1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以发表和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。
（1）发达国家和地区雄心勃勃
为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。
欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。
（2）新兴工业化经济体瞄准先机
意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。
中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。
（3）发展中大国奋力赶超
综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技发表协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行发表与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。
2、纳米科技研发投入一路攀升
纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。
美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。
在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。
中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。
另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。
3、世界各国纳米科技发展各有千秋
各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。
（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下
根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。
2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。
在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。
另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头
据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。
专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。
（3）就整体而言纳米科技大国各有所长
美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。
虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。
日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。
日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。
日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。
欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
4、纳米技术产业化步伐加快
目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。
美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。
美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。
日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。
欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。
关键词 理论与实践 纳米材料 教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.10.027
Abstract The significance of introducing the nano-scale concepts into theory-practical course for our undergraduate learners’ understanding of instrumental analysis of a given substance and the quantitative analysis from the theory. Combined with the experience in nanomaterial and nanotechnology of our research group， we point out how to help students really establishing clear nano-scale concept in the “Instrumental Analysis Ⅱ” （bilingual instruction） courses， which will combine theory and practice better.
Keywords theory and practice； nanomaterial； reform in education
目前全国高校的本科生已有很多的理论结合实践课程，而就化学专业尤其是分析花絮专业的学生而言，仪器分析类课程是必修的理论结合实践的课程。不论是教学中还是毕业后走上就业岗位，很多学生面临着接触或从事仪器类尤其是对材料进行表征类仪器有关工作。
