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。目前,发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心,2001年年初把纳米技术列为国家战略目标,在纳米科技基础研究方面的投资,从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元,准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心,把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点,将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域,全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在人类进入21世纪之际,纳米科学技术的发展,对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说,21世纪将是一个纳米世纪。
由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高,所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级,产业化市场前景极好。
在纳米功能和结构材料方面,将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品,以及对传统材料改性;将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团,将对国民经济产生重要影响;纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域,将产生新的经济增长点。
纳米技术在涂料行业的应用和发展,促使涂料更新换代,为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。
纳米涂料已被认定为北京奥运村
建筑工程的专用产品,展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解,消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能,使室内空气更加清新。经测试,对各种霉菌的杀抑率达99%以上,有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料,实际上是高级的卫生型涂料,适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料,利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理,较低的表面张力,具有高强的附着力,漆膜硬度高且有韧性,优良的自洁功能,强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力,疏水性极佳,容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次,具有良好的保光保色性能,抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小,能深入墙体,与墙面的硅酸盐类物质配位反应,使其牢牢结合成一体,附着力强,不起皮,不剥落,抗老化。其纳米抗冻涂料,除具备纳米型涂料各种优良性之外,可在10℃到25℃之内正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10%以下的规定,使建筑行业施工缩短了工期,提高了功效,又创造出高质量。
四、结语
由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段,技术、工艺还不太成熟,需要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明,纳米改性涂料的市场前景是非常好的。
参考文献:
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【关键词】消防技术；纳米技术；绿色环保
社会经济的增强，使得人们对环保、绿色、新型、科技等的环保发展道路越来越关注。当然，对于如何建立新型消防技术设备成为国家科技人员值得研究创新的问题。科学的火灾研究系统设备是创新新型消防技术研究的基础，实现高效清洁的消防，避免消防过程中消防设备对周边环境和造成破坏等问题需要消防技术的不断创新。
1、现代消防技术对环境的影响
1.1 水污染，现代火灾消防使用的消防水里面含有化学污染物，能起到很好的灭火作用，但是这些水排入河流、鱼塘、树林等，会造成树木大批死亡，河流污染严重，水中的生物无法生存。对生态环境造成严重的破坏。所以，各种现代消防水的不同泄露物和不同的灭火剂给消防污水处理加大了难度，这些水如果处理不当就会形成水体污染，给人们生活会带来困扰。
1.2 空气污染，随着人们消防意识的不断增强，人们在建筑物中加入一些阻燃剂，防止易燃物燃烧，但是这种阻燃剂在发生火灾后，燃烧的气体在空气中形成一种致癌气体。如果火灾现场防护措施不周密，这种致癌气体吸入体内造成的死亡率比火灾中的死亡率更高。
因此，新型、绿色，环保的消防技术是未来社会发展的必然趋势，以此降低空气中的污染气体，减少水污染。
2、纳米技术的发展应用
进入21世纪后，纳米技术的应用越来越受人们的青睐，各领域的开发，研究已是屡见不鲜，但是持续发展创新的空间依然是备受关注，经科学家商讨，纳米技术在未来社会中将会被普及应用，发展前景广阔。
2.1 纳米技术在消防装备中的应用研究
科学家研究过程中发现：纳米材料制成的消防装备头盔能够耐高温，耐腐蚀的要求。防火服具有一定的隔热性，防毒功能，比较耐高温。利用纳米技术制成的防火服要比一般的钢铁强度高几十倍，消防工作人员传在身上比较柔软，在火灾现场也不用考虑被建筑物挂伤，被应建筑碰破等。经科学家讲解，利用纳米技术制成的头盔中装入体积比较小的计算机，能够在紧急大型火灾现场与指挥人员的技术支持系统进行数据传输。
纳米技术制成的防火服能够在任何恶劣环境下进行现场扑救，采用纳米技术的消防棒，喷水枪和 消防胶带都比较轻，在高层建筑火灾救助中，能减轻消防人员的消耗，大大提高了火灾救助效率。
2.2 纳米技术在防火材料中的应用
2.2.1 纳米技术灭火剂。将传统的干粉灭火剂制成纳米材料，由于纳米技术主要是对原子分子进行分析操作结合成一种新型的分子，利用在各种形式的人造结构中。使得含有纳米技术的干粉灭火效率明显提高，而且延长了储存期。
2.2.2 纳米技术阻燃剂。现代灭火中的阻燃剂普遍含有有毒物质，而且造成了火灾事故中的死亡率增大，所以采用纳米技术的阻燃剂尽心相应程度上的防护。目前用的最多的便是微米级的颗粒三氧化二锑，颗粒比较大，分散性强，不利于三氧化二锑阻燃性能发挥。但是聚合物层状的纳米复合材料不仅可以控制有毒气体的发生还具有较强的阻燃性，由于纳米材料颗粒的变小具有更好的延展性能。
2.2.3 纳米防火涂料。纳米防火涂料的重要组成部分：纳米三氧化二锑、氢氧化镁材料；纳米无机和无机纤维。具有很好的分布结构，耐高温，黏粘性强，具有共价键结合的符合树脂等的特点。经过特殊工艺加工，使其与树脂等材料充分复合，使得超薄材料在燃烧后具有高温强度。
2.2.4 纳米技术照明灯。利用纳米技术开发出的照明技术具有节能的特点，能够使用在个人装备上。
