谢毅论文发表

谢毅论文发表

主要从事无机固体功能材料的制备、结构、理论和性能研究。在JACS、Angew Chem Int Ed、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett等化学、材料、物理学科的重要国际刊物上发表SCI论文180多篇，引用近6000次。 将溶剂热合成技术发展成制备III-V族非氧化物的普适性方法，有关工作发表在Science (1996，第一作者)，这方面的工作入选了无机专业教科书，该系列工作获得2001年国家自然科学二等奖（排名第二）。 注重从固体化学的基本原理出发，从物质的内在特征结构为导向来控制它们的生长，同时建立和发展了系列结合特征晶体结构和特征模板导向的二元协同策略来构筑三维组装结构，该系列工作获得2012年国家自然科学二等奖（排名第一）。 提出了利用无机固体中丰富的相变行为和半导体二维超薄结构这两种新思路来实现电声输运的同时优化，获得了高转化效率的新热电材料，这大大区别于国际上通常采用纳米化降低热导的方法来提高热电效率，相关工作在《美国化学会志》上连续发表了5篇论文，美国《化学与工程新闻》做长篇专题评述，国际同行又评价她们提出的体系和方法是“有潜力的今后寻找热电材料的方向”。 在低维固体中的电、声调制领域，谢毅课题组还发展了无机类石墨烯化学，解决了这类超薄结构无法给出精确原子位置的难题，进而揭示了半导体二维超薄结构的精细结构、电子结构与热电、光电基本性能之间的调控规律，该系列工作发表了3篇《自然·通讯》和十几篇《美国化学会志》和《德国应用化学》论文，还为英国皇家化学会著名综述刊物《化学评论综述》撰写了2篇指导性评述，这部分工作使她们小组成为目前国际上在该领域持续活跃的几个主要研究小组之一。

我国科学家成功将二氧化碳变成天然气，能源危机能得到解决吗?

空气中含有巨量的二氧化碳（CO2），而且随着人类对化石燃料的应用，空气中的二氧化碳含量逐年升高，因此也带来了温室效应。

如果能将二氧化碳转化成碳氢化合物燃料，将有助于减少人类对化石燃料的依赖，使用太阳光驱动的光催化剂可以将二氧化碳还原成其他产物，然而，不幸的是，二氧化碳的分子结构非常稳定，其碳氧键解离能高达C=O解离能高达750kJ/mol，因此二氧化碳的光还原非常困难和复杂。

2019年7月22日，中国科学技术大学孙永福和谢毅团队在 Nature 子刊 Nature Energy 杂志（IF=54）发表了题为：Selective visible-light-driven photocatalytic CO2 reduction to CH4 mediated by atomically thin CuIn5S8 layers 的研究论文。

该研究开发了单原子层薄的的CuIn5S8层催化剂，成功将二氧化碳（CO2）光催化还原生产甲烷（CH4），且催化产物产物单一性接近100%。

CO2光还原通常会产生大量副产物，因此CO2光还原的一个重大挑战是在保持高转换效率的同时实现对单一产物的选择性。所以通过仔细的催化剂设计控制在催化剂表面上形成的反应中间体是至关重要的。

为了进一步优化研究模型，研究人员构建了原子级薄的二维（2D）层，以最大化双金属位点的数量（因为每单位质量的2D层的表面积更大）。

在这项研究中，研究人员设计了，单原子层薄的的CuIn5S8层，其中含有富含电荷的Cu-In双重位点，这对于从二氧化碳（CO2）光催化还原生产甲烷（CH4）具有高度选择性。因为Cu-In双位点形成高度稳定的Cu-C-O-In中间体是决定选择性的关键特征。

