纳米技术最新进展□包佳琨    纳米技术已涉及到电、光、磁、催化及医药治疗等许多应用领域，
    纳米技术已涉及到电、光、磁、催化及医药治疗等许多应用领域，纳米材料正用于制备具有改良电导性、催化活性、强度、抗刮擦性及自清洁性的复合材料。此外还发现纳米材料可改善气体传感器及其他装置的性能，药物在人体内的效用以及日用品的有效性等。许多超小材料包括金属氧化物、陶瓷以及聚合材料和许多处理方法如分子自组装等目前已得到了应用，有的则有了商业规模的应用。半导体应用    目前，一项用于生产集成电路半导体芯片的精密抛光工艺——化
    目前，一项用于生产集成电路半导体芯片的精密抛光工艺——化学机械抛光（CMP）工艺的出现为纳米材料提供了新的用途，已有20%的半导体芯片是利用CMP工艺加工的，而且随着微型化不断发展的趋势导致芯片越来越小，这种趋势还会不断增加。例如当今我们通常所用的半导体线路线宽为130nm，而换代产品的标准将为90nm。    在CMP工艺中抛光的填充材料内可以形成纳米尺寸的颗粒，如典
    在CMP工艺中抛光的填充材料内可以形成纳米尺寸的颗粒，如典型的硅、铝氧化物以及新开发的铈的氧化物，颗粒尺寸在100nm左右，它们可以用来在硅晶片上制得金属双电极层。该技术在半导体制造中至关重要，BCC公司利用添加纳米粒子的CMP工艺后，年产值达到4亿美元，至2005年每年还会增长20%。    纳米技术不仅可用于抛光半导体芯片而且可制造芯片。例如
    纳米技术不仅可用于抛光半导体芯片而且可制造芯片。例如Nippon电报电话公司（NTT）正在开发一种改良方法生产芯片。传统制造纳米结构半导体的方法包括隧道扫描显微镜检查，以及利用电子或质子束进行平版印制，以在半导体晶片上制得所需的电路，但这些技术的缺陷在于对产生的纳米结构的尺寸、形状、分布及功能可控性差。因此NTT公司开发了一种新工艺，即在晶片外部制得纳米粒子或纳米级结构，然后与半导体晶片相结合，再通过调控表面化学键来调整沉积的纳米结构。这样就可以有效控制半导体晶片的各项功能如光学活性、磁性、金属性、半导电性及绝缘性等。宽带需求    宽带网络具有成本低、光纤传输速度快、无线应用等特点，由于
    宽带网络具有成本低、光纤传输速度快、无线应用等特点，由于对图像、声音、数据等的传输要求越来越高，并且设备的微型化也不可避免，Neophotonics等公司已将应用于宽带网络的光学设施视为纳米颗粒技术的又一潜在市场。    Neophotonics专门从事CO2激光驱动工艺研究，即利用快速加
    Neophotonics专门从事CO2激光驱动工艺研究，即利用快速加热和快速冷却的方法合成陶瓷、金属氧化物、碳化物、氮化物、金属及其他材料的纳米粒子，尺寸范围在2～100nm。该工艺可以确保粒子尺寸的均一性，从而改善粒子在溶液中的分散性，这是制造均相纳米复合物材料时最为关键的问题。Neophotonics还利用激光激活沉积（LRD）工艺制备集成的光学器体应用于宽带光纤中，例如无源波导玻璃光纤以及在单一基质上以特定形态沉积而成的活性玻璃光纤等。对多元素纳米颗粒，LRD工艺的沉积速率要高出传统的化学气相沉积法2个数量级。纳米复合材料    长期以来，复合材料的制备一直在聚合物模板上（如三聚氰胺甲
    长期以来，复合材料的制备一直在聚合物模板上（如三聚氰胺甲醛、聚氨基甲酸酯等）结合黏土颗粒与金属氧化物，以改善其机械性能（如强度、硬度、柔韧性、防火性以及抗刮擦性）、扩散性能以及可加工性。但据Nanophase Technologics公司的研发副主席Richard Brotzman介绍，由于传统的微米尺度的夹杂物会使光发生散射，因此降低产品透明度。研究证明，使用粒径小于100nm的纳米晶体金属氧化物颗粒可以减少光散射，制得透明的复合材料。这些物质具有很大商业前景，而且与传统的加强型材料相比具有更好的抗磨损性。    Nanophase公司利用气相等离子合成法已批量生产了纳米晶体氧
    Nanophase公司利用气相等离子合成法已批量生产了纳米晶体氧化物用于商业应用，产能500万t/a，颗粒尺寸范围在10～50nm，表面积为15～90m2/g。与聚合物结合后，不同纳米尺寸的氧化物可以对许多物质性能进行改进，例如氧化铝可增加抗磨损性，氧化锌和氧化铈可以增强抗紫外性，铈的氧化物可以增加贮氧性能，锑/锡的氧化物（ATO）可改善抗近红外辐射能力，铟/锡的氧化物和ATO还可以改善电导性。    Nanomat公司已开发了一种铝氮氧化物（AZON）的纳米粉末，可
