早在20世紀，我國科學家錢學森就曾預言：“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發(fā)展的特點，會是一次技術革命，從而將是21世紀的又一次產業(yè)革命?！碑斍?，納米材料的前沿研究已經成為匯聚了化學、物理、生物、材料等多學科的交叉焦點研究，其研究成果廣泛應用于電子信息領域、能源環(huán)境領域、生物醫(yī)藥領域，使其成為推動21世紀全球產業(yè)變革的重要力量之一，也成為各國競相發(fā)展的重點領域之一。

基本特性

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由其作為基本單元構成的材料。納米材料的基本單元可以由原子團簇、納米微粒、納米線、納米管或納米膜組成，既可以是金屬材料，也可以是無機非金屬材料和高分子材料等。

納米材料的分類 納米材料按維度分為零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料和三維納米材料。零維納米材料是指空間中的三個維度均在納米尺度范圍內的納米材料，如量子點、納米晶、原子團簇等；一維納米材料是指有兩個維度在納米尺度范圍內的納米材料，如納米線、納米棒、納米管等；二維納米材料是指有一個維度在納米尺度范圍內的納米材料，如納米薄膜、納米片、石墨烯等；三維納米材料一般指納米結構材料，如納米介孔材料等。按照材料性質劃分，可分為納米金屬材料、納米非金屬材料，納米高分子材料和納米復合材料。

納米材料的三大物理效應 當組成物質的基本單元達到納米尺度時，物質所具有的物理特性、化學性質和生物學屬性均會發(fā)生明顯的變化，產生出一系列獨特的效應，這些效應既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子所表現(xiàn)出來的性質。一般來說，納米尺度具備三大物理效應：表面效應、小尺寸效應、量子效應。

表面效應：隨著顆粒半徑變小，將造成其比表面積顯著增加和顆粒表面原子數(shù)明顯增加，而顆粒表面的原子之間缺少化學鍵相連，造成的不飽和性使得其易與其他原子相結合而穩(wěn)定下來，因此表現(xiàn)出很高的化學活性。典型例子就是金在納米尺度上的催化活性。當金顆粒尺度來到2nm時，其可以獲得更大的比表面積或臺階數(shù)，從而增強了其催化性能，這也使得2nm的金納米顆粒在一氧化碳氧化反應和丙烯環(huán)氧化反應中得到廣泛應用。

小尺寸效應：在納米尺度下，當微粒尺寸接近或小于光波波長、德布羅意波長、超導態(tài)相干長度、透射深度等關鍵物理特征尺度時，材料內部的原子排列和相互作用發(fā)生顯著改變。晶體原本規(guī)則的周期性邊界條件被打破，非晶態(tài)納米微粒的表面原子密度降低，致使材料的聲學、光學、電學、磁學、熱學以及力學等宏觀性能出現(xiàn)一系列新的變化。因此金屬微粒達到納米狀態(tài)時就都將呈現(xiàn)黑色，微粒的尺寸越小顏色愈黑，這被利用來可制造高效率光熱、光電轉換材料。晶體達到納米尺寸時熔點會顯著降低，以金這種金屬為例，當其基本結構的直徑從10nm降到5nm時，其熔點將從常規(guī)狀態(tài)下的940℃降至 830℃，憑借這一特性，它在粉末冶金工業(yè)中有著重要的應用價值。

量子效應：當顆粒的尺寸來到納米級時，受量子力學規(guī)律影響產生的特殊現(xiàn)象，包括量子尺寸效應、量子隧穿效應、庫侖阻塞效應。材料進入納米尺寸，電子運動將受限，原本連續(xù)的電子能譜變?yōu)殡x散能級，就會發(fā)生量子尺寸效應，這使半導體納米粒子的吸收光譜藍移，這廣泛應用于光電器件、生物熒光標記等領域。微觀粒子有一定概率穿越高于自生能量的勢壘，就會發(fā)生量子隧穿效應，在納米材料中，它可能影響納米電子器件性能，也被用于設計單電子晶體管等新型器件。在納米尺度下，小的金屬顆?；虬雽w量子點與周圍電容耦合，電子間的庫侖排斥力阻礙電子進入納米顆粒，就會發(fā)生庫倫阻塞效應，該效應在單電子晶體管和量子點存儲器等器件中有重要應用，可實現(xiàn)低功耗信號處理及提高存儲性能。

