1、納米技術(shù)研究與開發(fā)的背景
前面已經(jīng)談到，納米科學技術(shù)是介于微觀與宏觀之間的介觀物理，關(guān)于納米科學技術(shù)的定義很多，具有代表性的說法有：如英國科學家阿爾培特.佛朗克斯教授把納米技術(shù)定義為"在0.1-100納米尺度范圍起關(guān)鍵作用的科學技術(shù)領(lǐng)域。"美國"國家納米技術(shù)倡議"（NNI）即推薦采用科普作家伊凡.阿莫托在一本小冊子中的提法："納米科學和納米技術(shù)一般是指，在納米尺度上，則從一納米到幾百納米介觀范圍內(nèi)，所從事的工作范疇"。上述兩種說法，總的意思是，把它限定在納米尺度范圍內(nèi)的物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和研究開發(fā)工作。我國科學家，即主張把它的內(nèi)涵再延伸擴張到由它所引發(fā)出的可能的實際應(yīng)用領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。我國納米科學家，國家重點基礎(chǔ)研究計劃（973計劃）納米材料和納米結(jié)構(gòu)項目科學家，固體物理研究所張立德研究員作了總結(jié)性的定義："納米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運動規(guī)律和相互作用，以及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學技術(shù)。"這個定義既反應(yīng)了納米科學技術(shù)的內(nèi)涵，又體現(xiàn)了科學技術(shù)發(fā)展規(guī)律的要求，也比較符合中國的實際情況。
1.1 從理論層面上看，納米科技是量子力學在實踐上的必然延伸。我們知道用原子模型和量子力學的能級概念合理的解釋金屬、半導體、絕緣體的電、光、熱、機械等性能，并進行廣泛的工業(yè)化開發(fā)，形成新興的產(chǎn)業(yè)，同時改造各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。其中突出的是上個世紀四十年代末發(fā)明的半導體，它的發(fā)展軌跡是半導體-集成電路-大規(guī)模集成電路-超大規(guī)模集成電路，它的成就很大地推動了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這是量子力學在微米空間尺度上的輝煌實踐和發(fā)展。微米技術(shù)把量子力學在微米空間上的應(yīng)用，同微電子學、電磁學、光學、經(jīng)典牛頓力學有機地結(jié)合起來，極大地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展。量子力學的本質(zhì)特征是微細粒子的波粒二像性，而在微米技術(shù)上所用的主要是量子力學的粒子性電子流（大量的、宏觀的粒子流）。它與傳統(tǒng)的經(jīng)典理論的工程應(yīng)用相匹配，才形成現(xiàn)在的半導體、計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)通信等信息產(chǎn)業(yè)。也就是說，這樣龐大的產(chǎn)業(yè)，僅僅應(yīng)用了量子力學波粒二像性的一半，即它的粒子性。另外的更奇妙的波動性還未加考慮。理論來源于實踐，更在于指導實踐，以證明其正確性，并通過實踐考驗進一步修正充實發(fā)展理論，量子力學的自身發(fā)展，也必然如此。我國納米材料學家，物理研究所的解思深研究員就說："納米材料本身是將量子力學效應(yīng)工程化或技術(shù)化場合之一，可能會產(chǎn)生全新的物理、化學現(xiàn)象。"
1.2 從技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展趨勢來看，需要更精致、環(huán)境友好、更具有智能化的技術(shù)創(chuàng)新。
在牛頓力學體系的理論指導下，大大地促進了技術(shù)創(chuàng)新活動，促成了十八世紀下半葉開始的次工業(yè)革命，其創(chuàng)新發(fā)明的代表作就是瓦特發(fā)明的蒸汽機，這是人類器官的一次飛躍性延伸，它力大無比，顯得龐大粗壯，還有一定的自動控制能力，對當時的人來說，是非常不錯的玩意兒，但對現(xiàn)代人來說是一個傻大黑粗又愚笨的家伙。人們一直在不斷的追求輕、小、簡、廉，現(xiàn)在即更追求更快、更省、智能化、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展。
