纳米材料的研究历史及现状
纳米材料的研究历史及现状
韩寿鹏
（冶金与能源学院 08轧1班34号）
摘要：本文简要介绍纳米材料的研究，发展过程，以及现阶段的状况，并且对由纳米材料而产生的新技术—纳米技术，做了基本介绍。
关键词：纳米材料；纳米技术；研究发展；现状
0 引言
诺贝尔奖获得者Feynman在六十年代曾预言[1]：“毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得的物性的范围”。他所说的材料就是现在的纳米材料，被誉为21世纪最有前途的材料。纵观纳米材料发展的历史，1990年以前主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体、合成块体(包括薄膜)、研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能；1990年到1994年，主要是利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料；从1999年到现在，主要是纳米复合材料的合成及特性的探索。纳米材料通过与其它学科的交叉渗透，纳米材料的研究范畴不断扩大，出现了纳米磁性材料、纳米光学材料、纳米介电材料、纳米催化材料、纳米生物医用材料、高性能的纳米陶瓷、纳米金属与合金、纳米复合材料、纳米敏感材料和纳米图案材料等。纳米(nanometer)的llano在希腊语中是”矮小”的 意思。纳米是一种长度计量单位，用符号nm表示，纳米与米、微米、埃的关系为：1 nm=10?=10-3um=10-9m， 在纳米科技材料中，通常把0.1nm~100nm之问尺寸大 小称为纳米尺度范围。把在三维空问中至少有一维 处于纳米尺度范围的材料称为纳米材料。
1 纳米材料的发展历史[2,3]
自80年代纳米微粒材料问世以来, 纳米材料的研究得到了飞速发展。 其进程按研究的内涵和特点大致可划分为3 个阶段：1990 年以前为第一阶段，此阶段主要是在实验室探索用多种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，探索块体纳米材料不同于常规材料的特殊性能. 对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80 年代末一度形成热潮. 研究的对象一般局限在单一材料和单相材料. 国际上通常称这类材料为纳米晶或纳米相材料。1990～1999年为第二阶段, 人们关注的热点已转至如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能来设计纳米复合材料. 纳米复合材料就是将纳米微粒与纳米微粒、纳米微粒与常规块体复合, 并进一步发展成复合纳米薄膜. 纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为这一阶段研究的主导方向. 1994年以后为第三阶段, 合成人工组装纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注, 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或纳米尺度的图案材料.随着纳米材料从第一阶段纳米颗粒的研究深入到第三阶段纳米管的研究, 纳米材料研究的内涵不断丰富, 并为合成组装纳米材料提供了新的机遇. 同时, 基础研究和应用研究也出现了并行发展的新局面, 纳米材料的应用成了人们关注的热点. 到目前为止, 纳米组装体系的设计和研究, 高性能纳米结构材料的合成, 纳米添加传统材料改性, 纳米涂层材料的设计与合成,纳米颗粒表面修饰和包覆的研究等均已取得了较大的进展, 应用前景十分广阔。经过第一和第二阶段的研究, 人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性将对传统工业和常规产品产生重要的影响。 日本、美国和西欧已相继把实验室的成果转化为规模生产. 据不完全统计, 国际上已有20 多个纳米材料公司经营粉体生产线。陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性, 纳米功能涂层材料的制备技术和涂层工艺的研究, 纳米添加功能油漆涂料的研究, 纳米添加塑料改性及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用, 磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。 从1994 年开始, 纳米材料及其相关产品陆续进入市场, 所创造的经济效益以年增长20% 的速度增加.纳米材料制备科学和技术研究方面的一个重要趋势是加强控制工程的研究. 这包括对颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制. 由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应同时起作用, 它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分, 其作用的利弊更难以判断.这不但给某一现象的解释带来困难, 同时也给设计新型纳米结构材料带来很大的困难. 如何控制这些效应对纳米材料性能的影响, 是控制工程研究急待解决的问题. 近年来, 国际上纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面: 一是纳米颗粒的表面改性, 通过纳米微粒的表面包覆异性物质和表面的修饰来改变其表面带电状态、表面结构和粗糙度; 二是通过纳米微粒在多空基体中的分布状态来控制量子尺寸效应和渗流效应; 三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系来获得所需要的特性.纳米材料的应用实际上很早就有了，只是没有上升成纳米材料的概念。