發(fā)展現(xiàn)狀

納米材料作為21世紀最具潛力的前沿科技領域之一，其發(fā)展勢頭迅猛，從社會民生到國防科技，從基礎科研到產業(yè)化應用，從電子設備、生物醫(yī)藥到航空航天、汽車制造，新的納米材料不斷涌現(xiàn)，其所具備的獨特性為解決諸多傳統(tǒng)難題提供了新的思路和方法。這也使得在2023年全球納米材料市場規(guī)模達到近757.21億美元，預計到2030年這一規(guī)模將達到約1800.26億美元。

美國 從2000年開始，美國逐步推進“國家納米技術計劃”（NNI），該計劃聚焦于八個關鍵領域展開深入研究與探索：一是基本現(xiàn)象及過程；二是納米材料；三是納米器件及系統(tǒng)；四是設備研究、測量技術和標準；五是納米制造；六是主要研發(fā)設施；七是環(huán)境、健康與安全；八是教育和社會層面。美國在納米材料領域處于全面領先地位，成果卓著。在電子信息領域，Cerebras系統(tǒng)公司推出了5納米“晶圓級引擎3”（WSE-3）芯片，麻省理工學院團隊研制了納米級3D晶體管。美國研究人員還在研究開發(fā)基于納米材料的柔性電子器件，這些柔性顯示屏、柔性傳感器和柔性電池等，將廣泛應用于未來生活的方方面面。在航空航天領域，美國國家航空航天局（NASA）采用了納米增強復合材料，通過在傳統(tǒng)復合材料中添加納米級別的增強相，如碳納米管、納米陶瓷顆粒等，減輕了航天器的自身重量，提高了有效載荷，提升了飛行性能，助力航天器在深空探測、通信中繼等任務中發(fā)揮更大效能。在生物醫(yī)藥領域，美國科研人員開發(fā)的一種基于納米金的免疫層析技術是一種廣泛應用于臨床診斷的快速檢測方法，實現(xiàn)對生物特定抗原的快速、靈敏檢測。另外，美國的科研人員開發(fā)出了一種基于納米材料的藥物載體系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠將藥物包裹在納米顆粒內部，并通過對納米顆粒表面進行修飾，實現(xiàn)對藥物的靶向傳遞和控釋。在能源環(huán)境領域，研究人員發(fā)現(xiàn)了可在原子尺度上調控層狀雜化鈣鈦礦的結構，這將有助于開發(fā)更高效的太陽能發(fā)電設備。

日本 2018年，日本頒布《納米與材料科學技術研發(fā)戰(zhàn)略》，著重闡述了推動納米材料發(fā)展的四項關鍵舉措：一是研制具備變革社會效能的材料；二是搭建科學根基，促使創(chuàng)新材料融入社會應用；三是推動實驗室研發(fā)朝著高效、高速、精密的方向變革；四是制定切實可行的政策，穩(wěn)步推進材料革命。在納米材料領域，日本的技術水平處于世界前列，特別是在半導體材料、石墨烯材料以及納米制造技術等方面，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢與領先實力。半導體材料上，日本計劃最快在2025財年投產本土的2納米芯片工廠，商業(yè)化速度與業(yè)界領先的臺積電、三星、英特爾處于同一水平。日本企業(yè)東麗公司開發(fā)的石墨烯薄膜廣泛應用于觸摸屏、柔性顯示屏以及超級電容器中。