人類自古以來，創(chuàng)新思路和方法基本上都是由大到小，由粗到精，從石器時代-青銅器時代-鐵器時代-大機器生產(chǎn)時代-現(xiàn)在，概莫能外。我們祖先為了得到石器，需要一塊大石頭把它打小，然后再磨礪成可用的石器，這是由大到小的過程。我們現(xiàn)在用的機器制造也這樣，開礦山-冶煉-金屬材料-機器另部件-機器，也是由大到小的過程。在這個過程中存在著大量的人類勞動和資源的浪費，造成了環(huán)境危機。單純由大到小（top down）的創(chuàng)新思維和方法已經(jīng)面臨挑戰(zhàn)，納米科學技術(shù)的研究方法（approaches），即提出了全新的創(chuàng)新思維和方法，這里有兩種方法：
是繼續(xù)沿著古已有之的"由大到小"（top down）思路和方法干下去，不過這里的"小"可不是原有意義上的毫米、微米的小，而是在納米尺度（0.1-100nm）上的小，在這么"小"的地方出現(xiàn)的景觀同傳統(tǒng)意義上的毫米、微米尺度上的出現(xiàn)的景象根本不同，在這里真正的發(fā)生了量子力學上的波粒二像性。
現(xiàn)在用這種方法（top down），可以在宏觀塊體材料（如半導體）上利用機械和蝕刻技術(shù)制造納米尺度結(jié)構(gòu)。納米材料的制備的種種方法，還是這一方法。估計二十一世紀的前半葉，甚至更長時間，這種方法還起到支柱作用。但是它創(chuàng)造的文明會是非常輝煌的。
第二種方法，就是實現(xiàn)量子物理學界的奇才費曼所預(yù)言的那樣"物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性"。即"由小到大"（bottom up）的方法，人們按需要用一個個原子或一個個分子組裝創(chuàng)造出有機和無機物品。這方面的創(chuàng)新工作已取得一些成果，見諸報端的不少，但離真正的實用還要走很長的路。
1.3從技術(shù)的通用程度來看，納米科學技術(shù)既是高新技術(shù)的通用性技術(shù)，也是各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的通用性基礎(chǔ)性技術(shù)。
1.3.1信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向
以信息技術(shù)（產(chǎn)業(yè)）為例，它的基礎(chǔ)是半導體集成電路產(chǎn)業(yè)。這個產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)是微米技術(shù)，它的技術(shù)創(chuàng)新歷程一直曾循著摩爾定律。這個定律是1965年戈登.摩爾（Gorden.Moore）提出來的，他指出集成電路里晶體管數(shù)量每18個月翻一番。26年來，現(xiàn)實與摩爾定律非常一致。這是在微米尺度上的定律，科學界普遍認為0.05微米（50mm）是現(xiàn)代半導體工藝的極限，Intel公司的工藝是0.13um（130納米），估計將在10-15年內(nèi)達到它的極限。要是繼續(xù)用微米技術(shù)，就很難再前進了，即使能夠逼近它的極限，但這就意味著要花近百億美元，甚至數(shù)百億美元，在經(jīng)濟上是極其不劃算的。因此，半導體工藝要走出它的死胡同，非得另謀出路不可。如果借用量子力學上的"隧道效應(yīng)"一詞作比喻，那么我們就得在臨近胡同底的時候，開始挖掘一條"隧道"出去，利用量子力學波動的隧道效應(yīng)開辟新的天地。
這個新天地就是納米技術(shù)。所幸的是，新途徑已經(jīng)初露端倪。1998年，IBM公司與日本NEC公司合作，在實驗室里用一根半導體性的碳納米管制成了場效應(yīng)晶體管。該晶體管的襯底為硅，并作為柵極，源極和漏極是用金作的，研究人員用原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）在三個電極間放置了一根碳納米管就成了場效應(yīng)晶體管。這只場效應(yīng)晶體管的性能不錯，當柵電壓變動時，源極與漏極之間的電導變化10 萬倍，是一個說的過去的電子開關(guān)。在這之后，其他研究單位也紛紛制得在原理或結(jié)構(gòu)上有所不同的晶體管。