早在1000多年前，我国古代 利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料及染料。这是应用最早的纳米材料。我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝。经检验发现其表面有一层纳米氧化锡 颗粒构成的薄膜。十八世纪中叶，胶体化学建立，科学家们开始研究直径为1-100nm的粒子系统。即所谓的胶体溶液。事实上这种液态的胶体体系就是我们现在所说的纳米溶胶，只是当时的化学家们并没有意识到，这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新 的层次。在后来的催化剂研究中，人们制备出了铂黑，这大约是纳米金属粉体的最早应用。把纳米材料正式作为材料科学的一个新的分支是在1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定的。所以纳米材料的发展将1990年7月 作为一个分界线，1990年7月以前为第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备不同种材料的纳米粉末、合成块体(包括薄膜)、研究评估表征的方法、探索纳米材料不同于常规材料的特殊性；但研究大部分局限性在单一材料。在这一阶段中最值得一提的是1985年发现的碳纳米原子团簇一C60、C70。这种材料的研制成功使人们看到了它具有与普通尺寸碳材料不具备的特殊 性能。这种材料的碳原子数目是稳定的。纯的同体C60为绝缘体。但采用碱金属掺杂后就成为导电性很好的材料，可以和金属相比。甚至成为超导体。同时发现C60在低温下呈现铁磁性，这些都与常规尺寸碳材料的性能完全不同，得到了科学的广泛重视。人们开始看到，当材料的尺寸处于纳米尺度范围内时，会呈现许多不同的性能特征，这对新材料的研究和发展提供了新的思路和方向。这为后来纳米科技的建立和纳米材料作为一个新学科的诞生奠定了坚实的基础，为纳米科技、纳米材料的迅速发展创造了人为条件。1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质的性质都是由其本身的特性、聚集状态形式以及存在的环境条件范围决定，而且在不同的聚集状态及存在环境条件下，其自身的物性规律和运动规律都将发生根本性变化。换言之，物性的变化规律和与之相适应的理论都是在一定的环境条件范围内成立的，当环境条件超过某一极限范围后，物质的运动规律、物性都会发生质的变化，其相应的理论也将发生改变，必须寻找新的适应该环境条件范围内的理论与之相适应。比如按相对论的推理，当物体速度超过光速后，时间就会成为负值，即出现时间倒转，这可能吗?那么是否是这个理论是不正确的呢?不是的，事实上，从环境条件的观点来看，这个理论的适用范围就是物体的速度不超过光速。当物体速度超过光速后，这个理论将不再适应。应该有新的理论来取代；再比如化学热力学中的绝对温度零度，在热力学中绝对零度是不能达到的。因为温度低于绝对温度零度，体系能量将会变成不确定的数(分母为零)，那么是否绝对温度零度就一定不能达到呢?也不是这样的，只能说当温度达到绝对温度零度后，热力学中的这些定律、公式已经不再适用，必须有新的理论代替之。物体的尺寸大小也一样，当物质的聚集形式达到极细(纳米尺度)的程度，这种物质的聚集形式的细小程度就使物质环境范围达到了质变的极限程度，这种状态下的物质与常态下的该物质的物性就会出现许多本质的不同，如原来的良导体变成了绝缘体、惰性物质变成了活性物质，而且这些现象也无法用原来的理论加以解释，这就说明原来的理论已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代之。在这样的思路下可以设想，在温度极高或极低，压力极大或极低、单个原子、数十数百个原子(纳米状态)和宏观物质的情况下，同一种材料将产生完全不同的物性，也将有不同的理论诞生，用以解释在该条件下的各种现象、以及不同的物性。这种思路极大地拓宽了材料科学的研究范围，促使了新材料的诞生，同时也拓宽了材料的使用范围。为材料领域的理论和应用提供了新的课题。
我国从80年代就组织中科院物理所、化学所等8个研究单位及中国科技大学、清华大学等单位积极投人了纳米科学与技术的研究, 在纳米碳管、纳米量级氮化稼半导体、纳米硒、超双亲性二元协同纳米界面材料等方面均有重大突破, 具有国际领先水平。2000年10月30号, 中科院已成立了纳米科学技术研究中心, 由纳米科学技术研究实体和纳米科技网站组成。有国家级863重点项目、重大科技攻关项目、攀登计划项目等, 目前资助的经费在700万美元以上。研究工作主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及纳米技术的应用等方面。目前, 纳米材料在食品、化妆品、医疗、保健、农业、工业、印刷、电子通讯、环保、交通、建筑、军事等方面都已得到了越来越广泛的应用。纳米科学与技术是本世纪科技发展的重点, 它将会是一次重大的技术革命, 从而引起21世纪的又一次产业革命[4]。
2 几种典型的纳米材料[5]
2.1 纳米颗粒型材料
纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在100 nm 以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。用于高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。
2.2 纳米固体材料
纳米固体材料通常指由尺寸小于15 nm 的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。
2.3 纳米膜材料
纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜，以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。