歐洲 2013年6月，歐盟發(fā)布《歐盟納米安全（2015—2025）：向安全和可持續(xù)的納米材料和納米技術創(chuàng)新邁進》文件，清晰地呈現(xiàn)了歐盟在納米領域研究的重點方向以及未來的發(fā)展規(guī)劃。歐盟主要在納米材料的制備技術、納米復合材料以及納米技術在環(huán)境和能源領域的應用等方面處于領先地位。其中，德國研發(fā)的具有高靈敏度和高精度的納米傳感器，在工業(yè)制造、衛(wèi)生醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等多個領域，得到了廣泛應用；英國在納米生物技術方面取得了重要進展，使得其在疾病的早期治療中取得了新的突破。

韓國 2012年，韓國設立“納米融合2020”項目，投入5130億韓元，優(yōu)先用于新一代半導體、納米彈性元件、高效能源轉化技術、水環(huán)境與資源處理技術等四大戰(zhàn)略項目。韓國電子部品研究院通過3D打印技術揭示了納米線在三維空間中的高度定向發(fā)光模式，這一創(chuàng)新預計將在超小型發(fā)光材料應用的AR/VR、光束投影儀及光子集成電路等前沿科技領域激起行業(yè)的廣泛興趣與熱烈反響。KAIST的研究團隊采用了一種創(chuàng)新的分層堆疊技術，成功制造出了在現(xiàn)有技術下難以實現(xiàn)的3D量子點納米結構，這一技術顯著提升了發(fā)光材料的性能效率。

社會效用

電子信息領域 納米材料的應用為電子產品的性能提升帶來了質的飛躍。在芯片制造方面，納米技術的運用使得晶體管尺寸不斷縮小，集成度大幅提高。例如，英特爾等公司已成功將芯片制程推進到納米級，如7納米、5納米工藝，使得芯片在更小的面積上能夠集成更多的晶體管，從而顯著提升了計算速度和處理能力，為高性能計算機、智能手機等設備的發(fā)展提供了強大動力。在傳感器制造方面，納米傳感器具有極高的靈敏度和選擇性，能夠快速、準確地檢測出各種物質和物理量。例如，納米線傳感器可對生物分子、氣體等進行超靈敏檢測，在生物醫(yī)學檢測、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要應用價值。以檢測空氣中有害氣體為例，納米顆粒制成的傳感器能夠敏銳感知到極低濃度的有害氣體，如甲醛、苯等，為室內空氣質量監(jiān)測提供了可靠保障。在顯示器方面的應用上，有機納米發(fā)光二極管（OLED）技術的出現(xiàn)，使顯示器具備了更高的對比度、更快的響應速度和更廣的視角。與傳統(tǒng)液晶顯示器相比，OLED顯示器能夠呈現(xiàn)出更加鮮艷、逼真的色彩，并且可以實現(xiàn)柔性顯示，為可穿戴設備、折疊屏手機等新型電子產品的發(fā)展奠定了基礎。

能源環(huán)境領域 納米材料的應用有助于提高太陽能的轉換效率。染料敏化太陽能電池中的納米結構二氧化鈦（TiO?），因其大的比表面積能夠吸附更多的染料分子，使得其光吸收率得到明顯提升。此外，通過在TiO?納米結構中引入量子點等納米材料，可進一步拓寬光譜響應范圍，使得這種納米材料構成的太陽能電池的光電轉換效率得到明顯提升。在電池儲能方面，納米材料的應用也為提高電池性能帶來了突破。納米材料在鋰離子電池中的應用，可改善電極材料的性能。納米尺度下的電極材料，表面效應下，離子擴散速率更快，可提升電池的充放電效率，延長電池的循環(huán)壽命。石墨烯作為一種新型納米材料，具有優(yōu)異的電學性能和機械性能，將其應用于鋰離子電池電極材料中，可顯著提高電池的能量密度和功率密度。此外，納米催化劑可高效降解污水中的有機污染物，如納米TiO?光催化劑在紫外線照射下，能夠將水中的有機污染物分解為二氧化碳和水，實現(xiàn)污水的凈化。空氣凈化方面，納米材料制成的空氣凈化器濾網能夠有效吸附和分解空氣中的有害氣體和顆粒物，如甲醛、苯、PM2.5等，為人們提供清新健康的空氣環(huán)境。

