如何开发新型纳米材料
材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展导致着时代的变迁，可以这么说，材料的先进就代表着时代进步和物质文明的进步。而新型功能材料正是在引领着材料发展的潮流。一个国家对于各种新型功能材料的个、结构、性能、制备和应用，反映着该国在材料领域的水平。同时也成为衡量一个国家经济和社会发展、国防实力等的重要标志。正是由于新型功能材料对于国家、社会都有着举足轻重的地位和重要性，对起的开发的研究也显得尤为的重要。
研究意义
功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础，直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。 我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。
我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。
我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。发展电动汽车、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加。我国西部还拥有一些储量丰富的资源，如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等，有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上，这些资源均是特种功能材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料，拓宽其应用领域，取得自主知识产权，将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力，这对实现西部资源的高附加值利用，将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义，将有力地支持国家的西部大开发。
材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。随着新技术将更迅猛地发展，我们对功能材料的需求也日益迫切。因此，我们要加强对功能材料的研制和开发应用，把新成果应用于劳动生产。在未来的五到十年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。
为了使我国纳米科学技术健康快速发展，必须采取有力的措施，推动我国纳米科学技术的繁荣。当前急需要做的几件事情是：
1. 媒体要全面正确宣传纳米材料和技术的科学内涵，纠正乱用和炒作纳米概念的不正之风，提倡各领域专家协同创新，促进纳米技术向各个领域交叉渗透。
2. 建立纳米技术实用化和产业化基金，加大对纳米技术和产业发展的资金扶持力度。形成政府、企业、金融部门、社会等多面的投资渠道，支持纳米产业的发展。制定优惠税率、贷款贴息等相关政策，引导企业、金融部门、风险投资机构及社会闲散资金投入到纳米技术和产业的发展中。
3. 建立一批从事纳米技术研究和产业化开发的重点实验室和工程技术研究中心，并与纳米产业挂钩，增强纳米产业发展的动力。
4. 建立国家级纳米技术产业认定、评价中心和纳米技术产品标准制定中心。负责和指导纳米技术的行业标准和产品标准。
5. 制定纳米产业核心技术自主知识产权的保护措施，鼓励申请国际发明专利，并予以适当财政补贴。
6. 成立非常设纳米产业发展指导协调委员会和咨询专家组，对全国纳米材料和技术的发展进行宏观咨询、指导和协调。
7. 建议成立国家纳米技术学会和国家纳米产业协会，促进纳米技术的交流，推进纳米产业健康发展。
8. 从现在开始要特别重视纳米技术人才的培养，教育部门要把纳米科学和技术作为重要的学科加强建设，传统学科领域要注意与纳米科学技术相结合，充实纳米科学技术的内涵，使传统学科的知识与国际前沿接轨。
实际应用方面的价值
新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。主要包括电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、生态环境材料、超导材料、智能材料、功能高分子材料、先进复合材料、梯度材料等。
功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。它是信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业的先导、基石与支撑。
在未来的5～10年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求。目前，功能材料已成为我国材料科学和工程中最具活力与创新性的热点；有关功能材料的项目已占整个新材料研究项目的70%以上。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术和加强国防建设的重要基础材料；而且对我国基础工业与传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用；同时还直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。目前光电信息材料、功能陶瓷材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等功能材料是世界各国战略高技术竞争的热点和重点，也是我国“十二五”国家科技计划材料领域的重点。
当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。
国内外的研究现状
当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展趋势可归纳为如下方面：
（1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件（如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等）下工作的高性能功能材料。
（2）功能材料的功能从单功能化向多功能化和复合或综合功能发展，从低级功能（如单一的物理性能）向高级功能（如人工智能、生物功能和生命功能等）发展。
（3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。
（4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。
（5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。
（6）完善和发展功能材料检测和评价方法。
（7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并把成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。
纳米材料的合成与制备方法
物理制备方法
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。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。制备ZnO一维纳米材料通常采用汽固（VS）、汽液固（VLS）等蒸发传质法：在水平放置的铝管管式炉中加热原材料（ZnO粉体）使之气化，通入运载气体（Xr）流使ZnO随运载气体运载到低温区，由于温度的降低，ZnO在底衬（铝板）上沉积并生长得到一维ZnO纳米材料。但是取向生长ZnO纳米线在场电子发射器、新型太阳能电池、紫外激光器等领域应用广泛。由于这些应用与ZnO纳米线生长的空间方向、晶面取向以及ZnO纳米线在纳米线阵列中的密度紧密相关，因此制备方向、取向、密度可控的ZnO纳米线是当今一个热点研究课题。所以为了制备新型ZnO一维纳米材料采用金属纳米粉体或纳米簇为催化剂，配合传统汽一液一固（VLS）法在衬底上则可生长出ZnO纳米线，这是典型的合成位置、取向、密度可控ZnO的新方法。