2.4 纳米磁性液体材料
磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。
2.5 碳纳米管
碳纳米管为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。
3 纳米材料的性能概述[6]
纳米材料体系是纳米领域中的一个重要的分支学科,由于该体系奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系,从而成为现在科学研究热点。纳米材料是以纳米尺度的物质为基础按一定规律构成的全新体系,它包括零维、一维、二维和三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的原子团簇或人工原子(artificial atom) 、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的多孔物质。意大利科学家M. Rontani 等人指出当少数粒子局限于nm 数量级时,其载流子状态取决于它们的动能和Coulomb 关联能间的平衡。在耦合人工原子中,通过改变人工原子间的隧道效应效果和相互作用可调整两者间的平衡,并且该系统的特性由依赖于人工原子间耦合的不同自旋组态决定。正如人们所知,原子有序排列可形成有自身特点相对独立的分支。纳米材料体系大致可分为两种: ①人工纳米结构组装体系:按人类的意愿,利用物理和化学方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成零维、一维、二维和三维的纳米体系,包括纳米有序阵列和多孔复合体系等。②纳米结构自组装体系:通过弱的和较小方向性的非共价键和弱离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构成纳米材料。物质的尺寸处于纳米尺度范围时，其表现出来的性能与其在常规尺寸下所表现出的性能有很大的差别。它们不仅表现出许多常规尺寸时没有的性能，而且对常规尺寸时的一些性能则表现出完全相反的性质。例如，金属在常规尺寸下，具有金属光泽、是一种好的导体。但金属在纳米状态时都不具有光泽，成为黑色的；并且所有的金属在纳米状态下都不导电。一些在常规尺寸下绝缘的材料，在纳米状态下又呈现出超导现象等等。众所周知，物质的宏观性能是物质微观结构的宏观表现。纳米材料与其在常规尺寸下的性能发生巨大变化表明，物质的尺寸处于纳米尺度范围时原子的受力状态与常规尺寸下的原子的受力状态是不同的。事实上我们知道当物质聚积在一起时，原子是靠某种力结合在一起，如金属是靠金属键力，离子晶体是靠离子间的化学键力而分子的聚积则是靠分子间的范德华力结合在一起。原子聚积在一起后，形成一定大小的颗粒，这在宏观上表现为一个晶粒，非晶体表现为一个分子聚集体，无论是晶体的规则排列结构，还是非晶体的分子聚集体，这些处于颗粒心部的原子将受到上下左右前后各个方向的原子(分子)的作用，而处于颗粒表面的原子则不同，它至少有一个方向不会受到其它原子(分子)的作用，但是这些处于表面的原子又将受到界面外的其他原予的作用，所以处于表面的原子(分子)与处于心部的原予(分子)的受力状态是不一样的，在常规尺寸下，物质的颗粒尺寸较大，处于心部的原子(分子)占绝大部分，处于表面的原子只是极少数，其受力状态的情况完全可以忽略不计，材料的宏观性能就是处于心部原子(分子)的受力状态平均值，所以这时材料的宏观性能完全决定于处于心部原子(分子)的受力状态，而表面原子(分子)对物质宏观性能的贡献很小，可以忽略不计；但是当材料处于纳米状态时，由于材料的颗粒尺寸非常小，材料的比表面积大大增加，处于表面的原子(分子)的数量就大大增加，这时处于表面原子(分子)的受力状态对宏观性能的影响就不能忽略不计，甚至起到了决定性的作用，我们知道，处于表面的原子(分子)与处于心部的原子(分子)的受力状态是完全不同的，所以当物质处于纳米尺度范围时物质的宏观性能与常规尺寸下的性能完全不同，这就是必然的了。物质的颗粒越小，其表面积越大。物质体系的表面能越高，同时物质的颗粒越小，其原子(分子)的混乱度越大，体系的熵值也越大。因此物质的颗粒尺寸越小，体系的能量就越大，体系能量越高，体系就越不稳定。因此纳米状态实际上是一种不稳定的高能体系状态。它会自发的由小颗粒的高能状态向大颗粒的低能状态转变，这就是我们在纳米材料中常说的团聚。因此纳米材料在制备和应用过程中的一个较大的困难就是要防止纳米材料的团聚。纳米颗粒一旦发生团聚，材料在纳米尺度范围所表现出的优异性能就会丧失待尽。目前经过广大科学家的努力，纳米材料在理论研究上已获得许多研究成果。这些研究大都是从纳米材料的原子状态能级关系等方面而入手进行。这些理论有：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应、库仑者塞与量子隧穿、介电限域效应等。
4 纳米材料研究的特点
4.1 纳米材料研究的内涵不断扩大
第一阶段主要集中在纳米颗粒（纳米晶、纳米相、纳米非晶等）以及由它们组成的薄膜与块体，到第三阶段纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料（包括凝胶和气凝胶），例如气凝胶孔隙率高于90％，孔径大小为纳米级，这就导致孔隙间的材料实际上是纳米尺度的微粒或丝，这种纳米结构为嵌镶、组装纳米微粒提供一个三维空间。纳米管的出现，丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米材料提供了新的机遇。
4.2 纳米材料的概念不断拓宽
1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构的材料的含意还包括纳米组装体系，该体系除了包含纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，因此，纳米结构材料内涵变得丰富多彩。?
