20世紀(jì)90年代，以前人們從未探索過的納米物質(zhì)（Nanostructured materials）一躍成為科學(xué)家十分關(guān)注的研究對象。新奇的納米材料剛剛誕生才幾年，以其所具有的獨(dú)特性和新的規(guī)律，如材料尺度上的超細(xì)微化而產(chǎn)生的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等及由這些效應(yīng)所引起的諸多奇特性能，已引起世界各國科技界及各國政要的高度重視，使這一領(lǐng)域成為跨世界材料科學(xué)研究領(lǐng)域的"熱點(diǎn)"。1999年12月14日，美國總統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)顧問委員會（PCAST）致函克林頓，極力推薦美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會（NSTC）的提議，即從2001年度財(cái)政預(yù)算中開始實(shí)施"國家納米技術(shù)推進(jìn)計(jì)劃"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林頓的高度重視。2000年1月2日，克林頓簽發(fā)執(zhí)行令，決定將NNI列為美國科技領(lǐng)域最優(yōu)先發(fā)展的計(jì)劃，并在2000年度財(cái)政預(yù)案中專為此項(xiàng)計(jì)劃追加2.25億美元，與2000年度相比增加了84%。美國政府這一舉措引起了世界范圍的廣泛關(guān)注，新一輪科技競爭已經(jīng)在或明或暗的氣氛中形成，納米或納米技術(shù)背后隱藏著的巨大商機(jī)開始顯現(xiàn)，有資料表明，1999年全球納米技術(shù)的生產(chǎn)值達(dá)500億美元，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到14400億美元。
1、納米和納米材料
納米是一種長度的量度單位，1納米（nm）等于10-9米，1nm的長度大約為4到5個(gè)原子排列起來的長度，或者說1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的10萬分之一。在英語里納米用nano表示，NANO一詞源自拉丁前綴，矮小之意。
納米結(jié)構(gòu)（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。
納米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是納米級結(jié)構(gòu)材料的簡稱。狹指由納米顆粒構(gòu)成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米，在通常情況下不超過10納米；從廣義上說，納米材料，是指微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1～100nm）限制的各種固體超細(xì)材料，它包括零維的原子團(tuán)簇（幾十個(gè)原子的聚集體）和納米微粒；一維納米纖維；二維納米微粒膜（涂層）及三維納米材料。
納米科學(xué)（nano scale science），是指研究納米尺寸范圍在0.1-100nm之內(nèi)的物質(zhì)所具有的物理、化學(xué)性質(zhì)和功能的科學(xué)。
納米技術(shù)（nano scale technology）是指在納米結(jié)構(gòu)水平上對物質(zhì)和材料進(jìn)行研究處理的技術(shù)。納米技術(shù)其實(shí)是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。它以納米科學(xué)為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行制造新材料、新器件，研究新工藝的方法。它被公認(rèn)為21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于材料生產(chǎn)（超微粉、鍍膜等），性能檢測技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物化、電、磁、熱及化學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。
納米科學(xué)技術(shù)的最終目的是人類能夠按照自己的意志直接、自如操縱單個(gè)原子、制造具有特定功能的產(chǎn)品。
2、納米材料的結(jié)構(gòu)
材料學(xué)研究認(rèn)為：材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，同時(shí)材料的性能反映材料的結(jié)構(gòu)。納米材料也同樣如此。
對于納米材料，其特性既不同于原子，又不同于結(jié)晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學(xué)性質(zhì)與塊體材料有明顯的差異。
納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：納米尺度結(jié)構(gòu)單元，大量的界面或自由表面，以及結(jié)構(gòu)單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想單晶，也有呈現(xiàn)非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。納米材料的結(jié)構(gòu)上存在兩種結(jié)構(gòu)單元；即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成，這些原子嚴(yán)格地位于晶格位置；界面單元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。
納米材料由于非常小，使納米材料的幾何特點(diǎn)之一是比表面積（單位質(zhì)量材料的表面積）很大，一般在102～104m2/g。它的另一個(gè)特點(diǎn)是組成納米材料的單元表面上的原子個(gè)數(shù)與單元中所有原子個(gè)數(shù)相差不大。例如：一個(gè)由5個(gè)原子組成的正方體納米顆粒，總共有原子個(gè)數(shù)53=125個(gè)，而表面上就有約89個(gè)原子，占了納米顆粒材料整體原子個(gè)數(shù)的71%以上。這些特點(diǎn)完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面積在10m2/g以下，其表面原子的個(gè)數(shù)與組成單元的整體原子個(gè)數(shù)相比較完全可以忽略不計(jì)。