最近又傳來好消息。今年（2001年）8月，IBM又宣布使用碳納米管制成了輸入為"0"時，輸出為"1"的"非門器件"。他們在研究過程中，找到了兩項關(guān)鍵工藝原型。我們知道，非門器件是由一個P-型和一個N-型晶體管拼成的，但是碳納米管都是P-型半導體。IBM的研究人員想了很多辦法，想制得N-型的碳納米管，最后他們發(fā)現(xiàn)，其實只要在真空中將P-型碳納米管加熱，就能將其變?yōu)镹-型。他們進一步發(fā)現(xiàn)，如果只加熱碳納米管的一端，這一端就變成N-型，而未加熱的一端仍為P-型。這就是說，找到了使一根碳納米管就能構(gòu)成一個非門器件的關(guān)鍵工藝方法。有了這樣一根碳納米管，用原子力顯微鏡（AFM）將它放到事先做好的基底上，就制成了一個非門器件。
解決了P-型變N-型問題以后，還存在一個問題：金屬性和半導體性的碳納米管是混合在一起的。如何用簡單的方法將兩者分開，就成為用碳納米管工業(yè)化生產(chǎn)碳納米器件必須解決的另一個難題。IBM公司的研究人員，將金屬性和半導體性二性混合的碳納米管放在硅片上，再在碳納米管層上面印上金屬電極，并將硅片當作另一個電極。在兩極間加上電壓，使半導體性碳納米管處于"關(guān)斷"狀態(tài)，金屬性碳納米管由于電流過大氧化燒毀，剩下的就是純凈的半導體性碳納米管。這有可能成為大量制備半導體性碳納米管的工藝原型。
從這里，我們可以看到納米技術(shù)在半導體產(chǎn)業(yè)，或者說在信息技術(shù)（產(chǎn)業(yè)）的光輝前程。
1.3.2納米技術(shù)是生物技術(shù)的基礎(chǔ)性技術(shù)之一
奇妙、最復(fù)雜的莫過于有機物生命體的生物世界了。從原子和分子的角度看，又是那么簡單，這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、硅、硫、鐵、鈉，再加上一些微量元素所組成，而且它的生、老、病、死、遺傳、變異都是在溫和的自然條件下靜悄悄地進行的，用不著高溫、高壓、高真空……等等的苛刻條件。生物多樣性及其復(fù)雜性的來源，不是主要決定于組成它的原子和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，納米尺度上的生命運動規(guī)律。
舉一個簡單的例子。我們常吃的藕，生長于池塘的淤泥中，但它露在水面上亭亭玉立的蓮花荷葉卻出污泥而不染，美麗圣潔。荷葉的基本化學成分是葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基（-OH）、（-NH）等極性基團，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬。而荷葉葉面都具有疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是"荷葉自潔效應(yīng)"。為什么會有這種"荷葉效應(yīng)"，用傳統(tǒng)的化學分子極性理論來解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。從機械學的光潔度（粗糙度）角度來解釋也不行，因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。經(jīng)過兩位德國科學家的長期觀察研究，即上世紀九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。（讀者有興趣，可參見附錄）。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的"小山包"，它上面長滿絨毛，在"山包"頂又長出一個饅頭狀的"碉堡"凸頂。因此，在"山包"間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上"山包"的凸頂形成幾個點接觸。雨點在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是"荷葉效應(yīng)"能自潔葉面的奧妙所在。
研究表明，這種具有自潔效應(yīng)的表面超微納米結(jié)構(gòu)形貌，不僅存在于荷葉中，也普遍存在于其它植物中。某些動物的皮毛中也存在這種結(jié)構(gòu)。
其實植物葉面的這種復(fù)雜的超微納米結(jié)構(gòu)，不僅有利于自潔，還有利于防止對大量漂浮在大氣中的各種有害的細菌和真菌對植物的侵害。另外，更重要的是，為了提高葉面吸收陽光的效率，進而提高葉面葉綠體的光合作用。
這種自然界的造化，是生物界經(jīng)過億年的適應(yīng)性和變異性的自然選擇、遺傳進化而來的。我們的科學家從事納米科學技術(shù)的研究的靈感，很大的成份上來源于對這種自然造化的感應(yīng)和啟發(fā)。