2.2.5 纳米技术火灾探测器。利用纳米技术的灵活性特点，将纳米技术制成探测器，定时探测周围环境中的有毒气体，蒸气，烟雾和易燃易易爆物的浓度。能够提高预报探测的效果，减少预报误差。
3、绿色消防产品
3.1 气溶胶：材料本身燃烧可以提供驱动能量；颗粒度比较小能够穿过障碍物在火灾空间中停留较长时间；能够全淹没方式灭火；能够用于密封空间和开放空间。但是气溶胶中的固体颗粒对灭火效率存在一定的影响。
3.2 细水雾：细水雾消防灭火技术最关键的是水本身在细水雾中发生的主要参数。细水雾的直径要求比较严格（
3.3 惰性气体：它的特点是无色、无味、无毒、无腐蚀等，可以说是真正的绿色产品，不会在火灾中对人体造成危害，也不会有任何化学反应。它利用的是惰性气体不容易发生化学反应的性能，释放在燃区中能破坏可燃物所需要的条件。
4、全面开展防火设计研究
尽管各种科研结果证明了现代消防技术创新可以利用纳米技术或是各种绿色消防产品，但是主要还在于消防知识的学习，消防技能的加强。对于安全的消防设计人们对火灾的科学认识好需要加深学习，对一些建筑物进行有效经济的安全消防，但是更符合实际更有效的消防安全工程研究还需要不断完善和发展，将监督消防工程趋于使用。
所以，国家部门组织专门的力量在积极学习外国的研究经验和做法，积极参与国外的研究活动：积极引导消防工作人员对国外科研成就的学习；开展消防安全工程模型评估，验证研究活动；建立部级的消防安全工程数据分析库；研究火灾中人对或的反应行为和运动规律；确定火灾场景，设定火灾现场；开展灭火数学模型试验；对高层建筑中排烟窗的烟流量烟气流动规律，烟层计算等方法进行研究和探讨；研究不同流域火流量的计算方法和开发应用技术。
结束语
纳米技术是未来创新型消防技术发展的前沿技术，也是深受科学界认可的新型消防技术，不仅科学，而且环保，是绿色道路发展的需要，绿色消防产品的研发还需要进一步完善。
同时，我国消防人员的对消防知识的认识和学习需要不断借鉴和吸收国外研究成果。
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关键词:纳米材料;物理方法;化学方法
1引言
纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代,英国化学家thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年,《nanostructured materials》正式出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(bui1ding blocks),纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法,并对其优劣进行了比较。
2纳米材料的合成与制备方法
2.1物理制备方法?
2.1.1机械法?
机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的fe-18cr-9w合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的zno纳米颗粒。
2.1.2气相法?
气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。takaki等在惰性气体保护下,利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体,粒径在30nm—50 nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下,材料极大程度地发生塑性变形,而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道,φ82mm的ge在6gpa准静压力作用后,再经850℃热处理,纳米结构开始形成,材料由粒径100nm的等轴晶组成,而温度升至900℃时,晶粒尺寸迅速增大至400nm。
2.1.3磁控溅射法与等离子体法?
溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子,交换能量或动量,使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变,化合物的成分不易发生变化。目前,溅射技术已经得到了较大的发展,常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶液化合蒸发,蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高,能制备难熔的金属或化合物,产物纯度高,在惰性气氛中,等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。
以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法,这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应,因此,在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。
2.2化学制备方法?
2.2.1溶胶—凝胶法?
溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含n聚合物组成)在溶液中与h2s反应,生成的zns颗粒粒度分布窄,且被均匀包覆于聚合物基体中,粒径范围可控制在2nm-5nm之间。marcus jones等以cdo为原料,通过加入zn(ch?3)?2和s[si(ch?3)?3]?2制得了zns包裹的cdse量子点,颗粒平均粒径为3.3nm,量子产率(quantum yield,qy)为13.8%。
2.2.2离子液法?
离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下,离子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。jiang等以bicl3和硫代乙酰胺为原料,在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3μm—5μm的bi2s3纳米花。他们认为溶液的ph值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实,这些纳米花由直径60nm—80 nm的纳米线构成,随老化时间的增加,这些纳米线会从母花上坍塌,最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料,以离子液为反应介质,合成了单晶bi2s3纳米棒。
2.2.3溶剂热法?
溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中,通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热,使反应体系形成一个高温高压的环境,从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。lou等采用单源前驱体bi[s?2p(oc?8h??17)2]3作反应物,用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系bi?2s?3纳米棒,且该方法适于大规模生产。liu等用bi(no3)3•5h2o、naoh及硫的化合物为原料,甘油和水为溶剂,采用溶剂热法在高压釜中160℃反应24-72 h制得了长达数毫米的bi2s3纳米带。
2.2.4微乳法?