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。 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。
化学制备方法
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（CH3）2和S［Si（CH3）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.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。
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［S2P（OC8H17）2］3作反应物，用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi2S3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。
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。 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。它在生物医疗领域同样具有极高用途，如细菌纤维素纳米材料的制备，目前已经商品化的产品主要有用作外科和齿科材料的细菌纤维素产品Biofill、Gengiflex和BASYC。对于二级和三级烧伤、溃疡等，Biofill已被成功用作人造皮肤的临时替代品，Geniflex已用于齿根膜组织的恢复；基于细菌纤维素的原位可塑性设计出的BASYC可望在显微外科中用作小尺寸人造血管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。
基于以上发展趋势，下面介绍几种重要的新型功能材料：
智能材料
智能材料是具有感知温度、力、电、磁等外界环境并产生驱动（位移等）效应的一类重要功能材料，主要包括形状记忆、压电和磁料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前产业关注的热点。另外，薄膜太阳能电池由于大大地减少了半导体材料的消耗，也容易批量生产，从而大幅度地降低了太阳能电池的成本，但是效率相对较低，目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6～8%。随着纳米技术的发展和成熟，纳米结构材料成为新颖的太阳能电池材料，在太阳能电池中使用纳米结构材料将能够提高太阳能电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，对于实现太阳能电池的大规模应用将起着重要的作用，例如燃料敏化纳米晶膜太阳能电池的光电转换效率已达到11.04%，而其成本只有传统硅光电池的十分之一，已成为目前应用前景看好的光电转换器件。
电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括单晶硅为代表的半导体微电子材料；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；
纳米材料
纳米材料是指三维空间中至少有一维处于1～100nm或由它们作为基体单元构成的材料，其命名出现在20世纪80年代。纳米技术、信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱。
纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。1991年美国将纳米技术列入“政府关键技术”。1993年德国提出今后10年重点发展的9个关键技术中有4个涉及纳米技术。日本、欧盟也都斥巨资用于纳米材料与技术的开发。我国将其列入“863”、“973”计划和“十五”、“十一五”规划，在2001年7月下发了《国家纳米科技发展纲要》，指出我国纳米科技在今后5～10年的主要目标：在纳米科学前沿取得重大进展，奠定发展基础；在纳米技术开发和应用方面取得重大突破；逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍；建立全国性的纳米科技研发中心和以企业为主体的产业化基地，促进基础研究、应用研究和产业化的协调发展。 2004年曼彻斯特大学的Geim和Philip Kim首先发现了该材料并于2010年获物理学诺贝尔奖。石墨烯的出现打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，带来了众多出乎人们意料的新奇特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。目前，该材料的研究和产业孕育开发正在全世界范围内轰轰烈烈地展开，都在力争抢占石墨烯产业创新的制高点。
光纤通信材料
磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。
新能源材料
寻找清洁的能源和可再生能源是当今世界共同关心的问题。太阳能是一种用之不竭的绿色环保能源，太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，自从1954年单晶硅太阳能电池在贝尔实验室问世以来，硅电池因其较高的光电转换效率（约20%）而在各类光伏电池中占据主导地位。但由于其制造工艺复杂、硅原材料的短缺而限制了硅电池的广泛应用。寻找与传统能源材料价格相当的新材料和制备工艺是太阳能电池能够得到普及的关键。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前产业关注的热点。另外，薄膜太阳能电池由于大大地减少了半导体材料的消耗，也容易批量生产，从而大幅度地降低了太阳能电池的成本，但是效率相对较低，目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6～8%。随着纳米技术的发展和成熟，纳米结构材料成为新颖的太阳能电池材料，在太阳能电池中使用纳米结构材料将能够提高太阳能电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，对于实现太阳能电池的大规模应用将起着重要的作用，例如燃料敏化纳米晶膜太阳能电池的光电转换效率已达到11.04%，而其成本只有传统硅光电池的十分之一，已成为目前应用前景看好的光电转换器件。
目前新型功能材料是世界各国研究的热点，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷，新型功能材料在整个新材料产业中的市场份额越来越大，我国目前在功能材料的创新性研究和产业化方面与发达国家相比仍有较大差距。但近年来，在国家“863”、“973”、国家自然科学基金等计划的支持下在功能材料领域取得了丰硕的成果，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地，培养了一批优秀的功能材料研发人才和队伍，随着我国在功能材料系统集成和产学研相结合等方面的完善，我国新型功能材料产业化的能力将得到大幅的提升和快速的发展。
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