早在150年前，微米成为了新的精度标准，这样的技术给人类带来了巨大的发展，也奠定了世界工业化的基础。但是，随着人们对提高材料的性能、推动高新技术发展的需求不断增长，各类材料的制备技术和表征技术也在日新月异。自1861年胶体化学建立后，科学家们开始对小尺寸的粒子（1～100 nm）展开研究，由此引出了“纳米”这一新概念。纳米（nm），又称毫微米，是长度的度量单位，1纳米=10-9米。纳米颗粒一般也就是指直径在1～100 nm范围的粒子。能够对纳米颗粒的尺寸、形貌、结构和组成进行表征的仪器有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）等等。①而今本科教学课程中所涉及的这些显微技术虽然在学生实验室中常见，但因缺乏纳米尺寸以及原子概念的教育，所以仍有很多学生在学习中接触到这样的尺度概念时理解不清晰，这也引发了许多教学工作者对这一现象的思考。②③④
1 在本科教学中引入纳米概念的必要性
在本科学习阶段，本科生是否有必要对纳米这样极小尺寸甚至原子理论这些抽象概念进行了解呢？其实很有必要。因为不论在何种材料中，其最小基本组成（原子或分子）的存在本身就是一个不容忽视的化学概念。即使是对头发这样已知并可见的物质，本科学生不一定能准确回答其尺寸大小是多少或者什么数量级。教学实验中的常见光学显微镜虽然可以用来检查物体的轮廓及细节，但只有当该物的尺寸比光的波长还要大，才能观察到该物质，而小到几个纳米甚至原子级别则无法达到可视化。
在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中有一章节将库伦分析法这样的电化学方法理论知识与纳米级别以下的原子数目建立了关联。原题是这样描述的：“A monolayer （single layer of atoms） of Cu on the crystal face shown in the margin has 1.53 x 1015 atoms/cm2 = 2.54 x 10-9 mol/cm2. Question： What current can deposit one layer of Cu atoms on 1 cm2 in 1 s？”这个题目在问：当电流和时间一定时，在面积为1cm2中能够沉积铜原子的数目（图1为“100”晶面排列的铜原子在1cm2的个数示意图）；或者一定数目的铜原子在一定的时间里能够沉积满一个单原子层/1cm2则需要的电流为多少？由于发现本科生对纳米以下的原子概念理解甚少，所以对这一量化计算显得茫然。为了培养我们的学生能够成功塑造完整的知识面和知识体系，达到学科不断发展的需要，教学人员决定在《Instrumental Analysis Ⅱ》这门课程中引进纳米以及原子尺寸的概念。
2 引入纳米概念的教育方式
如何在教学中能够引入抽象的纳米概念，又能激发本科生对此概念的兴趣，是成功展开这方面教育的一个重要开始。普遍理论与具体实践相结合的“理论联系实际”原则可以达到主观和客观、理论和实践、知和行的统一。那么关于纳米的尺寸虽然小之又小，但是从人们所熟悉的头发可以引起一个人们在日常生活中所熟知的最小尺寸概念。在课堂中，首先让本科生思考“细如发丝”的问题：头发到底有多细？直径大约在哪个数量级？这一问题的抛出，引起了学生们在课堂上的热闹讨论。结果有这样几种答案：0.1-0.01毫米、1-10个微米、10-100个微米。那么在《泰山医学院学报》上的《国人头发直径的调查》⑤中一文指出：“显微镜目镜测微尺对571人的4272根头发的直径进行了测量，发现其平均直径为84.01？3.07微米。”答案揭晓后，学生们对微米概念显得饶有兴趣，并对人体眼睛的分辨率有了一定的了解。
此后，再次以学生们所熟悉的足球为例，让其讨论一个足球的大小，结果学生们很快就能给出正确答案：十几个厘米。当这个简单问题回答后，立即让其讨论我们和所有生物赖以生存的地球直径是多少。这样的例子对于本科生并不陌生，却又难以捉摸正确答案。在经过一段时间的思考后，课堂的本科生表现出强烈的求知欲望，希望能够获知答案。对于这一现象，教学者不是直接给出答案，而是将此问题上升为：如果将足球扩大上亿倍，将接近地球的尺寸，此时，本科生们对“一亿”这样的数量级有了一个模糊的概念。
实际上，一个地球的尺寸缩小一亿倍，接近一个足球的尺寸，而一个足球同样缩小一亿倍，将是一个纳米的尺寸。当这一概念在课堂上给出后，本科生们觉得震撼，深切感叹纳米尺寸的渺小同时体会到纳米尺寸的发现、发展的不易，以及对发明纳米尺寸表征技术的仪器创造者们表示由衷的敬佩。
3 对纳米概念的巩固
在理论联系实际的教学方式中介绍纳米尺寸后，进一步对原子概念进行阐述。纳米粒子也是由原子构成的。但一纳米相当于多少个原子的直径总和这一问题要结合元素周期表中具体原子的大小等因素来考虑，因为不同的原子大小不一。通过概念讲解前的提问引发本科生们的思考，再经过由大到小的尺寸数量级概念演变并结合生活中的实例，之后为了对新鲜知识的巩固，我们又设计了一些涉及到纳米及原子尺寸概念的问题。我们发现通过这些练习使得学生们对纳米尺寸和原子尺度概念的感知有了显著的改善。
4 结束语
总之，我们已经在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中引入纳米尺寸和原子尺寸，使得本科生对尺度概念有了新的认识，为日后的科研和工作奠定了一定的理论基础，学生们在本科教学中掌握了纳米尺寸和原子尺度的概念将会对其未来的探究性学习和实验活动有所帮助，同时也培养他们积极思考的好习惯。我们鼓励将本科生纳米概念教育的方式引入到教学中来。
注释
① 任庆云，王松涛，张大飞.纳米材料的结构表征方法[J].广州化工，2014.42（5）：34-35.
② 李明，张晓波，李洪俊，刘亲壮.《纳米材料》课程设计探讨[J].吉林师范大学学报，2011.3：145-147.
③ 王燕民，潘志东.本科生纳米技术的工程教育[J].化工高等教育，2010.6：12-15.
关键字：碳纳米管制备性能应用
Properties and Applications of Carbon Nanotubes