稳定的反应中间体的形成有利于随后的质子化形成烃物质而不是CO分子的产生，因此最终赋予所需的反应选择性。

这种配置不仅降低了整体解离能障碍，而且还将吸收质子化步骤转化为放热反应过程，从而改变反应途径形成甲烷CH4而不是一氧化碳CO。

单原子层CuIn5S8对可见光驱动的CO2还原为CH4的选择性接近100％，速率达到8.7μmol/g/h。

这一技术发展成熟后，将为节能减排、缓解全球变暖，以及减少人类对化石能源的依赖等找到新的解决方式。

武汉理工：一种简单环保、可大批量制备钙钛矿发光材料的方法

卤化钙钛矿纳米材料由于其非凡的光学（如窄带宽发射，可调发射波段，宽色域和高光致发光量子产率）和半导体特性已成为研究热点，在光伏，发光二极管（LED），光电探测器和激光器的广泛应用前景。钙钛矿材料具有一系列优良的性质，但其较差的稳定性限制了其应用。钙钛矿是一种离子晶体，其不稳定性的来源主要来自于其结构本身的不稳定性，以及环境对其降解导致的不稳定性，其中包括温度稳定性、光稳定性和水稳定性， 特别是对水极为敏感的性质严重阻碍了钙钛矿材料的应用。这一现象引起了广泛的关注，因此解决钙钛矿稳定性问题刻不容缓。

近日，武汉理工大学谢毅课题组提出了一种水诱导相转变无配体制备钙钛矿发光材料的方法，合成棒状CsPb2Br5嵌入的Pb（OH）Br材料，其具有出色的稳定性。有趣的是，钙钛矿样品浸泡在水中后，经历了从CsPbBr3和Cs4PbBr6到CsPb2Br5的相变和从纳米板到微米棒的形状转换，从而导致了棒状CsPb2Br5嵌入的Pb(OH)Br的形成。 更为有趣的是，经历泡水之后样品的PL强度不仅没有下降，反而大大提高。相比于水处理前，泡水处理后样品PL强度和光致发光量子产率分别提高了6倍和11倍，且具有非常优异的耐水、高温、紫外光稳定性。 相关论文以题“ Water-Triggered Transformation of Ligands-Free LeadHalide Perovskite Nanocrystals-Embedded Pb(OH)Br with Ultrahigh Stability ”发表在ACS Applied Material &Interfaces上。

论文链接：

图1 样品的光学、形貌及物相表征图：（a）PL及吸收光谱图；（b）荧光寿命图；（c）X射线衍射图；（d）扫描电子显微镜图片；（e）透射电子显微镜图片；（f）高分辨透射电子显微镜图片；（g）选区电子衍射图片。

图2 样品经长时间泡水后的光学、形貌及物相表征图。

图2 样品在不同恶劣环境条件下耐稳定性测试的的光学、形貌及物相表征图：（Ⅰ）高温泡水；（Ⅱ）高温退火；（Ⅲ）紫外照射。

总的来说，研究人员提出了一种简单环保且可大批量制备钙钛矿发光材料的制备方法，所制备的钙钛矿材料具有优异的光学性能和环境稳定性。这项工作为改善钙钛矿稳定性难题提供了新的研究思路。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。

健康成就梦超 科技融入生活 是什么

酷时代，科技融入生活！
不管你承认与否，科技在当今世界中正扮演着越来越重要的角色。有专家预计，2015全球研发经费（R&D）将高达1.9万亿美元。你想不想展望新的一年，看看科技将如何融入智酷时代的生活？