4.3 纳米材料的应用成为人们关注的热点?
经过第一阶段和第二阶段研究，人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性，对传统工业和常规产品会产生重要的影响。日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产，据不完全统计，国际上已有20多个纳米材料公司经营粉体生产线，其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的制备技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。纳米材料及其相关的产品从1994年开始已陆续进入市场，所创造的经济效益以20％速度增长。
5 纳米材料的研究现状[7]
纳米材料为什么称为二十一世纪材料发展的方向，这是因为纳米材料研究在理论、应用上都具有非常重要的意义，首先，从理论上讲：纳米材料的研究是物质的宏观状态理论与微观状态理论相互联系的桥梁；它的研究成果，完全可能将材料的宏观的理论与微观理论合二为一，形成完整的材料理论体系，这是科学界的重大进步，具有非常重大的意义。在应用上：纳米材料具有了许多普通尺寸材料所不具有的性能，拓展了材料的应用范围，获得了许多非常优异的材料性能，这对科学技术的发展具有十分重大的意义，所以纳米材料的发展引起了科学界的高度重视。迄今为止纳米材料在理论研究、制各技术、应用研究上都取得了很大的进步，主要表现在以下几个方面：
5.1 理论方面
纳米材料的研究在理论上，目前科学家们通过对纳米结构单元的研究，已经提出和采用了电子能级不连续性理论，量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应，库仑堵塞与量子隧穿，介电限域效应等等一整套理论、假设和推导，这些理论的诞生和发展，解释、归纳、总结了纳米材料的一些特性和物性的变化规律。对纳米材料的发展起到了十分重要的作用。但是应该看到这些理论目前尚不能完全解释许多纳米状态的新现象，新问题。对微观宏观的桥}梁尚未沟通，还没有一整套系统的完整的纳米尺度范围物性的成熟理论。特别是应用过程中纳米材料的变化规律的理论目前还十分欠缺。这给纳米材料的应用研究带来了许多困难。
5.2 制备技术方面
在纳米材料的制备技术方面已取得了较大的成功，迄今为止，绝大部分金属、氧化物和碳等都能制备出来，许多金属、SiO2、TiO2、CaCO3、石墨等的纳米级材料，已经能够规模生产，还有一些纳米材料由于其应用产品尚未研制出来，故未能投入规模生产。
5.3 应用研究方面
纳米材料的应用从把纳米材料作为一种专门的材料算起，大约是在二十世纪八十年代中叶，由于纳米材料具有许多优秀的性能，得到了广泛重视。纳米材料的应用方面，也有取得了相当大的成绩，到目前，纳米材料的应用主要在以下几个方面：
5.3.1 催化、解材料领域
纳米颗粒由于其表面原子占有的体积比大，表面键态和电子态不同，原子配位不全等，可使表面活性增加，具有优异的催化特性，所以，纳米颗粒材料在催化剂材料中得到广泛的应用。将纳米Pt颗粒、Al2O3、Fe2O3等作为催化剂，已在高分子高聚物氧化、还原和合成反应中得到应用；纳米高铬酸铵是制造炸药的极佳催化材料；纳米Ni粉可代替金属Pt用于许多催化领域；纳米Pt、WC还是氢化反应的高效催化剂；在火箭发射的固体燃料推进剂中添加质量1％的纳米铝粉和镍粉，可使固体燃料的燃烧增加一倍以上，纳米镍粉代铂粉作为化学反应的催化剂价格比铂粉低了3倍多，但催化效果却大10倍。纳米SiO2、TiO2在光催化作用下能够快速降解有机高分子化合物，为垃圾处理带来新的无二次污染的好方法。纳米SiO2，TiO2在光催化降解反应最有希望解决白色污染的问题。 ’在纳米催化材料中，纳米TiO2的光催化作用是十分值得注意的，纳米TiO2是一种典型的半导体光催化剂，具有遮光性、增白性、耐蚀性等特点，已在涂料、轻工、日化等行业得到应用，在高分子材料、环境保护、资源再生等领域有着十分美好的前景。纳米TiO2的催化作用目前已知的有以下几种：3-3．1．1纳米TiO2能够催化马来酸酐发生聚合反应，使马来酸酐生成聚合物；3_3．1．2纳米TiO2能够催化降解甲基橙。