Abstract: The progress in studies of Carbon Nanotubes is reviewed. The characteristics and preparation of Carbon Nanotubes were introduced. The Carbon Nanotubes in some domains applications and the future development tendency were pointed out..
Key words: Carbon NanotubesPreparationPerformanceApplication
引言
1991年，日本电镜专家Iijima[1] 在高分辨透射电子显微镜下检查石墨电弧设备中的产物时首次发现了碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）。碳纳米管自被发现以来，由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性以及潜在的应用前景而日益受到人们的关注，引起了各国科学家的极大兴趣，目前已成为物理学、化学、材料学等领域的国际研究热点之一。
1碳纳米管结构
目前普遍认为，碳纳米管是由单层或多层石墨片按一定角度卷曲而成、两端封闭的无缝纳米级管，每层管的管壁由碳原子通过sp2杂化及少量sp3杂化与周围碳原子完全键合成的六边形碳环围成。朱艳秋[2]经实测认为碳纳米管属六方晶系晶体结构，其晶格常数为a=0.2457 nm，c=0.6852 nm。同常规石墨晶格常数比较，c值略有增大（2.27%），而a值略有减小（2.51%）。增大的c值与石墨层片间的相互匹配有关，封闭的笼形结构使碳纳米管具有很好的自锁结构。减小的a值表明石墨层片内的结合更紧密，碳纳米管轴向碳原子间的C-C键结合更强，沿轴向具有更高的强度。由于制备方法和处理工艺的不同，碳纳米管的结构也多种多样。总体上来说，按照石墨片层数的不同，可将碳纳米管分为单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）、双壁碳纳米管（Double-Walled Carbon Nanotubes, DWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）。其中，单壁碳纳米管层内碳原子结合方式是由卷曲的石墨管身和两端呈碳原子半球的封闭曲面构成。双壁和多壁碳纳米管则可看作由单壁碳纳米管套装而成，即由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，相邻的同轴圆柱面之间的间距与石墨的层间距相当，约为0.34 nm。
2碳纳米管的制备方法
目前碳纳米管的制备方法主要包括三种：石墨电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法。一般来说，前两种方法制得的碳纳米管质量较好，但产量较低，且不能连续生产；化学气相沉积法制得的碳纳米管质量虽不如前两种，但被认为是最有可能实现工业化生产的方法。
2.1石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，它是在反应室中充以一定压力的惰性气体和氢气，采用较粗大的石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极，在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断被消耗，同时在阴极石墨棒上沉积出含有碳纳米管的沉积物。
石墨电弧法制备的碳纳米管的生长原理可以描述为：碳原子或者碳团簇在阴极表面由于降温而凝聚产生；随着碳的不断提供和为了消除开口管端的悬键不断产生，碳纳米管主要是沿轴向方向生长；一旦碳的供应停止，开口端将迅速封闭以达到稳定态。
石墨电弧法可用于制备单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和单壁碳纳米管束。该方法生产的碳纳米管一般较平直，石墨化程度高，缺陷相对较少，但是该法制备碳纳米管的产量和效率较低。
2.2激光蒸发石墨法
激光蒸发石墨法是利用激光脉冲照射预置催化剂的石墨靶上，在局部高能量的作用下生成碳纳米管的方法。在激光蒸发石墨靶的过程中发现了C60，1995年Smalley等人采用同样的方法制备出了碳纳米管。该方法可以在没有催化剂的条件下生成碳纳米管，制备出的碳纳米管的纯度更高，但是不能进行大批量生产。[3]
激光蒸发法制得的碳纳米管性质均一稳定，石墨化程度较高，特别适用于制备单壁碳纳米管。其缺点在于设备较昂贵（含高能激光器），且产量较少。
2.3化学气相沉积法
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）又称催化裂解法，其制备碳纳米管的机理与气相生长碳纤维类似：在一定的温度下，碳源气体首先在纳米级的催化剂表面裂解形成碳源，碳源通过催化剂扩散，在催化剂表面长出碳纳米管，同时推着催化剂颗粒前移，直到催化剂颗粒全部被碳层包围，碳纳米管生长结束。采用化学气相沉积可以得到较为纯净，尺寸分布均匀的碳纳米管，是工业大批量生产碳纳米管的有效方法[最初采用含碳源的气体或蒸汽流经金属催化剂表面，分解生成碳纤维。随着富勒烯研究的深入和碳纳米管的发现，人们意识到该法可用于生产碳纳米管。
根据催化剂引入方式的不同，CVD法可分为基种法和浮动法。研究表明，CVD法生产碳纳米管的直径依赖于催化剂颗粒的直径，因此通过催化剂种类与粒度的选择及工艺条件（裂解温度、气体流量等）的控制，可获得纯度较高、尺寸分布较均匀的碳纳米管。CVD法被认为是最可能实现工业化生产的方法，但其缺点在于制取的碳纳米管有时会存在晶体缺陷，常常发生弯曲和变形，这些对碳纳米管的力学及其他物理性能均产生不良影响。因此对CVD法制备的碳纳米管采取一定的后处理是必要的。