　　探索未知的世界
　　好奇心是人类科技进步的最大动力。对很多科学家来说，探索未知就是他们的生活动力
　　每个人都在谈论科技成果转化，但如果你回头看，往往最基础的研究才是最具有革命性的。我不希望有人来问我，你的研究是否能挽救我们的生命？清华大学的结构生物学家颜宁说，“我们的目标之一是造福人类，但基础研究所做的是揭示自然的方方面面，能够了解一些东西已经非常酷了。”
　　去年，颜宁教授研究组在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示其工作机制以及相关疾病的致病机理，在人类攻克癌症、糖尿病等重大疾病的探索道路上迈出了极为重要的一步。为这一问题，科学家们已经研究了40多年。
　　基础研究必然带来技术进步，技术进步其实也可以加速基础研究。结构生物学家们结晶分子，并使用X射线得到的衍射图案去揭示它们的结构，但现在一种叫做低温电子显微镜（冷冻电子显微镜）的技术进步带来了革命。一些极富挑战性的项目如果使用晶体学研究需要花费10年，有了低温电子显微镜，只需要短短半年。
　　颜宁对此感慨地说：“我们正处在研究结构生物学最好也是最坏的时代。这使我有些焦虑，2015年，我可能需要调整我的实验室的结构，拓展实验室的专业范畴，或者索性去休年假。”
　　2015年，还有更强悍的观察微观世界的工具正等待启用。位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所，今年就将启动升级后的大型强子对撞机，去寻找大量重粒子。
　　未知的世界，有细于芥子的，也有大过须弥的。对于普通大众来说，在显微镜下探索微观世界或许过于高冷，而在电视电影里观看星辰大海会更令人激动。
　　2014年，我国掌握了绕月飞行器的再入返回关键技术，长征系列运载火箭也顺利地超越了200发。2015年的中国航空事业，又将有哪些进展？
　　根据中国第一位宇航员杨利伟透露的消息，中方第一批航天员将退役，中国将进行新的航天员选拔，其中包括女航天员，中国为外国培训航天员的工作也将启动。目前中国海南航天发射场已经基本建设完毕。预计到2016年，备受关注的中国新一代火箭长征七号、长征五号，都将在这里实现首飞。届时我国将发射“天宫二号”空间实验室，并发射神舟11号载人飞船和“天舟一号”货运飞船，与“天宫二号”交会对接。
　　从这个时间表看，2015年将是中国航天承前启后蓄力待发的关键一年。在这一年里，“天宫一号”大约还会在太空翱翔，“探月”的“玉兔”或许仍将坚持带伤工作。而可以肯定的是，探月工程三期再入返回飞行器服务舱会飞回月球轨道，继续为嫦娥五号任务开展在轨验证试验。
　　从世界范围看，2014年航天界最大的进展是，欧洲航天局的“飞来”号着陆器，实现了人类历史上的首次彗星软着陆。而2015年，美国的“黎明”号飞船3月间的矮行星“谷神星”登陆之旅，“新视野”号无人探测船7月的冥王星之行，都将是值得人们期待的看点。
　　减轻地球的重负
　　承载了超过70亿人口的地球，早已不堪重负。为地球减负，实现人类的可持续发展，其实也是当今科技发展的重要目标
　　我们现在还不能断定12月将在法国巴黎举行的新国际气候条约谈判，会取得什么突破性的成果，或者会不会像2009年的哥本哈根气候变化会议那样不能达成协议——那毕竟是今年年底的事情了。我们可以肯定的是，去年，全球二氧化碳在大气中的浓度达到了历史最高水平，全球变暖再也不是一种推测，而是现实。美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的斯克里普海洋研究所的研究显示，在2014年4月的每一天测出的二氧化碳平均浓度，都超过了400ppm（1ppm为百万分之一）。这是过去近100万年，甚至可能更长的时间里，都未曾发生过的事。
　　如何给地球减负？我们需要节能减排、低碳生活，我们更需要科学家们的帮助——让新技术、新能源革命，帮助我们生活得既绿色又舒适。
　　2014年年底，在获得高转化效率的新热电材料方面做出突出贡献的中国科学院院士、中国科技大学化学系教授谢毅，获得了中国科协颁发的第六届“十佳全国优秀科技工作者”称号。在新的一年里，她又有哪些愿望呢？
　　“作为实现可持续能源发电的重要一步，我希望我们的实验室能实质性提高光化学能源、电化学能源、光电化学能源的转换效率。”谢毅说，为了实现这个新年愿望，实验团队计划设计超薄、二维、基于半导体的新催化剂，这些都增加了载流子（电子和空穴）的密度和流动性，可以提高光子吸收和电荷转移，并消除载流子的再结合。“理解这些材料的结构和功能之间的关系是实际应用的关键。这种理解需要多学科合作才能实现。”
　　说到新能源，我们不能不提一下中国实验快堆。去年12月，国家“863”计划重大项目、我国第一座钠冷快中子反应堆——中国实验快堆首次实现了100%满功率稳定运行72小时，这标志着我国全面掌握了快堆的设计、建造、调试、运行的核心技术。快堆具有固有的较高安全性，是国际公认的第四代先进核能系统中的优选堆型。在新的一年里，相信中国实验快堆将为我国快堆技术研发和快堆电站开发继续提供坚强支撑，为我国核能发展及先进闭式燃料循环体系建立发挥重要作用。
　　服务人民的生活
　　返老还童，记忆操纵，人造生命……我们关注这些神奇的科技成果是否将投入应用？但更庆幸许多科技还在老老实实地为人民服务
　　2014年的前沿科技成果，如果用于现实的话，有不少会显得富于科幻色彩：研究人员证明，来自年轻小鼠血液中的一个叫做GDF11的因子，能够让较老的小鼠的肌肉和大脑“返老还童”；还有研究者用光遗传学技术进行了“记忆操纵”的尝试，他们用激光轰击小鼠的大脑，能删除现有的记忆并植入虚假的记忆，能将某小鼠记忆的情绪内容从好转成坏，反之亦可；科学家们甚至扩增了基因字母，我们已知的地球生命都以A、T、G和C这4个DNA碱基来编码，去年科学家在实验室中创造出了新的DNA碱基，一种人工合成的大肠杆菌，除了有正常的G、T、C和A等核酸外还含有另外两种核酸X 和Y，这种细菌无法在实验室外繁殖，却可被用来制造具有“非自然”氨基酸的设计蛋白。
　　当然，更多的科技成果还没这么酷到没人爱、帅到没朋友，许多科技成果还在老老实实地为人民服务。
　　比如，提升了中国速度的高铁已经成为响当当的中国名片，2014年，高速列车“普系化”技术平台研发取得重要突破，《中国高速列车自主创新联合行动计划》也取得丰硕成果。2015年，我国计划建成并投产的12条高铁，开通运营里程将达3534公里。
　　再如，2014年，袁隆平团队选育出的超级稻良种“Y两优900”在湖南的4个百亩示范片平均亩产突破1000千克，创造了地球上水稻大面积连片种植产量新纪录。2015年，这位中国杂交水稻之父，还将继续为粮食增产而努力。
　　还有，2014年，中国工程院院士、浙江大学医学院传染病诊治国家重点实验室主任李兰娟在《自然》杂志发表论文，揭示肠道菌群与肝硬化的秘密，开启了“感染微生态”的全新领域研究，为全球肝病研究提供了新思路。新的一年里，李兰娟希望阐明抗生素和益生菌对肝脏的影响。“我们已经跟进了80名肝硬化患者半年时间，以阐明益生菌对疾病进程的影响和作用机制。”为了研究患者肠道微生物组的改变，他们还每周进行样本收集，已经持续跟踪了40名肝功能衰竭患者1个月。“我们希望可以找到治疗肝病的新益生菌。”
　　当然，2015年影响我们的将远不只高铁、水稻、益生菌，可穿戴设备、智能家电、服务机器人……这些高科技产品都将更深入地融入我们每一个人的生活，你准备好了吗？

