纳米材料的合成及其在农业和医学中的应用
各国纳米技术/材料发展的战略计划和重点研究领域
目前，世界上有30多个国家正在从事纳米技术的研究和开发，它们对纳米技术的投资迅速增加，从1997年的4.32亿美元增加到2002年的2174亿美元。2002年各国(地区)政府在纳米技术领域的经费投入比1997增长了503%(见表60)从表1可以看出，自2000年以来，各国(地区)政府投入的研发经费增速加快。美国、日本和西欧是纳米技术投资大国(地区)，其他国家和地区的投资总和没有美国和日本多。
自2000年2月，美国提出国家纳米技术计划(NNI)，纳米技术的研发经费从2001财年的4 . 22亿美元增加到2004财年的8 . 49亿美元(见表2)。2000年,《NNI实施计划》确定了五个重点发展的战略领域(见表3 ),这五个战略研究领域所包含的研究内容近年来有所调整。2003财年重大挑战项目涉及的关键研究领域:
1)“设计”更强、更轻、更硬、具有自修复性和安全性的纳米材料:10倍于工业、交通和建筑用钢的强度；强度为目前100摄氏度高温下熔化的汽车工业用材料三倍的高分子材料和多功能智能材料；
2)纳米电子学、纳米光电子学、纳米磁学:提高计算机运行速度，提升芯片存储效率百万倍；把电子的存储容量提高到几千太比特？单位表面积的存储容量增加1千倍；带宽提升数百倍，改变通信方式；
3)在医疗保健方面，通过诊断和治疗设备降低昂贵的医疗保健费用并增强其有效性；利用基因快速测序和细胞内传感器进行诊断和治疗；检测早期癌细胞并输送药物；可使人造器官排异率降低50%并检测早期疾病的生物传感器研究；开发对人体组织损伤最小的小型医疗器械；
4)在纳米级处理和环保方面，去除水中小于300纳米和空气中小于50纳米的污染颗粒，促进环境和水的清洁；
5)提高能量转换和存储效率，太阳能电池能效提高1倍；
6)发展探索太阳系外层空间的小功率微型航天器；
7)研究纳米生物装置，以减轻治疗给人类带来的痛苦:一种快速有效的生化探测器；用于保护健康和修复受损组织的纳米电子/机械/化学装置；
8)介绍经济和安全运输中的新材料、电子、能源、环境等概念；
9)在国家安全方面，密切关注纳米电子、多功能材料和纳米生物器件的重大挑战。
在2003财政年度，能源部增加了三个关于纳米材料特性的基础研究项目:
●在纳米材料的合成与处理中，我们对涉及材料变形和断裂的纳米加工有了基本的了解，为了合成纳米材料，使用定模技术排列纳米颗粒。利用尺寸和形状均一的纳米材料合成更大尺寸的纳米材料；
●凝聚态物理中的纳米材料研究，重点研究如何使大分子平衡并自组织成更大的纳米结构材料；
●从事基础研究，了解纳米材料的特性在催化变化的转变和控制过程中所起的作用。
NNI在2004财政年度支持的五个关键发展战略领域与2003年相同(见表3)。重点支持在原子和分子水平操纵物质的长期研究，发挥创造力构建分子、人体细胞大小等先进新器件，从而进一步完善应用于信息技术的电子器件；高性能和低维护材料的研究和开发)；用于制造业、国防、交通、航天和环境；加快纳米技术在生物技术、医疗保健和农业领域的应用。研发重点领域:生物-化学-辐射-爆炸探测与防护？CBRE纳米技术的创新解决方案:纳米制造研究；纳米生物系统；纳米标准仪器的发展；教育和培养新一代劳动者，以适应未来产业发展的需要；扩大参与纳米技术革命的产业阵容。
在第二个《科学技术基本计划》(2001-2006)中，日本政府将纳米技术与材料、生命科学、信息通信、环境保护等视为。作为国家科技发展战略最重要的领域。2001年度，该计划中投入纳米技术的研究经费达到142亿日元，比2000年度增加了88亿日元。规划确定的纳米技术和材料重点研究领域:纳米材料和材料及其在电子学、电磁学和光学中的应用；纳米材料和材料及其在结构材料中的应用:纳米信息元素；纳米技术在医疗、生命科学、能源科学和环境科学中的应用；与表面和界面控制相关的物质和材料；纳米测量和标准技术；纳米加工、合成和工程技术；纳米技术的计算、理论和模拟技术；形成安全空间的材料和技术等。
2001年，日本通产省制定了“纳米材料计划”(NMP)，每年资助3500万美元，为期7年(2001-2007)，由政府部门、政府研究机构、大学和产业界共同研究，旨在建立一个集新型纳米功能材料研发和面向产业的教育功能于一体的纳米材料研发平台。2001年，贸工部还制定实施了“下一代半导体技术发展计划”，发展50-70纳米的下一代半导体加工基础技术，政府每年投入6000万美元。
日本的“先进技术探索性研究”涉及纳米粒子、纳米结构、纳米生物学、纳米电子学等诸多探索性研究。该项目的研究期定为五年，全部由政府资助。在五年期间，政府对该项目的平均资助金额为6.5438亿加元+6百万英镑。每个项目通常由15-25名科学家和技术人员组成，分为3个研究小组。该计划鼓励国内外产业、大学和研究机构合作研究。该计划已经完成了许多项目，主要是在研究中。