但从碳纳米管的基本性质研究和实际应用要求来看，碳纳米管的制备技术仍存在几个方面的难题：第一，目前的样品多呈杂乱分布，碳纳米管之间相互缠绕，难以分散；第二，用电弧放电法制备的碳纳米管被烧结成束，束中还存在很多非晶碳等杂质，这样使得测量的各种物理和化学性质的结果比较分散，在导电性质和力学性质方面的测量结果与理论估计值相差甚远；第三，目前制备的碳纳米管的长度只有几十微米，只能用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等非常规方法来测量其物理性能，这给实验测量带来极大困难；第四，无法控制碳纳米管的直径与手性。直径的控制在用化学气相沉积法模板制备碳纳米管的工作中已有了重要的进展，而手性的控制仍然难以实现。因此，制备出轴向尺寸长、离散分布的、直径及手性可控的、高质量的碳纳米管，成为人们追求的目标之一。[4]
3碳纳米管的性能及应用
由于尺度的减小和表面状态的改变，碳纳米管可表现出纳米材料的一些固有特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，加上碳纳米管自身所特有的管壁六元环结构，使其具有特殊的力学、电磁学、光学等性能。
3.1力学性能
碳纳米管的碳原子间以C-C共价键相结合，而C-C键是自然界最强的化学键之一。理论计算表明，碳纳米管具有很好的强度和韧度，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，即使外加压力超过抗拉强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，因而碳纳米管的力学性能一度成为纳米技术研究的热点。
由于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上，基于经验Keating力模型对碳纳米管的弹性模量值进行计算。尽管由这些理论计算得到的弹性模量有所差别，但这些计算结果都表明了碳纳米管具有很高的弹性模量。
由于单壁碳纳米管的直径一般为0.7―2 nm，长度为微米量级，因此，很难直接对单壁碳纳米管进行拉伸实验，很多关于碳纳米管力学性能的测量数据都是基于复合材料或者通过间接的方法获得的。不同的实验显示，碳纳米管具有相当高的抗拉抗压强度
碳纳米管力学方面独特的性能使它非常适合用作复合材料的增强相。碳纳米管与其它材料例如金属（铁基，镍基，铝基）、陶瓷以及聚合物等的复合增强性能也有初步的研究。
3.2电学性能
由于单壁碳纳米管的碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子都有一个未配对电子位于垂直层片的轨道上，因此碳纳米管和石墨一样具有良好的导电性能，导电性介于导体和半导体之间，并且取决于石墨层片卷曲形成管状的直径和螺旋角。
碳纳米管具有螺旋管状结构，随着螺旋角的不同，其电学性能存在显著差异。根据理论模型推算出碳纳米管的导电性能与其结构（直径和螺旋角）密切相关，随着螺旋矢量的不同，禁带宽度可以从零变化到和硅相等，既可能是导体，也可能是半导体。进一步研究表明，大约有1/3具有金属性，2/3具有半导体性。Ugarte等人[5]发现碳纳米管的径向电阻大于轴向电阻，并且这种电阻的各项异性随着温度降低而增大。此外，由于量子效应，单壁碳纳米管和一些直径较小的多壁碳纳米管（
3.3光学性能
物质发光的性质是由其电子结构决定的。物质吸收能量后引起的电子在不同能级间跃迁的同时发射光子，产生光效应。碳纳米管的光学特性与其结构密切相关，单壁碳纳米管具有发出荧光的性能，并能通过光谱判断单壁碳纳米管的类型。采用特殊的处理工艺得到单根单壁碳纳米管，这些单根碳纳米管能够在近红外波段吸收并发出荧光。根据试验数据，识别出了33种发光碳纳米管吸收和发出的光所具有的不同波长。该方法可能为分析和标定碳纳米管找到一种更快捷、简单的方法。
一维的碳纳米管或从碳纳米管阵列中拉出的碳纳米管线对不同偏振方向的光子有不同的吸收能力，可用于构筑光学偏振片。当通过该偏振片看偏振光源时，可明显看到随着碳纳米管偏振片的旋转角度不同，透过的光强也发生明显的强弱变化，且偏振片的起偏方向与碳纳米管线的轴线方向垂直。这说明碳纳米管偏振片有可能成为昂贵的紫外偏振晶体的替代品。
必须指出的是，尽管目前对碳纳米管的性能及应用研究已取得一定成果，但至今尚未能实现真正意义上的工业应用，因此仍有很多工作需要完善。随着碳纳米管制备工艺的成熟和对其结构、性能的进一步研究，相信在近些年内在碳纳米管的应用上必定会获得重大突破。
参考文献
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2.朱艳秋. 巴基管及其工程材料的研究：[博士学位论文] . 北京：清华大学机械工程系，1996
3. 常建国，薄壁碳纳米管的制备及其光伏特性，【硕士学位论文】北京：清华大学机械工程系，2007
4. 陈 曦，王志诚，韦进全，等，碳纳米管负载钇和铕氧化物纳米颗粒及其发光行为的研究，中国稀土学报，2007，25(2)：245-248
5. de Heer W A, Bacsa W S, Ugarte D, et al. Aligned carbon nanotube films: production and optical and electrical properties. Science, 1995, 268 (5212): 845-847
关键词：分子动力学，硅纳米线，Tersoff势，应力-应变曲线
0 引言
纳米线作为微机械以及纳米机械的基本构件[1]，随着微机械以及纳米机械的发展，纳米器件材料各种性能的研究显得非常的重要，在纳观下研究其力学性能也成为器件材料研究的重要组成部分。由于纳米器件表面原子数占总原子数的比例大，使得表面效应对整个结构的力学性能发生了本质的影响，甚至与宏观结构出现很大的差别。因此深入研究纳米线的力学性能显得尤为重要。
对于纳米线的研究还没有完善的实验研究方法，因此分子动力学成为了研究纳米材料的重要手段。目前，国内外对金属纳米线的研究比较多[2～8]，并且主要是研究无缺陷的单晶纳米线，而具有一定缺陷的纳米线的研究还很少，研究基于表面效应，且具有缺陷的纳米线的力学性能是十分有意义的。
本文采用分子动力学软件包LAMMPS研究了具有原子缺陷硅纳米线的拉伸性能，得到了其相应的应力-应变曲线，讨论了缺陷对纳米线弹性模量的影响，并研究了温度对纳米线力学性能的影响。
1 分子动力学模拟
势函数的选取直接影响原子间的相互作用力，金属原子之间一般采用Morse势和原子嵌入势(EAM)[9]，Si、Ge、C可以采用SW（Stilinger-Weber）势和Tersoff势，本文采用Tersoff势进行模拟, Tersoff[10～11]势可表示为