5.3.2 化工与纺织领域:
大气中的紫外线的主要波段是在300 至400 nm 范围内,太阳对人体有伤害的紫外线也在此波段。研究表明 ,纳米ZnO、纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3 等都对此波段中紫外线有吸收。将纳米TiO2 等粉末按一定的比例掺入到化妆品中,可有效地抵抗紫外辐射。将金属纳米粒子掺到化纤制品或纸张中,又可大大地降低静电作用。用纳米材料制成的多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用。在合成纤维中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3和纳米Fe2O3等复合粉体材料,可得到抗紫外和对人体红外线有强吸收功能的纤维,这样既可以屏蔽人体红外线的辐射,在战场上起到隐蔽作用,又可提高保暖作用,同时可以减轻衣服的重量增加战斗人员的有效负重能力,在改善和提高我国军事装备方面极有应用价值。
5.3.3 生物医用[8]
材料可用磁性纳米微粒涂覆高分子材料，将其在体外与蛋白质相结合，注入生物体内，用作药物载体，通过外加磁场的作用，纳米颗粒的磁性导航将药物直接送达病灶，达到定向治疗的目的，这样不仅大大减少了药物的副作用，而且大大减少了药物的用量。这种纳米颗粒的磁性导航材料又被称为生物导弹。癌症治疗方面：临床使用的抗癌药物，大多利用高毒性杀死细胞，在杀死癌细胞的同时, 也严重损害了正常细胞，同时不可避免地杀死人体正常细胞和破坏免疫系统。纳米载药系统将纳米技术与现代药剂学结合，具有的药物缓、控释性和靶向性等特性，可以大幅度提高药物的生物利用率、降低用药量、减少毒副作用，已成为国际肿瘤药物研制中的热点和前沿。基因治疗方面：基因治疗的关键是基因导入系统、基因表达的可控性以及更多更好的治疗基因。常规病毒载体的使用常伴随着对宿主产生免疫、炎症反应和引起疾病等负面影响。采用纳米材料作为基因传递系统具有显著优势，如脂质体、聚丙交酯-乙交酯(PLGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)、壳聚糖等，由于具有良好的生物安全性，可方便有效地实现基因靶向性及高效表达和缓释，成为制备高效、靶向基因治疗载体系统的良好介质，日益在基因治疗载体系统中受到广泛重视。
5.3.4 光学材料的应用
纳米材料与同质材料相比，具有明显的光学特性，有宽频带强吸收、蓝移以及新的发光特性，在光发射、光通讯、光储存、光开关、光过滤、光导体发光、光折变、光学非线形、吸波隐身、红外传感材料等等方面，有着极大的应用范围。
5.3.5 纳米材料在食品安全分析中的应用研究
所谓纳米食品是指在生产、加工或包装过程中采用了纳米技术手段或工具的食品。纳米食品不仅仅是指利用了纳米技术的食品，更大程度上指里哟个纳米技术对食品进行了改造从而改变食品性能的食品。尤其是利用纳米技术改造过结构的食品在营养方面会有一个很大的提高，在这方面应用最广泛主要有钙、硒等矿物质制剂、维生素制剂、添加营养素的钙奶与豆奶、纳米茶等。随着纳米技术的发展，纳米食品生产也取得了很大的成就。目前，纳米食品产品超过300 种，一些带有纳米级别添加剂的食品和维生素已经实现商业化。据预测纳米食品市场在2010 年将达到204 亿美元，因此纳米技术在食品上的研究有着很大的发展潜力。纳米技术在食品上的研究和应用主要包括纳米食品加工、纳米包装材料和纳米检测技术等方面[9]。但是随着纳米材料生物安全性及纳米毒理学相关研究的深入，纳米尺度物质对心血管系统的潜在危害受到极大关。纳米材料特殊的理化性质和所具有的特殊效应，使进入环境的纳米材料正在成为一类新型污染物，构成对生态环境和人体健康的现实威胁。 作为一种处于宏观和微观水平之间的介观结构，纳米材料所表现的基本的特殊效应均与其潜在的生物效应或毒性效应密切相关。 例如表面效应使纳米材料化学活性、催化能力升高；量子效应产生的离散能级使纳米颗粒形成剩余电子或空穴，获得较强的氧化还原能力；这些特性可以使纳米颗粒更易于与生物体内的蛋白质、化学基团、膜结构或液体环境等发生作用，从而表现出毒性作用. 