纳米技术在科技生产和生活中的应用

纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员开始有意识得通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano- ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。

1990年，美国国际商用机器公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面用36个氙原子排出“IBM”三个字母。科学家们从这种能操纵单个原子的纳米技术中,看到了设计和制造分子大小的器件的希望。1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

九十年代以来，准一维纳米材料的研制一直是纳米科技的前沿领域。1991年1月，日本筑波 NEC实验室的饭岛澄男(S. Iijima)首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。2000年10月，美国宾州大学研究人员在Science上发表文章称，纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢 100倍的强度。不仅具有良好的导电性能, 还是目前最好的导热材料。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉，也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。最新的研究表明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、模具或模板，而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模拟显示，封存在碳纳米管中的水能够以新的冰相存在，在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界线将会消失，液体物质将会连续地转变成固体，而不发生明显的凝固过程。

1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single- walled Carbon Nanotubes)。1996年，因发现C60获得诺贝尔奖的斯莫利(Smalley)和他的研究组合成了成行排列的单壁碳纳米管束。同年，中科院物理所解思深研究员的研究组用化学气相法制备出面积达3mm×3mm的大面积碳纳米管阵列，它可用作极好的场发射平面显示器件。他们还于 1998年合成了当时最长的2毫米长度的纤维级碳纳米管。

除了碳纳米管外，科研人员还合成了其他的纳米管材料，如BxCyNz、NiCl2、类酯体、 MCM-41管中管、水铝英石、b-(g-)环糊精纳米管聚集体及定向排列的氮化硅纳米管等[1]。准一维纳米材料中除了空心的纳米管以外还有实心的纳米棒、纳米线、量子线。图1为我们研究组合成的氧化硅纳米线，直径为5-120nm，从线末梢到根部，长度为10-70mm。1997年，法国学者 Colliex在利用分析电弧放电得到包覆异质纳米壳体的C-BN-C管，由于它的几何结构类似于同轴电缆，直径又为纳米级，故称其为同轴纳米电缆(coaxial nanocable)。由于同轴纳米电缆具有的独特结构，将在纳米结构器件中占有重要的地位。