微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域,具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合,可自发地形成一种热力学稳定体系,体系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圆柱形颗粒组成,并将这种体系定名微乳液
。自那以后,微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982年,boutonnet等人应用微乳法,制备出pt、pd等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料,由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置,在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。
4结论
纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能,可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为止,开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分;纳米材料的收集、存放,尤其是纳米材料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发,而且将极大地丰富和发展材料科学领域的基础理论。
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关键词：纳米材料，教学方法，教学质量
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）06（b）-0000-00
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新兴学科领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等领域[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推动人类未来发展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有广泛的应用前景。纳米科技的迅猛发展将促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行探讨。
1 教学目的制定
课程的目的是通过课堂教学，使硕士研究生能够了解、掌握纳米科学与技术的概念、分类及其特点，了解和掌握纳米材料的基本物理和化学性能；掌握纳米材料的主要制备方法和原理；掌握纳米材料的结构分析测试方法；了解纳米材料的生物毒性和安全性；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及最新研究进展，以便使学生了解和把握当今纳米科学的最新研究前沿
2 教学内容的选择
目前，纳米材料正蓬勃发展，其涉及的面也越来越广泛，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面等多中学科，内容广泛[2]。随着纳米科技的兴起，也出现了很多介绍纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和资料，对推动纳米科技的健康发展起了很好的作用。但是，在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。根据笔者从事纳米材料课程教学的实践，认为要达到前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的基本概念、发展史；纳米材料的分类及其特点；纳米材料的基本物理和化学性能；纳米材料的主要制备方法和原理；纳米材料的结构分析测试方法；纳米材料的生物毒性和安全性；纳米材料最新研究进展。根据教学内容特点，可以考虑将教学内容分会以下6个部分。
2.1 绪论
从纳米材料的新奇特性开始，讲述纳米材料的内涵和基本概念以及发展史。根据材料的分类方法讲述纳米材料的分类方法及特点。讲述纳米材料的基本结构单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等基本性能。并结合我国纳米材料研究现状和学生研究方向进行相关讨论，激发学生对纳米材料的好奇心和求知欲。
2.2 纳米材料物理化学性能
主要内容涉及纳米材料的结构和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、团聚等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与结构关联，按照基本结构-基本特性-特殊结构-特殊效应-特殊功能-特殊应用这一思路，引领学生深入思考，可以起到举一反三效果。
2.3 纳米材料的制备方法和原理
按照纳米材料维数分类方法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备方法和基本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相方法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相方法。并结合学生研究方向对相关材料和方法进行详细讨论，使学生掌握相关制备方法，为随后的研究奠定坚实的基础。
2.4纳米材料的结构分析测试方法
主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。通过学习，使学生掌握纳米材料测试的主要方法和仪器，并掌握各种仪器的优缺点和适用范围。同时，也使同学们认识到纳米材料研究的高技术特点。
2.5纳米材料的生物毒性和安全性
主要包括纳米材料的生物毒性和安全性。根据已有的相关研究报道，介绍一些纳米材料的生物毒性，让学生们了解纳米材料的不足之处，掌握相关的安全操作规则，以便在随后的纳米材料相关研究中避免出现安全事故。
2.6最新研究进展
根据纳米材料的最新研究热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技领域国际最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。
3. 教学方法与手段
3.1 多媒体教学
针对纳米材料课程内容广泛，知识点多的特点，采用多媒体教学方式。利用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，可以使教与学的活动变得更加丰富多彩，又可以将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同学们。从而激发学生的学习兴趣，促进学生思维发展，丰富学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，可以动画的形式展现，方便学生们理解。讲述纳米材料的制备方法时，可以通过示意图的形式展现，更容易让学生理解和掌握。
3.2交互式讨论
利用交互式讨论教学方式。根据学生的兴趣，结合课程内容，将学生划分多个课题小组，进行课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生通过文献查阅等方式了解该方法；其次，在课堂上就该方法、原理和实践应用进行充分讨论和分析；最后老师指出该内容的重点和难点。通过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体地位，尊重学生的主体意识；创设民主、平等的课堂氛围，让学生充分发表自己对问题的看法，发挥学生的主管能动性，变被动接受为主动探索；使学生的创新意识、创造性思维能力得到不断的发展[3]。
3.3实践操作相结合
纳米材料是一门实践性很强的课程。在课程教学中要充分与实践相结合，根据学生的研究方向，结合课程内容，安排学生进行相关实验。通过具体的实验使学生对纳米材料有更多的感性认识。涉及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，结合具体情况，可安排一定时间上机观察和操作。
4 结语
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行系统的探讨，实践证明，这些举措的实施取得了良好的教学效果，为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用
参考文献
[1]白春礼.纳米科技及其发展前景，新材料产业[J].2001，4：8-11.