生物學有其自身的宏觀規(guī)律，生物技術(shù)需要對這些規(guī)律的深層次的研究，現(xiàn)在已經(jīng)深入到細胞質(zhì)、DNA、基因片段、蛋白質(zhì)，這些構(gòu)成生命體的基本單元層次。這些基本單元的尺度大多在微米級或以下，其中基因片段、蛋白質(zhì)即在納米級。對這么小的生命體基本單元的觀察、研究、裁減、拼接、轉(zhuǎn)移，就需要納米技術(shù)的參與。納米科技同生物技術(shù)、醫(yī)藥學的交叉互相滲透，已形成納米生物學（Nanobiology）,納米醫(yī)藥學（Nanopharmics）。這已經(jīng)成為納米科學技術(shù)工程應(yīng)用的熱點領(lǐng)域。專家們普遍看好這兩個領(lǐng)域，認為納米技術(shù)很可能在這里先挖出"金礦"來。
1.3.3納米技術(shù)和納米材料是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代的得力助手
對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)來說，企業(yè)要在劇烈的市場競爭中立于不敗之地，無非是采取兩種方法：首先，對于老產(chǎn)品就要不斷提高其性能價格比，占據(jù)有利的競爭優(yōu)勢，獲得盡量多的；第二是不斷創(chuàng)新，以新技術(shù)開發(fā)出新產(chǎn)品，市場潮流，開辟出按技術(shù)推動型的新市場。納米技術(shù)和納米材料及其應(yīng)用正具有上述兩方面的稟賦優(yōu)勢。
這種稟賦優(yōu)勢是來源于納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)。在工程技術(shù)上采取各種技術(shù)措施手段，充分發(fā)揮這些效應(yīng)在宏觀對象上予以體現(xiàn)，就可以在源頭上把握傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)各種產(chǎn)品和工藝技術(shù)的創(chuàng)新升級。從而提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)品的性能價格比，或以全新的技術(shù)開發(fā)出全新的產(chǎn)品，實現(xiàn)技術(shù)推動市場。迄今為止，大量事實已表明，納米技術(shù)在這兩個方面都有很好的實際表現(xiàn)和巨大的潛力。這里不再一一列舉例證，詳情后述。
2.國內(nèi)外納米技術(shù)和納米材料開發(fā)及應(yīng)用概況

NNI是一項內(nèi)容極其豐富而龐大的計劃，主要有以下幾個特點：
· 研發(fā)項目內(nèi)容涉及范圍廣·
納米材料及制備、納米電子學、醫(yī)學與衛(wèi)生、環(huán)境與能源、化學與制藥業(yè)、生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)、計算機與信息技術(shù)、國家安全等。
· 建立全國性的協(xié)調(diào)工作體制·


2.2.2.1納米材料研究
· 在納米碳管研究制備方面·
自1991年日本科學家飯島發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，它的研究和制備就成為納米科學家的研究熱點問題。這是因為納米碳管有其結(jié)構(gòu)和奇特的物理、化學特性，有著非常廣泛的應(yīng)用前景，它自然成為納米科學家關(guān)注的焦點。碳納米管是由石墨中的碳原子卷曲而成的管狀材料，管的直經(jīng)一般為幾納米到幾十納米，目前最小值已達到0.33nm。由于碳納米管的直徑只有納米級，而其軸向長度為微米級，所以長徑比在103以上。因此在碳納米管制備過程中一直存在著碳管混亂取向，互相糾纏成束等問題，中科院物理所解思深教授科研小組，1996年在國際上首先發(fā)明了控制多層碳管直徑和取向的模板生長方法，制備出離散分布、高密度和高強度的定向碳納米管，順利地解決了上述難題。1998年合成了長的納米碳管，其長度達到3mm，高出當時長度的百倍。細的納米碳管在2000年先后被我國科學家制造出來。先是物理所的同一小組合成出直徑為0.5nm的碳管，接著香港科技大學物理系利用沸石作模板制備了最細單壁碳納米管（0.4nm）的陣列，緊接著中科院物理研究員彭練矛（同時也在北京大學任職）在單壁碳納米管的電子顯微鏡研究中，發(fā)現(xiàn)在電子束的轟擊下，能夠生長出直徑為0.33nm的碳納米管。