特别是纳米材料由于粒径很小，很容易透过生物膜上的孔隙进入细胞内或线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体和细胞核等细胞器内，并且和生物大分子发生结合或催化生物化学反应，使生物大分子和生物膜的正常立体结构发生改变，从而导致机体某些激素和重要酶系活性丧失，或使遗传物质发生突变. 一些纳米材料可以比较容易地透过肺血屏障、血脑屏障、胸腺屏障，因而对呼吸系统、心血管系统、中枢神经系统和免疫系统造成影响；另外纳米材料一旦透过血睾屏障、胎盘屏障等生殖系统的屏障，则可对精子生成过程、精子形态、精子活力，以及胚胎早期的组织分化和发育产生不良影响，从而对人类的自身繁衍造成威胁[10]。
5.3.6 其他方面
纳米颗粒由于具有大的比表面积、高活性、高扩散速度等特性，可以用于制造结构陶瓷材料，用以降低烧结温度、加快致密化速度，还可以作为传统材料的添加剂或改性剂，用以提高传统材料的强度、硬度、韧性、塑性；纳米的铁，镍粉与r-Fe：03混合轻烧结体可代替贵金属作为汽车尾气的净化催化剂，净化效果十分理想，另外纳米镍粉和银粉作为化学电池，燃料电池，光化学电极中的电极，可较大幅度提高电池效率。用纳米碳粉制作铅酸，锂离子电池的电极可改善电池的电极结构。降低电池内阻，提高电容量。表1总结了纳米材料应用的一些情况：
表1 纳米材料应用的领域
事实上，由于纳米材料具有非常多的不同于一般材料的优秀性能，所以其用途非常广泛，只是目前对l各种纳米材料的特性研究还没有透彻，随着科学技术的发展，纳米材料的应用范围必将越来越厂 ，纳米材料产品也将越来越多，纳米材料的应用时代必将到来。
6 结语
在过去十多年里，尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展，但许多重要的问题仍有待探索和解决。诸如，如何获得清洁、无缝隙、大尺寸的块体纳米材料，以真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米材料，以拓宽纳米材料的应用领域？某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力？如何实现纳米材料的功能与结构一体化？如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性？等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键，也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。 我国系统开展纳米材料的科学研究始于80年代末，经过近十年的努力，已经做出了一批高水平、有国际影响的工作。整体水平和实力紧步美、日、德等主要西方国家之后，受到国际学术界的高度重视。然而，在激烈的国际竞争形势下，急需以现有工作为基础，以若干学科为突破目标，集中人力、物力、财力的投入，使我国在这一领域的研究水平上一个新台阶。
参考文献:
肖燕.一维无机纳米材料的研究[D].北京:北京服装学院,2008.
吴翔.纳米材料的发展历史、现状与发展趋势[J].遵义科技,2007,(3):6~10.
杨砚儒.纳米材料研究现状及应用[J].唐山高等专科学校学报,2001,14(2):20.
潘俊德.纳米技术的现状与展望[J].国外金属处理2001,22(3):1~2.
康永，柴秀娟.纳米材料的性能及研究进展[J].西部皮革,2010,32(15):34~35.
宓一鸣.纳米科技研究现状及发展趋势[J].上海工程技术大学学报,2002,16(3):177.
张国山.纳米科技发展研究[D].武汉:武汉科技大学,2009.
金华芳，袁琳，邱乐等. 纳米材料在医学领域的应用及安全性研究进展[J] 生物骨科材料与临床研究2009,6(5):33.
吕朝辉.纳米材料在食品安全分析中的应用研究[J].应用技术,2010.
袭著革.纳米材料对心血管系统影响的研究进展[J].生态毒理学报,2010,5(1):2.
文献综述评分表
纳米材料的研究历史及现状.doc