—————————
(1)
(2)
其中，和分别表示场能和键能，表示原子和原子的距离，，和分别表示对势的吸引项，排斥项和光滑截断函数。
硅单晶为面心立方体结构，x，y，z坐标轴分别对应晶胞的晶向，硅的原子质量取28.0855，晶格常数a=0.543nm，以晶胞为基本单位，建立纳米线模型如图1，共2550个原子，则其实际尺寸为
在此模型的基础上去掉中部区域
（，，）
[ZY1]内的32个原子得到具有缺陷的硅纳米线模型如图2。论文格式，应力-应变曲线。
﹡ 国家自然科学基金（10972075）和高等学校博士学科点专项科研基金（2）资助
图1 无缺陷单晶硅纳米线模型
Fig.1 Defectless silicon nano-wire model
图2 具有缺陷单晶纳米线模型
Fig.2 Defective silicon nano-wire model
[ZY2]采用Velocity-verlet[12]算法对牛顿运动方程进行时间积分，其公式为
(3)
式中，r、v和a分别表示位移、速度和加速度的矢量，为时间步长。
在积分时，步长取为0.005ps，在x，y方向取自由边界条件，z方向取周期边界条件来模拟纳米线，采用Nose-Hoover方法进行等温控制，分别对温度为0.01K和300K时,有缺陷和无缺陷的硅纳米线进行了拉伸模拟。应变率取为0.002/ps，加载应变到0.01之后再弛豫10000步，重复此加载过程直到断裂。
2 计算结果分析
计算中应力采用原子的z向应力的平均值，应变为名义应变，其表达式如下
(4)
其中，n、分别表示原子的个数、原子的z向应力，和分别为变形前和变形后的长度。论文格式，应力-应变曲线。
温度在时，无缺陷与有缺陷纳米线的应力-应变曲线如图3(a)、(b)所示，从图中可以看出无缺陷硅纳米线无明显塑性流动，硅纳米线在应变到达0.238时应力值最大，即11.6Gpa。在此拉伸过程中逐渐出现位错，并且晶格发生变化，但横截面基本保持为方形如图4(a)。随着拉伸的继续，原子晶格发生突变，应力急剧变小，并出现颈缩现象如图4(b)。当应变为0.253时硅纳米线完全断裂如图4(c)所示。
有缺陷硅纳米线的应力-应变曲线的变化趋势与无缺陷的相似，当应变为0.188时，变形如图5(a)所示，应力达到最大值9.4Gpa，即强度减小为无缺陷纳米线的，可知缺陷对其强度的影响非常大。论文格式，应力-应变曲线。因为在缺陷处，会出现应力集中，位错更容易形成。继续拉伸，应力值突然变小，进而在缺陷处出现颈缩现象，如图5(b)所示，从图3(b)可以看出，应力最小值为1.6GPa；再继续拉伸时，将出现单个晶胞被拉伸的现象如图5(c)，随应变的增加应力反而增加，最后才完全断裂。
温度在300K时无缺陷和有缺陷纳米线应力-应变曲线如图3(c)、(d)，在同样的加载和尺寸时，温度也对硅纳米线的强度有着很大的影响，在300K时硅纳米线的强度大大减小，弹性模量也减小。因为温度高时原子活跃动能增加，因此更易出现位错及晶格变化现象，从而使其强度降低。有缺陷的硅纳米线的断裂同温度在0.1K时的过程大致一样，也容易形成单个晶胞被拉伸的情况。
图3 不同温度下无缺陷与有缺陷硅纳米线
的应力-应变曲线
(a) 无缺陷0.1K时的曲线，(b)有缺陷0.1K时的曲线，(c)无缺陷300K时的曲线，(d)有缺陷时300K时的曲线。
Fig.3 The stress-strain curves of a silicon nano-wireat different temperatures,
(a) Defectless silicon nano-wire at 0.1K, (b)Defectivesilicon nano-wire at 0.1K, (c)Defectless silicon nano-wire at 300K,(d)Defective silicon nano-wire at 300K.
图4无缺陷硅纳米线的变形
(a) 应变为0.238，此时应力值最大，(b) 应变为0.240时，中间段截面发生显著变形，(c) 应变为0.253，即将断裂。
Fig.4 Deformation of a defectless silicon nano-wire
(a) When strain is0.238,stress reaches the maximum, (b) When strain is 0.240, the deformation ofthe middle cross section becomes obvious, (c) When strain is 0.253, the siliconnano-wire is about to fracture.
图5 具有缺陷硅纳米线的变形
(a) 应变为0.195，此时应力值最大，(b) 应变为0.205时，缺陷处截面发生显著变形，(c) 应变为0.225，即将断裂。论文格式，应力-应变曲线。
Fig.5 Deformation of a defective silicon nano-wire
(a) When strain is 0.195, stress reaches the maximum,(b) When strain is 0.205, the deformation of the defective cross sectionbecomes obvious, (c) When strain is 0.225, the silicon nano-wire is about tofracture.
3结论
采用分子动力学研究了有缺陷和缺陷的硅纳米线的拉伸性能，由应力-应变曲线得到无缺陷和有缺陷纳米线的屈服应力分别11.6Gpa和9.4Gpa；由于缺陷的存在，使纳米线的强度降低为无缺陷的79％；在拉伸过程中容易形成单个晶胞被拉伸的现象。论文格式，应力-应变曲线。同时从应力-应变曲线可以看出：硅纳米线无明显的塑性流动，但会出现颈缩现象。论文格式，应力-应变曲线。同时温度升高也会大大降低硅纳米线的屈服应力，对其强度的影响也很显著。
参考文献
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[2]文玉华,周富信,刘曰武等.纳米晶铜单向拉伸的分子动力学模拟[J]. 力学学报,2002, 34(1):29-36.