清華大學利用碳納米管作模板成功的制備出直徑為3~40mm長度達微米級的發(fā)光的氮化鎵納米棒，在國際上把氮化鎵制備成一維的納米晶體，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。中科院固體物理所成功研究制出納米電纜，有可能應(yīng)用于納米電子器件的連接。
中科院金屬研究所采用等離子電弧蒸發(fā)法成功地制備出高質(zhì)量的單壁碳納米管，并用其儲存氫，質(zhì)量儲氫容量達到4%的高水平。
· 在納米金屬，納米無機材料方面·
中科院金屬研究所的研究小組，發(fā)現(xiàn)納米金屬的"奇異"性能--超塑延展性，納米銅在常溫下可延伸50多倍而"不折不撓"，為世界所矚目，被譽為"本領(lǐng)域（指納米技術(shù)）的一次突破，它向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的"。
中國科技大學的科學家用較低溫度條件的溶劑熱合成技術(shù)，發(fā)明了用苯熱法制備納米氮化鎵微晶的工藝，在300℃左右制成粒徑只有30nm的氮化鎵微晶。該小組還采用非水熱合成制備金剛石粉體，開辟了一條十分有經(jīng)濟價值的技術(shù)路線。
· 在納米有機材料及高分子納米復(fù)合材料方面·
化學所在高聚物插層復(fù)合，分子電子學、富勒烯化學及物理，二元協(xié)同納米界面材料等方面取得了領(lǐng)世人矚目的業(yè)績，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，有些已開始進入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段。如蒙脫土納米插層復(fù)合技術(shù)的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了納米聚烯烴、聚酰胺、聚酯等工程塑料和橡膠的產(chǎn)業(yè)化，正推動傳統(tǒng)聚合物產(chǎn)品的升級換代，使我國在納米聚合物領(lǐng)域在國際上保持地位。國家"973" 納米領(lǐng)域科學家張立德研究員為此發(fā)表評論說："納米塑料將是我國希望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的納米技術(shù)之一。"
2.2.2.2納米器件研究
在量子電子器件的研究方面，我國科學家研究了室溫條件下單電子隧道效應(yīng)，單原子單電子隧道結(jié)，超高真空STM室溫庫侖阻塞效應(yīng)和高性能光電探測器以及原子夾層型量子器件。
清華大學已研制出100nm級的MOS器件，還研制出一系列硅微集成傳感器、硅微麥克風、硅微馬達、集成微型泵等器件，以及基于微米/納米三維加工的新技術(shù)與新方法的微系統(tǒng)。
中科院半導體所研制了量子阱紅外探測器和半導體量子點激光器，物理所已經(jīng)研制出可在室溫下工作的單電子原型器件。西安交通大學制作了碳納米管場致發(fā)射顯示器樣機，已連續(xù)工作了3800小時。
在有機超高密度信息存儲器的基礎(chǔ)研究方面，中科院北京真空物理實驗室、化學所和北京大學等單位的學者，在有機單體薄膜NBPDA上作出點陣，1997年，點徑為1.3nm，1998年，點徑為0.7nm，2000年，又達0.6nm，信息點直徑比國外報導的研究結(jié)果小了近一個數(shù)量級，是現(xiàn)已實用化的光盤信息存儲密度的近百萬倍。北京大學采用雙組份復(fù)合材料（TEA/TCNQ）作為超高密度信息存儲器件材料，得到信息點為8nm的大面積信息點陣（3um×3um）的優(yōu)異成就。復(fù)旦大學成功制備了高速高密度存儲器用雙穩(wěn)態(tài)薄膜。并已經(jīng)初步選擇合成出幾種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的有機單分子材料，可望作為有機納米集成電路的基礎(chǔ)材料。
從我國納米器件研究的情況來，主要集中在研究基礎(chǔ)較好，設(shè)備設(shè)施相對齊全的研究院所和高校；如中科院有關(guān)研究所，北大、清華、復(fù)旦、南京大學等。由于投資不足，在硬件設(shè)施設(shè)備條件技術(shù)層次不高的情況下，能取得這些成績，殊屬不易。這些研究工作（Approaches）是"由大到小"（Top down）的工作，因此，總體上來說我國在納米結(jié)構(gòu)體系上的研究同國外還有較大的差距，特別在"由小到大"（bottom up）的研究工作有待實質(zhì)性的起動。