生物醫(yī)藥領域 納米探針可用于生物分子的檢測和成像，能夠實現(xiàn)對疾病的早期診斷。例如，在癌癥早期診斷中，通過檢測血液或組織中特定腫瘤標志物的含量，量子點納米探針能夠實現(xiàn)超靈敏檢測，幫助醫(yī)生更早地發(fā)現(xiàn)癌癥跡象，為患者爭取寶貴的治療時間。納米材料還可用于制備磁共振成像（MRI）造影劑、超聲成像造影劑等，提高成像的清晰度和分辨率。例如，超順磁性納米顆粒作為 MRI造影劑，能夠顯著提高正常組織與病變組織兩者間的對比度，幫助醫(yī)生更準確地觀察病變情況，為疾病的診斷和治療提供有力支持。在疾病治療方面，納米材料可作為藥物載體，精準地將藥物遞送至病變部位，提高藥物的療效并降低副作用。納米粒子可以包裹化療藥物，通過對其表面進行修飾，使其能夠特異性地識別腫瘤細胞，實現(xiàn)腫瘤組織的靶向給藥。這種靶向遞送方式可有效減少藥物對正常組織的損害，提高治療效果，同時降低患者的痛苦。

軍事應用前景

納米技術的經濟與社會滲透能力極強，在全球范圍內，那些牢牢掌握納米技術知識產權，并且能夠將其廣泛應用于各個領域的國家，在經濟安全和國防安全層面往往能占據(jù)顯著優(yōu)勢。在國防安全領域，納米技術的賦能尤為突出。納米和微米機械設備在國家核防衛(wèi)系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵作用，使核防衛(wèi)系統(tǒng)性能產生質的飛躍，大幅提升了對核威脅的監(jiān)測、預警和防御能力。先進納米電子器件被應用于信息控制，極大地提升了軍隊在預警、導彈攔截等關鍵領域的反應速度，使軍隊能夠更快地感知威脅、做出應對決策。在武器裝備方面，艦船、潛艇、戰(zhàn)斗機等各類裝備，借助納米材料技術，其耐腐蝕性能、吸波能力和隱蔽性大幅提高，在軍事行動中能夠更好地規(guī)避敵方探測，發(fā)揮更強的作戰(zhàn)能力，為國防安全提供更堅實的保障。

隱身技術革新 在軍事領域，隱身技術至關重要，而納米材料的出現(xiàn)為其帶來了重大變革。納米材料的高比表面積和納米結構使得在被電磁波照射時，電磁波與材料的相互作用界面相比傳統(tǒng)材料更大，通過介質損耗和磁損耗機制，使得雷達波的能量散失掉，以此來大幅減少雷達波的反射，從而顯著降低目標的雷達截面積，達到隱身效果。美國研制的以納米石墨為吸收劑制成的石墨熱塑性復合材料和石墨環(huán)氧樹脂復合材料，對雷達波的吸收率高達99%，被廣泛應用于F-35戰(zhàn)斗機、B-2隱身轟炸機、艦船和導彈上。

防護能力增強 納米材料的顆粒尺寸極小，可在微觀層面實現(xiàn)更緊密的結構排列，使得裝甲和防御系統(tǒng)的強度與耐久性方面得到明顯增強，能有效提高裝備和人員的防護水平。在單兵防護方面，用碳納米管制成的防彈衣、頭盔比傳統(tǒng)材料更輕便、更堅固，能為士兵提供更可靠的保護，在減輕士兵負重的同時，顯著增強對子彈、彈片等的防護能力，降低士兵在戰(zhàn)場上的傷亡風險，如美國陸軍 “陸地勇士”系統(tǒng)防護服、德國“未來士兵”系統(tǒng)頭盔。在軍事裝備方面，納米陶瓷復合材料可用于制造坦克、裝甲車的裝甲部件，其優(yōu)異的硬度和耐磨性，能有效抵御敵方武器的攻擊，提高裝備的生存能力，如俄羅斯T-14阿瑪塔主戰(zhàn)坦克。此外，納米材料還具有自修復功能，使防護裝甲在受到損傷后能夠自動修復，大大提高了戰(zhàn)場防護的可靠性和實用性。

