一、什么是纳米
如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所能延伸到的物质世界的范围。目前人类能够研究的物质世界的最大尺度是1025m（约10亿光年），这是我们已观测到的宇宙大致范围。人类所研究的物质世界的最小尺度为10-19m（0.1阿米）。
纳米，是一个长度单位，为十亿分之一米，符号是nm。原子的直径为0.1～0.3nm。对小于10-l0m以下的原子内部结构的研究属于原子核物理、粒子物理的范畴。当物质小到1～100nm（10-9～10-7m）时，物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。通过多学科的交叉和综合研究，人们看到了一个超乎想象的诱人前景。
二、纳米科技的发展
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。
20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用“纳米技术”一词描述精密机械加工。
1982年，科学家发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜（STM），揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司（IBM）在镍表面用36个氙原子排出“IBM”字样之后，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。
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的质量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子质量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
到1999年，纳米技术逐步走向市场，当年纳米产品的销售额达到500亿美元。
近年来，美国、日本、德国等许多国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。
三、纳米材料的奇异特性
1.表面效应
如果学习了立体几何，你就会知道，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，那么其“比表面积”（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。
当颗粒尺寸小于0.1微米时，位于颗粒表面的原子所占的百分比急剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，如果用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察可以发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种“准固体”。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。
超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，就需采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。
2.小尺寸效应
对超微颗粒而言，随着尺寸变小，其比表面积显著增加，除了产生上述的表面效应外，还会有一系列新奇的性质。我们把这些由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为“小尺寸效应”。下面介绍几种小尺寸效应。
（1）特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为内能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
（2）特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，熔点是固定的；超细微化后，人们却发现它的熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时电路元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。
超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致于可在较低的温度下烧制大功率半导体管的基片。
（3）特殊的磁学性质
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为20纳米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，颗粒尺寸大约小于6纳米时，它很容易磁化且不会退磁。利用这个特性，人们已制成了高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等，还可以制成用途广泛的磁性液体。
（4）特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下很脆，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面（表面积很大），界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力的作用下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。有报道成，美国研究人员发现，氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。由纳米晶粒组成的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。金属一陶瓷等复合纳米材料，可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
3.宏观量子隧道效应
纳米量级的颗粒的尺寸介于原子、分子与大块固体之间，微观粒子遵循的力学规律在纳米颗粒身上“若隐若现”。当具有一定外部条件时，纳米颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁性随着大小发生变化，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。
四、纳米材料的用途
纳米材料在许多领域都得到了应用，我们在上面的叙述中也介绍了一些。除此之外，它还有许多用途：
医药 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
电子计算机和电子工业 目前，读取速度极快、存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。
环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而清除污染。
纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO等材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的特殊功能纤维。
机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