由于以上納米材料的兩上顯著不同于普通材料的幾何特點(diǎn)，從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，就使得納米材料有兩個(gè)不同于普通材料的物理效應(yīng)表現(xiàn)出來，這是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程。一個(gè)效應(yīng)我們稱之為量子尺寸效應(yīng)，另一個(gè)被稱之為表面效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)是由于材料的維度不斷縮小時(shí)，描述它的物理規(guī)律完全不同于宏觀（普通材料）的規(guī)律，不但要用描述微觀領(lǐng)域的量子力學(xué)來描述，同時(shí)要考慮到有限邊界的實(shí)際問題。關(guān)于量子尺寸效應(yīng)處理物理問題，到目前為止，還沒有一個(gè)較為成熟的適用方法。表面效應(yīng)是由于納米材料表面的原子個(gè)數(shù)不可忽略，而表面上的原子又反受到來自體內(nèi)一側(cè)原子的作用，因此它很容易與外界的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也就是說它們十分活潑。
納米材料由于這兩上特殊效應(yīng)的存在，使得它們的物理、化學(xué)性質(zhì)完全不同于普通材料。目前許多實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，納米材料的熔點(diǎn)、磁性、電容性、發(fā)光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如，將金屬銅或鉛做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸；用碳納米管做成的超級電容器，其體積比電容達(dá)到600F/cm3，這在同樣體積下電容量為傳統(tǒng)電容的幾百倍；碳納米管的強(qiáng)度比鋼強(qiáng)100倍……�；谶@些令人興奮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們完全可以預(yù)感到，納米材料的實(shí)際應(yīng)用一定能夠大量地滿足人們用普通材料不能達(dá)到的要求，提高人們的生活質(zhì)量，大大促進(jìn)社會的進(jìn)步。
3、納米材料的性能
運(yùn)用納米技術(shù)，將物質(zhì)加工到一百納米以下尺寸時(shí)，由于它的尺寸已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、化學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往產(chǎn)生既不同于微觀原子、分子，也不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的宏觀性質(zhì)，也即納米材料表現(xiàn)出物質(zhì)的超常規(guī)特性。
3.1 納米材料的特性（四個(gè)效應(yīng)）
當(dāng)物質(zhì)尺寸度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有109倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。
當(dāng)小顆粒進(jìn)入納米級時(shí)，其本身和由它構(gòu)成的納米固體主要有如下四個(gè)方面的效應(yīng)。
3.1.1 體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)）
當(dāng)粒徑減小到一定值時(shí)，納米材料的許多物性都與顆粒尺寸有敏感的依賴關(guān)系，表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應(yīng)或量子尺寸效應(yīng)。例如，對于粗晶狀態(tài)下難以發(fā)光的半導(dǎo)體Si、Ge等，當(dāng)其粒徑減小到納米量級時(shí)會表現(xiàn)出明顯的可見光發(fā)光現(xiàn)象，并且隨著粒徑的進(jìn)一步減小，發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，發(fā)光光譜逐漸藍(lán)移。又如，在納米磁性材料中，隨著晶粒尺寸的減小，樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生本質(zhì)的變化，粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當(dāng)顆粒尺寸小于某一臨界值時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)，當(dāng)金屬顆粒減小到納米量級時(shí)，電導(dǎo)率已降得非常低，這時(shí)原來的良導(dǎo)體實(shí)際上會轉(zhuǎn)變成絕緣體。這種現(xiàn)象稱為尺寸誘導(dǎo)的金屬--絕緣體轉(zhuǎn)變。
3.1.2 表面與界面效應(yīng)
粒子的尺寸越小，表面積越大。納米材料中位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，隨著粒徑的減小，引起表面原子數(shù)迅速增加。如粒徑為10nm時(shí)，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm時(shí)，比表面積為180m2/g；粒徑小到2nm時(shí)，比表面積猛增到450m2/g。這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，使其表面能、表面結(jié)合能迅速增加致使它表現(xiàn)出很高的粒子化學(xué)性。利用納米材料的這一特性可制得具有高的催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。
納米材料的許多物性主要是由表（界）面決定的。例如，納米材料具有非常高的擴(kuò)散系數(shù)。如納米固體Cu中的自擴(kuò)散系數(shù)比晶格擴(kuò)散系數(shù)高14～20個(gè)數(shù)量級，也比傳統(tǒng)的雙晶晶界中的擴(kuò)散系數(shù)高2～4個(gè)數(shù)量級。這樣高的擴(kuò)散系數(shù)主要應(yīng)歸因于納米材料中存在的大量界面。從結(jié)構(gòu)上來說，納米晶界的原子密度很低，大量的界面為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散。普通陶瓷只有在1000℃以上，應(yīng)變速率小于10-4/s時(shí)才能表現(xiàn)出塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就可以發(fā)生塑性變形。