能源與通信突破 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，可靠的能源供應和高效的通信至關重要，納米材料在這兩方面的應用有望帶來重大突破。在能源供應領域，納米材料可用于開發(fā)高性能的太陽能電池板和超級電容器。納米太陽能電池具有超薄、重量輕、柔性好等特點，能方便地集成到武器、車輛和士兵裝備上，無需額外的能源供應。而且，其能量轉換效率比傳統(tǒng)太陽能電池更高，能夠在較小的面積上產生更多的電力，為軍事裝備提供持續(xù)穩(wěn)定的能源支持。納米材料在超級電容器中的應用，可顯著提高其能量存儲和釋放能力。超級電容器具有快速充放電的特性，與納米材料結合后，能為需要瞬間高能量輸出的軍事裝備，如電磁炮等，提供強大的動力支持。在通信設備方面，納米材料可改善無線電設備和天線的性能。使用納米材料制造的天線，尺寸更小、性能更優(yōu)，能夠實現(xiàn)更遠距離、更高速率的信號傳輸。同時，納米技術還能增強電磁波的傳輸性能，實現(xiàn)隱形通信和抗干擾通信，有效應對復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的干擾和偵察，確保戰(zhàn)場通信的安全與穩(wěn)定，為作戰(zhàn)指揮和信息傳遞提供有力保障。

醫(yī)療與監(jiān)測新篇 納米技術在戰(zhàn)場醫(yī)療和監(jiān)視方面具有巨大的應用潛力，將為軍事醫(yī)學和戰(zhàn)場態(tài)勢感知帶來新的變革。在戰(zhàn)場醫(yī)療中，納米材料可用于制造微型傳感器、藥物輸送系統(tǒng)和納米機器人等。微型傳感器能夠實時監(jiān)測士兵的生命體征，如心率、血壓、血氧飽和度等，以及檢測士兵體內的毒素、病原體等生物標志物。這些傳感器體積小、靈敏度高，可集成到士兵的裝備或身體中，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，能及時發(fā)出警報，為及時救治提供依據(jù)。納米藥物輸送系統(tǒng)能夠精準地將藥物遞送至病變部位，提高藥物的療效并減少副作用。例如，納米粒子可以包裹抗生素等藥物，通過對其表面進行修飾，使其能夠特異性地識別感染部位的細菌，實現(xiàn)定點精準給藥，加快士兵的康復速度。納米機器人具有廣闊的應用前景，它們可以在人體內執(zhí)行各種復雜任務，如清除血栓、修復受損組織、殺死病變細胞等。在戰(zhàn)場上，當士兵受傷時，納米機器人可被迅速注射到體內，到達受傷部位進行即時治療，如止血、消炎、促進傷口愈合等，為挽救士兵生命提供新的手段。

納米材料作為21世紀最具潛力的材料之一，以其獨特的物理特性、化學性質和生物學屬性，在諸多領域中彰顯出極大的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α？梢灶A見，納米材料將在未來的科技發(fā)展中扮演越來越重要的角色，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展持續(xù)注入強勁的動力。它不僅將推動現(xiàn)有產業(yè)的升級換代，還將催生更多新興產業(yè)，為我們創(chuàng)造更加美好的未來。我們應積極關注納米材料的發(fā)展動態(tài)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，共同探索其在更多領域的應用可能性，讓納米材料更好地造福人類。

責任編輯：劉靖鑫