    Nanomat公司已开发了一种铝氮氧化物（AZON）的纳米粉末，可改善许多材料如传感器、高温结构元件的强度以及光学透明度，可用于金属和材料工业的耐火材料以及导弹及航天器等相关领域中。改善催化性能    事实上所有用于汽车催化转化器的催化剂都含有一个陶瓷的蜂窝
    事实上所有用于汽车催化转化器的催化剂都含有一个陶瓷的蜂窝结构，并覆有活性催化剂——一般为添加氧化锆的铈土[Ce（1-x）ZrxO2]，并混合氧化铝粘合修补基面涂层，然后再添加一种稀有金属（如钯）。这要涉及许多工艺步骤，包括沉淀、溶液浸渍、煅烧及研磨。密歇根大学及Tal Materials公司开发了一项新工艺可以利用简单步骤制得催化修补基面涂层，它利用一个液体进料火焰喷射热解装置，可以直接制得含有[Ce（1-x）ZrxO2]的非聚集纳米粒子，具有适当的表面积以及对汽车尾气催化的活性。    同时，Brookhaven国家实验室从事改善催化剂以消除空气污染
    同时，Brookhaven国家实验室从事改善催化剂以消除空气污染物研究的工作者们正将其注意力集中于在TiO2上沉积金纳米粒子层。该研究组介绍，在TiO2（被广泛使用的工业用催化剂）中添加金（典型的不活泼元素），可以改变两种材料的电子特性。据介绍，这种催化剂的活性是普通TiO2的5～10倍。当光催化物质如锐钛矿型TiO2暴露在紫外线中时，可以大量吸收紫外线的辐射。在有水、氧气及紫外线存在的情况下，这种物质可以自身产生辐射，从而降解有毒有害的化学物质并减小粘合尘埃（无机和有机物质）与藻类与不同表面的附着力。Sachtleben Chemie公司已经在许多商业化应用中开发利用这种光催化效应，例如水和空气的净化、表面部分净化及改善物质表面的抗微生物及抗藻类的性质。利用锐钛矿型TiO2的所有反应都可在TiO2颗粒或涂层表面进行，因此具有极大表面积的纳米粒子可以使这些反应比正常的速度高出几个数量级。     传统工艺利用CVD沉积膜制备光催化自洁净表面，但现在已有
     传统工艺利用CVD沉积膜制备光催化自洁净表面，但现在已有几家公司正在开发新的工艺制备光催化氧化物的纳米粒子，包括锐钛矿型的TiO2、氧化锌、氧化锡，并将纳米颗粒涂覆在物体表面。此外BASF公司正在开发将纳米颗粒与憎水聚合物如聚丙烯、聚乙烯及蜡相结合制备超憎水物质及涂层。当干燥后，可以通过分子自组装促进涂覆产品的内在纳米结构。这些技术可以用来设计更加防水、防尘的皮革、纺织品等。气体传感器    尽管电阻型金属氧化物传感器已作为一种低成本的操作方法广泛
    尽管电阻型金属氧化物传感器已作为一种低成本的操作方法广泛用于可燃和有毒气体的探测，但其灵敏度、选择性及稳定性较差，限制了它的使用，使得许多检测仍要借助较昂贵的测试手段（例如顺磁性的红外电化学催化粒子传感器）。另一方面电阻型金属氧化物气体传感器（例如锌、锡、钛及铁的氧化物）与气体接触时会在传感器的表面产生电导率的变化，因此反应速率也要受到传感器探头表面积大小的影响。    目前纳米粒子在工程应用方面显示出的优越性为传感器制造商们
    目前纳米粒子在工程应用方面显示出的优越性为传感器制造商们提供了新的机会，使得他们能够更加严格地控制所需金属氧化物的合成速度、颗粒尺寸、尺寸分布以及表面积，从而改善气体探测的灵敏性和选择性。    纳米材料研究已经在陶瓷、聚合物及金属等领域有了广泛的开
    纳米材料研究已经在陶瓷、聚合物及金属等领域有了广泛的开发。美国纳米材料研究中心已经获得了一项制备金属氧化物传感器新的制造专利，克服了薄膜制造工艺的缺陷（如需要大量劳动力、可再加工性差、成本高）。与利用传统粗颗粒氧化物制造的传感器相比，利用纳米级粉末（<100nm）制成的传感器不仅灵敏度有所提高，而且其最突出的优点在于对特定的控制应用反应更迅速。利用新方法可以沉积出不同的基底形成多层芯片式传感器，并且具有一系列的内电极。目前已利用相似的工艺制造了具有确定表面的电子元件，例如具有浇铸陶瓷薄片的电容以及具有选择性沉积电极的电容。    值得注意的是，与传统的薄膜器件相比，可通过自动化工艺大批