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关键词：纳米技术，非致命武器，纳米武器
1.引言
当前，一场新的纳米技术革命正在悄然兴起。美国兰德公司认为，纳米技术将是“未来驱动军事作战领域革命”的关键技术，具有明显的军事应用潜力。纳米技术可实现非致命武器系统超微型化，使目前车载、机载的电子战系统浓缩至可单兵携带、隐蔽性更好、安全性更高的系统；纳米技术可实现非致命武器系统高智能化，使武器装备控制系统对信息获取的速度大大加快，射击精度大大提高；纳米技术可实现非致命武器系统高集成化，使武器装备成本降低、可靠性提高，同时使非致命武器装备研制、生产周期缩短。纳米技术作为可以大幅度提高未来武器装备性能的先进科学技术而倍受世人的广泛关注。
2.纳米技术的科学内涵
纳米是一种度量单位，一纳米为百万分之一毫米，即十亿分之一米。一纳米相当于数个原子的并列长度。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在这种水平上对物质和材料进行操作、控制和加工的技术称为纳米技术。纳米技术以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。纳米科学就是研究在这极其微小的范围内的原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。几十个原子、分子或成千个原子和分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于宏观物质的性质。
3.纳米技术对非致命性武器性能影响的研究
（1）改变非致命武器的材料性能
纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度 (1nm~100nm) 调制的各种固体超细材料。纳米材料有4个基本效应，即小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应，由于这些效应，纳米材料具有常规材料所没有的特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性，可以在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息存储等领域得到广泛的应用。纳米材料的应用，可以增强非致命武器装备的耐腐蚀性、吸波性和隐蔽性。
目前装备的非致命武器，虽然部分使用了复合材料，但防暴枪械的金属机件的枪管、机匣、枪机、击发机构等仍占非致命武器的绝大部分质量，而如果把金属纳米颗粒粉体物质制作成块状金属材料，则会使其变得十分结实，强度比一般的金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性。论文格式。如果使用这种材料制造非致命武器的金属机件，会使它们的质量减少到原来的1/10。可以想象一支防暴枪的质量只有0.3kg左右。车载榴弹发射器也只有2kg左右，根本无需车载。利用纳米金属材料完全可以制造出坚固耐用、质量小，战斗性能好的新一代非致命武器。
运用纳米技术开发的润滑剂，能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，将其应用于超级润滑剂，可有效的阻止飞机起降和列车、军车行进。除此之外，纳米润滑剂既能大大降低防暴车等主机工作时的噪声，又能延长非致命武器装备的使用寿命。
（2）提高非致命武器的攻击性能
运用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料，或在产品表面形成一层特殊的材料，能产生出新的性能。现在已经制造出来的碳纳米管，硬度大约是钢的100倍。现装备的防暴枪械初速较低，如动能霰弹弹丸初速仅315m/s，催泪弹弹丸初速仅为65m/s，射程较近（小于150m）。可以想象，把纳米技术用于非致命武器制造，可解决非致命性弹药的弹头初速低的问题，要想提高防暴枪械的初速，目前的方法只有增加发射药量，但这势必会增加武器及弹药的质量，与当前武器轻型化的发展趋势是背道而驰的，如果枪弹的发射药采用纳米颗粒，那么枪弹的质量不但会大幅度减小，而且弹头的初速也会大幅度提高，同时单兵的携带量也将大幅度增加。
用纳米物质作发射药，还可以从根本上改变现有防暴枪械的发射机构。由于纳米发射药遇到空气就会反应，所以新的击发机构实际上就是一个控制发射弹药与空气接触的机构。纳米物质所做的发射药点火原理不同，可以想象在纳米技术不断发展的前提下，非常有可能制造出发射机理与现在所使用的防暴枪械完全不同的发射机构，使得防暴枪械变得更小、更轻、射击精度更高。
（3）改善非致命性弹药的各种性能
纳米颗粒可以大大提高非致命性弹药的推进剂和炸药的燃烧效率。纳米颗粒粒径小、比表面积大、表面原子多而具有体积效应和表面效应等，使其催化、吸附等物化性能比普通级材料更加优异。表面有效反应中心多，催化作用明显高于常用催化剂。论文格式。在非致命性弹药燃料中，加入镍纳米微粒作催化剂，燃烧效率提高100倍。论文格式。金属纳米微粒能位高，化学活性极强，在空气中会迅速氧化燃烧甚至发生爆炸。在高能量密度材料中加入纳米金属微粒(加纳米铝粉)制成的纳米炸药，能够超高速燃烧，迅速释放能量，性能提高数十至上百倍。将纳米颗粒应用于发烟弹的发烟剂中，是发烟剂点火容易，起烟速度快，发烟量大。纳米固色剂还可以提高染色弹的着色能力。
4.结束语