2.2.2.3納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征
90年代開始，中科院北京真空物理室和化學所運用STM進行了納米級及原子級的表面加工，在晶體表面先后刻寫出"CAS"、"中國"和中國地圖等文字和圖案。中科院化學所先后研制STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等專用于納米區(qū)域范圍表面的儀器設(shè)備，并且有自己的知識產(chǎn)權(quán)。他們還開發(fā)了表面納米加工技術(shù)，為我國納米技術(shù)的研究起到了先導者和促進者的作用，最近他們在單分子科學技術(shù)以及有機分子有序組裝方面有了很好的進展，并開始對分子器件進行探索性研究。中國科技大學進行了硅表面富勒烯C60單分子狀態(tài)檢測，為分子器件的研究制備提供了一些基本數(shù)據(jù)。
北京大學自行研制VHU-SEM-STM-EELS聯(lián)用系統(tǒng)和LT-SNOM系統(tǒng)。建立了完整的近場光學顯微系統(tǒng)--近場光譜與常規(guī)光學聯(lián)用系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)研究了癌細胞的結(jié)構(gòu)形貌。
總之，在納米結(jié)構(gòu)的檢測與表面的基礎(chǔ)性研究開拓方面取得了可喜的成績，但同先進國家比總體上還有相當大的差距。由于投資少，硬件設(shè)備要求高，這方面的研究還只能集中在少數(shù)幾個研究院所和大學。由于我國受制于研究工作條件的不足，研究力量比較薄弱，在納米結(jié)構(gòu)，特別是納米器件方面的研究工作，只能算是剛起步。國家正在考慮建立公用技術(shù)平臺，建立相應(yīng)的資源共享體制，組織力量進行多學科攻關(guān)，突破納米結(jié)構(gòu)加工和納米器件的關(guān)鍵技術(shù)。
2.2.3納米材料的產(chǎn)業(yè)化
我國納米材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面總體上處行列，有不少產(chǎn)品的量產(chǎn)能力居地位。
· 納米氧化物方面·
納米氧化鋅、納米氧化鈦、納米氧化硅、納米氧化鋯、納米氧化鎂、納米氧化鈷、納米氧化鎳、納米氧化鉻、納米氧化錳、納米氧化鐵等。
· 納米金屬和合金方面·
有銀、鈀、銅、鐵、鈷、鎳、鈦、鋁、銀-銅合金、銀-錫合金、銅-鈦合金、鎳-鐵合金、鎳-鈷合金等。
· 納米碳化物·
有碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化硼等。
·納米氮化物·
有氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氮化硼等。
2.2.3.2納米材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)
我國納米材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，這兩年有突飛猛進的發(fā)展勢頭，走在前列。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、令世人矚目。
· 納米碳管工業(yè)化生產(chǎn)線·
清華大學化工系魏飛教授的課題組，采用納米聚團床反應(yīng)器，能大量制備多壁碳納米管的新技術(shù)，與南風化工集團股份有限公司合作，成功的實現(xiàn)了15公斤/小時的高產(chǎn)量紀錄，這是目前國際上多壁碳納米管產(chǎn)業(yè)化制備能力的紀錄。如每年連續(xù)生產(chǎn)運行8000小時計，該生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力已達到120噸/年。據(jù)悉，該技術(shù)可在較低溫度下實現(xiàn)純度在80%以上，多種型貌碳納米管可控制，成本低。碳管外徑在4~60納米，內(nèi)徑在2~20納米，管壁的石墨層可以實現(xiàn)傾斜和平行排列的不同構(gòu)形的碳管。其技術(shù)特點是連續(xù)化、能耗低、放大效應(yīng)小，適合產(chǎn)業(yè)化推廣。
· 鈦基納米粉體材料·