    值得注意的是，与传统的薄膜器件相比，可通过自动化工艺大批量制得多层气体传感器，还可以通过选定某些设计参数而获得特定的电学性质，例如通过控制层数、层厚度以及电极面积可制得具有单位基线电阻的传感器。已有公司开发了检测低水平氢气浓度（10×10-6～1000×10-6）和高水平氢气浓度（1%）的器件，并正在开发针对NH3、NOx、VOCs及CO2等改良气体传感器。    纳米材料在传感器中的研究还涉及到一种独特的自组装纳米结构
    纳米材料在传感器中的研究还涉及到一种独特的自组装纳米结构平台材料，称为阳极氧化铝（AAO）。AAO具有化学稳定性、耐熔性以及可微加工性，因此是金属氧化物传感器设计中的理想选择。铝在酸溶液中进行阳极化后，就会产生具有均一纳米尺寸级的平行孔的氧化膜，其直径在几到几百纳米间可调，而且可对其空间及外貌形态进行高精度的控制。这样金属氧化传感器材料可沉积在这种可裁减的纳米模板内，既可用湿法化学法，也可用气相法处理。生产该材料的公司还展示了一系列基于此新型模板制成的微传感器，包括用于探测室内空气污染物的装置，以及用于超低能耗操作的微小催化传感器。    在相关研究中，佛吉尼亚聚合物技术研究所与Nanosonic公司的
    在相关研究中，佛吉尼亚聚合物技术研究所与Nanosonic公司的研究人员们正利用分子静电自组装（ESA）工艺在室温和环境压力条件下制备用于传感器、调节器以及其他分析装置的超薄膜。据佛吉尼亚技术中心教授兼NanoSonic公司主席的Richard Claus介绍，通过选择不同聚合物或聚合物/纳米颗粒簇的沉积，该工艺可以实现对电导率、光学性质、电光系数、渗透率及超薄膜强度的控制。而且还可以制备超薄压电膜，该膜具有净化作用并且无需分离穿管步骤。日用品    目前在防晒研究方面的发展趋势是开发可以抵抗较宽波长日光的
    目前在防晒研究方面的发展趋势是开发可以抵抗较宽波长日光的防晒产品，即不仅可以抵御B紫外线（UBV）的辐射，还可以抵御具有较短波长的A紫外线（UAV）的辐射（它是导致皮肤癌和其他皮肤病变的主要因素）。 随着制造氧化钛和氧化锌纳米颗粒方法的出现，防晒用品的制造商们现在可以利用这些紫外线阻挡剂制成透明洗液，而这些透明洗液要优于原有的非透明的白色氧化物膏体。BASF执行董事会的成员Stefan解释说，因为可见光的波长在400～800nm的范围内，经细小粒子后光散射会显著减少，因此纳米级防护品效果明显提高。    BASF公司正在开发一项工艺，即在牙膏中添加含量为5%的羟
    BASF公司正在开发一项工艺，即在牙膏中添加含量为5%的羟磷灰石（牙齿和骨骼的主要成分）的纳米粒子以修复和美白牙齿。羟磷灰石的纳米粒子对牙齿的釉质有很强的亲和性并且应用在牙膏中还会经历一种“自组装过程”，在牙齿上产生一层很薄的透明膜。然而出于谨慎的考虑，还需进行更深入的研究以验证使用纳米材料可能会造成的危害。他说如果这些超细粒子用于与人体有直接接触的产品中，例如化妆品或药品等，最好了解一下这些粒子与细胞接触会产生哪些效应。    研究人员们还再继续寻找更好的方法以控制纳米粒子的尺寸、尺
    研究人员们还再继续寻找更好的方法以控制纳米粒子的尺寸、尺寸分布、加工性能以及表面改善性。当制造纳米结构时，弄清每一个原子的变化非常关键。因为这将影响到这些纳米结构会具备哪些功能，目前这还是研究中的一个障碍。IBM的T.J.Watson研究中心的纳米尺寸材料及器件的负责人Christopher风趣地说，纳米科学最另人头疼的地方是它包含了所有的表面科学，如果谁能加工到纳米颗粒之间以及纳米颗粒与其他材料之间的界面，那么谁就是最大的赢家。    在成本问题上目前也存在着很大的挑战。据BCC的Rittner介绍，
    在成本问题上目前也存在着很大的挑战。据BCC的Rittner介绍，如果没有一个可持续的成本或性能优势的话，今天许多有前景的纳米技术将不会有持久的发展，公司需要一个真正的清晰的促动因素，以明白为什么要用更新的基于纳米颗粒的技术去替代现有的技术。    但无论如何，科学始终推进我们朝着研究精密物质的方向进行，
    但无论如何，科学始终推进我们朝着研究精密物质的方向进行，这些技术可能只需添加或减少少量的原子即可实现。尽管目前存在很多挑战，但大量纳米粒子都显示出了巨大的应用前景。（全文完）