1996年，中国科技大学谢毅博士利用苯热合成法制备出产率很高、平均粒度为30nm的氮化镓粉体。1997年，清华大学范守善教授制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓纳米棒，首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，提出碳纳米管限制反应的概念。1999年，他与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

1997年，美国纽约大学科学家发现，DNA（脱氧核糖核酸）可用于建造纳米层次上的机械装置。2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。

1998年，中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。

1999年，北京大学电子系薛增泉教授的研究组在将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。同年，中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。

1999年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；不久，德国科学家研制出称量单个原子重量的“纳米秤”，打破了先前的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。

中科院沈阳金属所的卢柯小组在纳米材料及相关亚稳材料领域取得了突出的成绩。他发展的利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。他们发现的纳米铜的室温超塑延展性，被评为2000年中国十大科技新闻。

从发现纳米碳管始，科学家们不断研制出越来越细的纳米碳管。2000年，解思深组利用常现电弧放电方法制备出内径为 0.5nm的碳纳米管。同年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳纳米碳管¾0.4nm碳管，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。12月柏林的马克斯—玻恩研究所研制出1nm直径的薄壁纳米管，创出薄壁纳米管研制的新记录。

2001年初，中国科技大学朱清时院士的研究组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。3月，美国佐治亚理工学院留美中国学者王中林教授的研究组利用高温固体气相法，在世界上首次合成了独特形态且无缺陷的半导体氧化物纳米带状结构。这是继纳米管、纳米线之后纳米家族增加的新的成员。它有望解决纳米管在大规模生产时稳定性的问题，并在纳米物理研究和纳米器件应用上有重要的作用。6月，香港科技大学沈平教授的研究组在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性。这一观察表明，当纳米碳管细到一定程度时，其材料性质将发生突变。从应用上来讲，纳米碳管超导性的发现，将有助解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。

由上可见，在纳米基础研究领域，中国并不落后¾自90年代初，科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、国家重点基础研究项目等，投入数千万元资金支持纳米基础研究；中国的纳米科学家，在国际上取得了一系列令人瞩目的成果，相继在《Science》、《Nature》等权威杂志上发表了高水平的论文，使中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居世界第四。但是，在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手段离国外还有很大的差距。

二、 纳米科技的应用

在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏；纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。目前描述纳米材料中的基本物理效应主要是从金属纳米微粒研究基础上发展和建立起来的，要准确把握纳米科技中现象的本质，必须要在理论上实现从连续系统物理学向量子物理学的转变。

当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的“国家纳米技术倡议”(NNI)中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛，但最基本的有三个，即纳米材料，纳米电子学、光电子学和磁学，纳米医学和生物学。

1 纳米电子学、光电子学和磁学

纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍认为是70nm左右。目前国际上最窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。新概念器件的形成，单原子操纵是重要的方式。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料 。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。

利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance, TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。

2 纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片) 等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。

纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3 在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。

在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m¢和m¢¢几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

图2是我们研究组利用溶胶－凝胶法制备的b-纳米碳化硅粉的透射形貌照片，一次颗粒尺度约为 20nm。经微波网络矢量分析仪测量其介电损耗(tgd)达到9.28，而其它碳化硅粉的介电损耗在0.2-0.6之间，因而具备了在常温和高温下吸收超高频段电磁波的潜力。

4 纳米陶瓷的补强增韧

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一。

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶与a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料。

目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工艺和新方法不断出现，已具备了生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。我们研究组提出利用原位选择性反应法制备了纳米晶TiC和TiN复合TZP的复合粉料，为陶瓷材料的显微结构设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化手段也趋于多样化，其中微波烧结和放电等离子体烧结(SPS)具有良好的效果。美国宾州大学陈一苇教授利用无压烧结制备平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料，为发展纳米陶瓷带来新的希望。2001年6月，日本经济产业省报道将纳米陶瓷等新型材料应用于飞机部件制造技术。

5 纳米科技在其它方面的应用

纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高 100倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。

小型化本身并不代表纳米技术，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”(top down)尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”( bottom up)的方法来构建纳米器件。目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术，日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧，使功能性微器件的制备接受有了新的突破。另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1-2nm的单层的场效应晶体管，这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要的一步。这方面的工作现在还仅限于实验室研究阶段。