哈爾濱鑫科納米科技發(fā)展有限公司的納米工程技術(shù)專家，研究開發(fā)出采用磨球與普通鈦粉高速懸浮旋轉(zhuǎn)研磨機械工藝路線。建成工業(yè)化鈦基納米材料生產(chǎn)線。并自行研制出配套的分散劑和保護劑，成功的解決了團聚問題，使產(chǎn)品能在常溫下長期保存，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。納米技術(shù)專家認為，其產(chǎn)業(yè)化程度之高，在國內(nèi)居水平。該生產(chǎn)線還能生產(chǎn)銅、鐵、鎳等金屬納米粉體材料。
納米鈦粉可作耐磨、耐腐蝕、耐沸水特種涂料的添加劑。已在大慶油田、勝利油田和熱水內(nèi)膽生產(chǎn)企業(yè)等方面及得到成功的推廣應(yīng)用。添加鈦納米材料的涂料，還具有神奇的自我修復(fù)能力，可用做金屬和非金屬材料通用的修補劑。同時它還具有"荷葉效應(yīng)"的自潔能力。如吉林通化葡萄酒廠熱水罐內(nèi)壁用其處理后，5年未發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。由于鈦是對人體植物神經(jīng)味覺沒有任何影響的金屬，因此其涂料可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)流程設(shè)備中。
最近，該公司又成功實現(xiàn)用廢鈦材料直接轉(zhuǎn)化成納米材料，在性能不降的條件下進一步降低了生產(chǎn)成本，將使高級航天材料越來越廣泛地步入民品領(lǐng)域。鈦基納米材料產(chǎn)業(yè)化項目已列入國家"十五"規(guī)劃中的納米技術(shù)和納米材料發(fā)展綱要。
· 納米碳酸鈣·
碳酸鈣是化工行業(yè)廣泛使用的大宗無機化工原料。我國碳酸鈣年生產(chǎn)能力約280萬噸，年實際生產(chǎn)量約220萬噸左右，基本上是普通輕質(zhì)碳酸鈣和活性碳酸鈣。納米碳酸鈣、納米級活性碳酸鈣等高檔次碳酸鈣一直依賴進口，碳酸鈣行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極不合理。
這幾年來，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，我國納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)很快形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)生產(chǎn)體系，有望根本改度我國碳酸鈣行業(yè)技術(shù)落后的面貌。
這里特別值得介紹的是廣東廣平化工實業(yè)有限公司同北京化工大學聯(lián)合開發(fā)的超重力法納米碳酸鈣工業(yè)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線年產(chǎn)3000噸納米碳酸鈣，產(chǎn)品一次平均粒徑為15~30nm，比表面積62~77m2/g范圍可調(diào)的多種晶形的納米碳酸鈣，其質(zhì)量指標處于水平。
該生產(chǎn)線的技術(shù)是由北京化工大學研究開發(fā)的，是國家"863"計劃項目--納米粉體超重力法工業(yè)性制備新技術(shù)的研發(fā)成果。該技術(shù)基于分子混合與反應(yīng)結(jié)晶理論，研究開發(fā)了超重力法合成納米粉體材料的方法和相應(yīng)的裝備，屬國際。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，已獲得國家發(fā)明。它的開發(fā)成功，立刻引起了美國道康寧、陶氏化學、德國巴斯夫、拜耳等國際大公司的關(guān)注，紛紛前來洽談合作事宜，使我國從納米粉體材料技術(shù)進口國轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)出口國。
該生產(chǎn)線已經(jīng)通過生產(chǎn)驗證考核。證明其核心設(shè)備超重力碳化反應(yīng)器生產(chǎn)能力達到3500噸/年，超過了設(shè)計能力。最近傳來消息，國家計劃發(fā)展委員會擬在山西省籌建30000噸/年生產(chǎn)能力的超重力法納米碳酸鈣生產(chǎn)線。
超重力法納米碳酸鈣技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，是目前我國納米材料工業(yè)化的。
