碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成 ,径向尺层控制在 100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制 ,表现出典型的量子限制效应 ,而在轴向上则不受任何限制[1 9]。以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料 ,并不是凭空设想 ,清华大学的范守善教授利用碳纳米管 ,将气相反应限制在纳米管内进行 ,从而生长出半导体纳米线。他们将 Si-SiO2 混合粉体置于石英管中的坩埚底部 ,加热并通入 N2 。SiO气体与 N2 在碳纳米管中反应生长出 Si N纳米线 ,其径向尺寸为 4～40 nm。另外 ,在 1 997年 ,他们还制备出了GaN纳米线[2 0 ]。1998年该科研组与美国斯坦福大学合作 ,在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长 ,它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路 ,超导线材等领域。 

　　早在 1989年 ,IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针 ,成功地移动了氙原子 ,并利用它拼成了 IBM三个字母。日本的 Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管 ,它通过控制单个电子运动状态完成特定功能 ,即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外 ,日本的 NEC研究所已经拥有制作 100 nm以下的精细量子线结构技术 ,并在 GaAs衬底上 ,成功制作了具有开关功能的量子点阵列。 

　　美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件 ,在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外 ,若能将几十亿个量子点连结起来 ,每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞 ,再结合 MEMS(微电子机械系统 )方法 ,它将为研制智能型微型电脑带来希望 [2 1 ],实现信息采集和处理能力的革命性突破。 

　　2.3　纳米技术在生物工程领域的应用 

　　众所周知 ,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料 ,每一个生物大分子本身就是一个微型处理器 ,分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化 ,其原理类似于计算机的逻辑开关 ,利用该特性并结合纳米技术 ,可以设计量子计算机。美国南加州大学的 Adelman博士等 [2 2 ]应用基于 DNA分子计算技术的生物实验方法 ,有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题”,使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。 

　　虽然分子计算机目前只是处于理想阶段 ,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件 ,其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性 ,并且 ,其奇特的光学循环特性可用于储存信息 ,从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中 ,细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程 ,伴随相应的物质结构变化。Birge等[2 3 ]研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束 ,将信息并行地写入细菌视紫红质立方体 ,并从立方体中读取信息 ,并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。 

　　到目前为止 ,还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为 :要想提高集成度 ,制造微型计算机 ,关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门 ,利用发光门制成蛋白质存储器。此外 ,他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置 [2 4, 2 5]。 

　　纳米计算机的问世 ,将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限 ,使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高了上百万倍 ,从而实现电子学上的又一次革命。 

　　总之 ,纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点 ,正如钱学森院士所预言的那样 :“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点 ,会是一次技术革命 ,从而将是 21世纪的又一次产业革命。” 

　　2.4　纳米技术在化工领域的应用 

　　纳米粒子作为光催化剂 ,有着许多优点。首先是粒径小 ,比表面积大 ,光催化效率高。另外 ,纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前 ,大部分不会重新结合。因此 ,电子、空穴能够到达表面的数量多 ,则化学反应活性高。其次 ,纳米粒子分散在介质中往往具有透明性 ,容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前 ,工业上利用纳米二氧化钛 -三氧化二铁作光催化剂 ,用于废水处理 (含 SO2 -3 或 Cr2 O2 -7体系 ) ,已经取得了很好的效果。表 1所示为纳米 TiO2 粉用作光催化剂处理含有 SO2 -3 或 Cr2O2 -7废水体系的结果 [2 6 ]: 

　　表 1　光催化剂形态与转化率的关系 

光催化剂 转化率 / % 
2 h 3 h 4h 
TiO2 超微粉 (还原 ) 96.0 99.8 99.8 
TiO2 超微粉 (氧化 ) 82.3 99.6 99. 8 
普通 TiO2 粉 (还原 ) 29.0 62.3 99.8 
普通 TiO2 粉 (氧化 ) 7.1 15.0 21.0 

　　我们利用沉淀溶出法制备出了粒径约 3 0～ 6 0 nm的白色球状钛酸锌粉体[2 7],该粉体比表面积大 ,化学活性高 ,用它作吸附脱硫剂 ,较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。 

　　纳米静电屏蔽材料 ,是纳米技术的另一重要应用 [2 8]。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成 ,但性能并不是特别理想。为了改善静电屏蔽材料的性能 ,日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3 ,TiO2 ,ZnO等做成涂料 ,由于具有较高的导电特性 ,因而能起到静电屏蔽作用。另外 ,氧化物纳米微粒的颜色各种各样 ,因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色 ,这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性 ,而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。 

　　另外 ,如将纳米 TiO2 粉体按一定比例加入到化妆品中 ,则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为 ,其体系中只需含纳米二氧化钛 0.5%～1 %,即可充分屏蔽紫外线。目前 ,日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色 ,而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物 ,从而降低食品的营养价值。如用添加 0.1 %～0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品 ,既可以防止紫外线对食品的破坏作用 ,还可以使食品保持新鲜 [2 9]。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中 ,可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体 ,可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩 ,用于电池电极、化学成分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。纳米微粒还可用作导电涂料 ,用作印刷油墨 ,制作固体润滑剂等。 

　　我们采用化学共沉淀法 ,利用 ZnCO3 包覆 Ti(OH)4粒子 ,在一定温度下进行预焙解 ,然后溶去绝大部分包覆的 ZnO粉体。利用体系中少量的 ZnTiO3 (ZnTiO3 与 TiO2 (R)的晶体结构类似 )促进了 TiO2从锐钛型向金红石型的转化 ,结果制得粒径约 20～60 nm的金红石型二氧化钛粉体。用 UV-2100S紫外分光光度计进行了光学性能测试 ,结果发现此粉体对240～400 nm的紫外线有较强的吸收 ,吸收率高达92 %以上 ,其吸收性能远远高于普通 TiO2 粉体 [3 0 ]。另外 ,由于纳米粉体的量子尺寸效应和体积效应 ,导致纳米粒子的光谱特性出现“蓝移”或“红移”现象。在制备超细铝酸盐基长余辉发光材料时 ,我们发现 ,利用软化学法合成出的超细发光粉体的发射光谱的主峰位置 ,较固相机械混合烧结法制备的发光粉体蓝移了 12 nm。余辉衰减曲线表明 ,该法合成出的发光粉体 ,其余辉衰减速度相对固相法合成出的发光粉体要快得多 ,这些都是由于粉体粒子大幅度减小所致 [3 1 , 3 2 ]。 

　　研究人员还发现 ,可以利用纳米碳管其独特的孔状结构 ,大的比表面 (每克纳米碳管的表面积高达几百平方米 )、较高的机械强度做成纳米反应器 ,该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中 ,反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列 ,但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。科学家们利用纳米尺度的分子筛作反应器 ,在烯烃的光敏氧化作用中 ,将底物分子置于反应器的孔腔中 ,敏化剂在溶液中 ,这样就只生成单重态的氧化产物。用金属醇化合物和羧酸反应 ,可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离 ,可形成不同的“纳米结构”作为纳米反应器 [3 3 ]。