世界格局内纳米科技日新月异的发展对我们提出了严峻的挑战。纳米技术在非致命武器领域的应用有着广阔的前景,它将导致非致命武器装备变革,进而引发新的非致命技术革命。在一些发达国家，军方对纳米技术的投入和研究成果已经超过了其他领域。相对其他学科，我国对纳米技术的研究起步并不晚，迄今为止也投入了相当力量，但是对纳米技术在非致命武器上的应用研究还十分薄弱。我们应该把纳米技术在非致命领域的应用研究放在战略高度，把握契机，发挥特长，争取掌握高超的制敌之术，弥补现有非致命武器装备力量的不足。
参考文献
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[4] André Gsponer , From the Lab to the Battlefield?Nanotechnology and Fourth-Generation Nuclear Weapons, Disarmament Diplomacy,IssueNo. 67, October - November 2002
【论文摘要】：讨论纳米科学和技术在新时期里发展所面对的困难和挑战。一系列新的方法将被讨论。我们还将讨论倘若这些困难能够被克服我们可能会有的收获。
纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。
1.纳米结构的制备
有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）；“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。
很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。
2.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制
为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。
⑴电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。
⑵聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。
⑶扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。
⑷多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。
⑸倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。
⑹与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。
⑺将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。
3.纳米制造所面对的困难和挑战
随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。
4.展望
目前，已有不少纳米尺度图形刻制技术，它们仅有的短处要么是刻写速度慢要么是刻写复杂图形的能力有限。这些技术可以用来制造简单的纳米原型器件，这将能使我们研究这些器件的性质以及探讨优化器件结构以便进一步地改善它们的性能。必须发展新的表征技术，这不单是为了器件表征，也是为了能使我们拥有一个对器件制造过程中的必要工艺如版对准的能进行监控的手段。随着器件尺度的持续缩小，对制造技术的要求会更苛刻，理所当然地对评判方法的要求也变得更严格。随着光学有源区尺寸的缩小，崭新的光学现象很有可能被发现，这可能导致发明新的光电子器件。然而，不象电子工业发展那样需要寻找MOS晶体管的替代品，光电子工业并没有如此的立时尖锐问题需要迫切解决。纳米探测器和纳米传感器是一个全新的领域，目前还难以预测它的进一步发展趋势。然而，基于对崭新诊断技术的预期需要，我们有理由相信这将是一个快速发展的领域。总括起来，在所有三个主要领域里应用纳米结构所要求的共同点是对纳米结构的尺寸、材料纯度、位序以及成份的精确控制。一旦这个问题能够解决，就会有大量的崭新器件诞生和被研究。
参考文献
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关键词：纳米复合粉体，水热法，催化剂，温度，碳纳米管
1引言
水热法是指在密封的压力容器中，以水或其他液体作为介质(也可以是固相成分之一)，在高温高压等条件下制备无机化合物晶体或粉体的一种化学合成方法[1]。水热法提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理学化学环境，使前驱物在反应系统中得到充分的溶解→形成原子或分子生长基元→成核结晶。，温度。。水热法制备出的纳米晶，晶粒发育完整、粒度分布均匀、颗粒之间少团聚，可以得到理想的化学计量组成材料，颗粒度可以控制，生产成本低。因此水热法非常适用于纳米催化剂的制备，有望成为工业化生产纳米材料的前期工艺。水热法适合生长熔点较高，具有包晶反应或非同成分熔化，而在常温下又不溶于各种溶剂或溶解后即分解且不能再结晶的晶体材料。采用水热合成技术已经制备出上百种晶体，和其他的合成方法相比，水热法合成的晶体具有纯度高、缺陷少、热应力小、质量好等特点。水热法制备的粉体具有晶体发育完整、粒径小且分布均匀的性能，可使用便宜的原料。用于制备陶瓷材料时，可省去高温煅烧和球磨。近年来随着科学技术发展对材料品质和性能的要求越来越高，水热合成技术得到广泛采用，水热合成技术已成功地应用于工业化人工水晶的合成[8,9]、陶瓷粉体材料的制备[2-6]和人工宝石的合成[7]等。晶体生长是一种相变过程，实质是生长基元从周围环境中不断地通过界面而进入晶格的过程。而水热条件下的晶体生长是在密闭很好的高温高压水溶液中进行的，因此反应温度、反应溶液(或溶剂)填充度、浓度和PH值、杂质对前驱物的溶解度和再结晶过程都有较大影响，决定了生成晶体的结构、形貌和生长速度。本文采用水热法重结晶制备SiO2负载型纳米复合粉体催化剂，是对纳米材料可推广应用的制备方法一个新的探索。