上海華明高技術(shù)（集團）有限公司（國家超細粉體工程中心）開發(fā)的納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)也頗引人注目。該中心已與山西蘭化科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司合作，成立山西蘭花華明納米材料有限公司，在山西省晉城市建設(shè)納米級超細活性碳酸鈣生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力為15000噸/年，并已于2001年10月建成投產(chǎn)（一期）。二期工程再建一條15000噸/年生產(chǎn)線，計劃于2002年建成投產(chǎn)。其技術(shù)路線是在原有傳統(tǒng)沉淀法基礎(chǔ)上，注入創(chuàng)新的晶型納米化控制技術(shù)，是傳統(tǒng)沉淀碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)的二次革命。
具有近六十年輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)歷史的湖州菱湖化學廠（現(xiàn)菱化集團），自行開發(fā)出納米級橡塑專用碳酸鈣，也已具備2000噸級生產(chǎn)能力，視市場需求情況，可隨時擴產(chǎn)到5000噸。
湖州湖化公司，也已建成年產(chǎn)5000噸的納米碳酸鈣生產(chǎn)線。
湖州市浙港合資浙江金豐納米材料有限公司年產(chǎn)5000噸的沉淀法高純晶型納米碳酸鈣已于2001年7月建成投產(chǎn)，并擬于2002年再建二期20000噸/年生產(chǎn)線，屆時年產(chǎn)能力將達25000噸/年。
· 納米氧化硅工業(yè)化生產(chǎn)線·
浙江省舟山明日納米材料有限公司同中科院固體物理所合作，于1997年建成年產(chǎn)百噸級的納米硅基氧化物（SiO2-x）工業(yè)化生產(chǎn)線。納米硅基氧化物是納米材料的重要一員，具有廣泛的用途。該生產(chǎn)線生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量非常好。其顆粒直徑?。?--15nm），具有很高的比表面積（達640--720m2/g）。
· 納米硅基陶瓷粉體·
齊齊哈爾超微粉制造公司利用中科院金屬研究所發(fā)明的激光制備納米粉體的技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上加以改進，用兩年時間完成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)，建成年產(chǎn)2噸的高性能硅基納米陶瓷粉體生產(chǎn)線。這是目前產(chǎn)能的生產(chǎn)裝置，令美國同行刮目相看。美國有關(guān)公司生產(chǎn)能力也不過是日產(chǎn)1 公斤左右。
該廠生產(chǎn)的Si，碳化硅（SiC），氮化硅（Si3N4）和混合粉的含氧量得到嚴格控制，粒徑都在38nm以下，是目前好的。
·納米材料--納米專用涂料·
佳隆（煙臺）實業(yè)有限公司電子材料廠，原是一家納米材料制備企業(yè)，也是從事復(fù)合納米粉體研制企業(yè)，因此具有納米材料應(yīng)用開發(fā)的經(jīng)驗。該廠同中科院物理所、科大、南大等單位合作，瞄準納米材料在電子行業(yè)的應(yīng)用，以電子漿料為突破口，開發(fā)出彩電顯像管、計算機顯示器等顯示終端專用的三防（防靜電、防眩、防輻射）涂料，我國的空白，打破了美國、日本等少數(shù)國家的壟斷。最近，他們進一步開發(fā)出具有節(jié)能、環(huán)保涂膜玻璃用涂層材料，經(jīng)這種材料涂敷的玻璃，具有反射紅外線、防紫外線、不結(jié)霧等多種功能，市場前景非常好。為此，佳?。熍_）實業(yè)有限公司于2001年初，對該電子材料廠擴建改造。并被列為國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化新材料專項示范工程項目--功能玻璃用納米涂層材料。佳?。熍_）實業(yè)有限公司為此投資9226萬元予以組織實施。
該項目的組織實施，標志著國內(nèi)從單一納米粉體制備找到某種關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域并形成最終產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化上的突破。這對當前我國納米材料應(yīng)用技術(shù)跟不上，應(yīng)用推廣困難，納米材料生產(chǎn)企業(yè)效益上不去，有的難以為繼的尷尬局面，如何找到一條出路，無疑是一個很好的范例。