2催化剂的水热法制备
(1)将Ni（NO3）26H2O晶体配制成水溶液（1mol/L）
(2)将正硅酸乙脂和Ni（NO3）26H2O按一定的摩尔比进行混合。
(3)用电动搅拌器搅拌，直至出现凝胶状, 用PH计测出该悬浊溶的PH值,。
(4)碱式滴定管加入20%的氨水，进行滴定，滴至设定的终点PH值。
(5)用水浴锅，在80℃条件下搅拌加热到原PH值。
(6)静置陈化12小时以上。
(7)用减压过滤器过滤清洗前驱物，用去离子水洗涤除去NH4+，NO3- 等杂质。
(8)将凝胶加入高压釜，按80％填充度加入水作为介质，密闭后以80℃/h速率升温至设定的水热法反应温度，保持4小时。温度值分别设为160℃，180℃，200℃，220℃，240℃。
(9)放出气体，在80℃条件下待产品在高压釜里干燥后取出，得粉体产物。
实验中发生的反应为：
3催化剂的测试分析
(1) XRD测试分析
实验制备所得产物的XRD谱图，显示了随着水热温度增加，在高压釜里重结晶析出的催化剂呈现了三种物相Ni(OH)2，NiO2，NiO。由于这种负载型的复合催化剂中的载体为无定型的SiO2，因而衍射谱图中并没有明显SiO2峰值。研究表明水热密闭的环境中，在一定的填充度的情况下，水热温度的升高，原来难以溶解的氢氧化镍晶体在水热溶液中的溶解度慢慢增大。温度的继续增加使得溶解到水溶液中的氢氧化镍越来越多，并且此时高压釜体系中水溶液的逐渐气化，水溶液越来越少而高压釜内压力随着逐渐增加，水中氢氧化镍的浓度越来越大。当高压釜内氢氧化镍的浓度大于最低的饱和浓度时，溶液中的氢氧化镍分子开始形成晶核，形成的晶核被高压釜内由磁力引导的搅拌浆搅拌均匀分散于溶液中。随着温度的继续升高，水溶液的继续气化，压力的继续增大，晶核的形成，使得未溶解的凝胶不断溶入溶液中。在高温下，几个纳米级粒度的氢氧化镍分子聚集以降低其高比表面能形成晶核。但在210℃以上，氢氧化镍分子中羟基键不稳定而断裂，由于此温度下氢氧化镍的浓度不足，在脱去羟基形成晶体过程中晶体里Ni2+不足数，当晶体某部分缺少一个Ni2+，相应的有一个Ni2+两个氧共用两对电子，形成NiO2分子，即有一个Ni2+被氧化成Ni4+。，温度。。温度的继续升高，同一时间里水分子的气化更完全，氢氧化镍浓度的增加，在形成晶核时，羟基更不稳定，且有足够的Ni2+供配对，形成NiO分子越来越多，温度达到一定值则全部转化为NiO晶体。
(2) TEM测试分析
试验设定水热温度为160℃，180℃，200℃，220℃，240℃进行重结晶。由于高压釜内重结晶与控制釜内反应溶液的过饱和浓度有关，生长母液的过饱和度越大，成核速度越大，当成核速度大于生长速度时得到的晶粒越小。随着温度升高，结晶析出反应经历的时间加长，晶粒发育会较为完整，而且在不同的水热温度下会有不同产物。当水热反应温度为160℃时，由于温度较低，结晶析出的产物为含有氢氧根的Ni(OH)2复合粉体，颜色为淡绿色；提高反应温度，达220℃或以上时，产物中部分去水，结晶生成物中部分Ni(OH)2相部分NiO相，颜色为淡绿色和灰褐色；反应温度高达240℃时，产物完全脱水产物则为方形NiO灰褐色粉末。，温度。。下图显示的是水热温度在160℃，200℃，240℃时重结晶得到的复合粉体催化剂TEM照片。
4. 制备碳纳米管
分别用以上水热温度在160℃，200℃，240℃时重结晶得到的纳米复合粉体作为催化剂，在自行设计的CVD法制备碳纳米管设备中生长出的碳纳米管粗产物扫描电镜照片如下。，温度。。
水热温度在较低的160℃时制成的碳纳米管粗产物中杂质多而碳管少，且管径不均匀。升高水热温度到适合的温度200℃，所得的碳纳米管粗产物杂质较少，管径均匀，约16-20nm，产率增加。，温度。。当水热温度达到240℃时，粗产物杂质又开始增多，产率下降。，温度。。
5 结论
用水热法制备纳米复合粉体催化剂，不同的水热温度得到不同性能的催化剂。当水热反应温度为160℃时，产物为Ni(OH)2，提高反应温度，达220℃时，产物为Ni(OH)2和NiO混合相，反应温度高达240℃时，产物全部转化为方形NiO晶相；水热温度较低时制成的碳纳米管粗产物中杂质多而碳管少，且管径不均匀。水热温度适中时200℃，所得的碳纳米管粗物杂质较少，管径均匀，约16-20nm，产率较高。当水热温度过高时，粗产物杂质增加，产率下降。
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英文名称：Nanotechnology and Precision Engineering
主管单位：教育部
主办单位：天津大学
出版周期：双月刊
出版地址：天津市
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种：中文
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本：大16开
国际刊号：1672-6030
国内刊号：12-1351/O3
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创刊时间：2003
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CA 化学文摘(美)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
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