日本文部科学省发布了2003年的科技预算，其中纳米技术和材料的预算共计1，496，5438+0亿日元(见表6)。2003年7月14日在日本内阁府综合科学技术会议上召开了“纳米技术与材料研究开发推进项目”第6次会议，确定了研究开发的重点领域:纳米给药系统、纳米医疗设备和创新纳米结构材料。这些项目由内阁办公室牵头，多个政府部门共同推动，于2004年开始实施。
欧洲力争纳米技术的国际地位。一方面，它在欧洲积极创造新的纳米技术产业；另一方面，它敦促现有的工业部门提高其纳米技术能力。在第六个框架计划(2002-2006年)中，欧盟将纳米技术和纳米科学作为七个重点发展战略领域之一，资助65，438.0+2亿美元，并确定了具体的战略目标和重点研究领域:
一.纳米技术和纳米科学
将长期的跨学科研究转变为理解新现象、掌握新技术和开发研究工具:关注分子和介观现象；自组织材料和结构；分子和生物分子力学和马达；无机、有机和生物材料及过程跨学科研究综合发展的新方法。
纳米生物技术:其目标是支持生物和非生物的综合研究，有广泛使用的纳米生物技术，如可用于加工、医疗和环境分析系统的纳米生物技术。主要研究领域涉及芯片实验室、生物实体的界面、纳米粒子的表面修复、先进的药物输送方法和纳米电子学；生物分子或复合物的处理、操作和检测，生物实体的电子检测，微流体，基于酶作用促进和控制细胞生长。
创建材料与构件纳米工程技术:通过控制纳米结构，开发超高性能的新型功能和结构材料，包括开发材料的生产技术和加工技术。关注纳米结构合金和复合材料，先进功能高分子材料和纳米结构功能材料。
开发操作控制装置和仪器:开发新一代纳米测量分析仪器，分辨率为10 nm。重点研究领域涉及各种先进的纳米测量技术；突破探索物质自组织特性的技术、方法或手段，发展纳米机械。
纳米技术在健康、化学、能源、光学和环境方面的应用。专注于计算模拟和先进生产技术；开发可以修改的创新材料。
二、智能多功能材料
具有高知识含量、新功能和改性的新材料将是技术创新、器件和系统的关键。
发展基础知识:目标是了解与材料相关的复杂物理化学和生物现象，掌握和处理对实验、理论和模拟工具有帮助的智能材料。主要研究领域:设计和开发具有特定特性的新结构材料；超分子和小分子工程的发展集中于新的高复杂性分子及其复合物的合成、探索和潜在应用。
技术和生产的结合:基于知识的多功能材料和生物材料的运输和加工:目标是生产出新的多功能“智能”材料，可以构建更大的结构。重点研究领域:新材料；自修复工程材料；包括表面技术和工程技术。
材料开发的工程支持:目标是在知识生产和知识使用之间搭建桥梁，克服欧洲同质产业在材料和生产一体化方面的弱点。通过开发新工具，可以在稳定的竞争环境中生产新材料。重点研究领域:优化材料设计、加工和工具；材料测试；把材料做成更大的结构，考虑生物相容性和经济效益。
第三，新的生产工艺和设备
新生产的概念包括更大的灵活性、更高的集成度、更安全和更清洁，这将取决于组织创新和技术发展。
在“纳米技术信息器件倡议”的五年计划(1999-2003)中，欧洲委员会制定了三个目标:设计出性能超过互补金属氧化物半导体硅兼容器件的器件；在化学、电子学、光电子学、生物学和力学的基础上，利用分子的特性，设计出原子或分子尺度的新装置和新系统，以解决特殊的计算问题。欧洲科学基金会提出了“自组织纳米结构”的五年计划，并于2003年开始实施。与力学机制相关的分子自组织、软物质或超分子研究，以及自组织纳米结构的功能和制备被列为研究的第一阶段。
英国政府在科研重点中确定了2001-2004年的科研战略和研究重点。其中，材料科学(研究经费为4.44亿英镑)和基础技术(研究经费为265，438英镑+000英镑)涉及纳米材料和纳米技术的研究重点:推进前瞻性材料模拟研究；促进纳米技术的研究和由不同机构管理的跨学科纳米技术研究合作中心(IRC)的发展。英国工程与材料科学研究委员会在材料科学发展五年计划(1994-1999)中投资约700万美元，其中约1万美元专门用于纳米粒子的研究。该计划在2000年继续支持纳米材料领域的研究。2003年，英国政府在纳米技术上投资了大约3000万英镑。
英国政府纳米技术应用小组委员会顾问专家组在调查了数百名科学家和发明家后，于2002年6月在其题为《英国纳米技术发展战略》的报告中概述了英国纳米技术的发展战略(见表7)，并选出了英国具有研究优势和产业发展机会的六个纳米技术领域:电子和通信；药物输送系统；生物组织工程、药物植入和装置；纳米材料，特别是生物医学和功能界面纳米材料；纳米仪器、工具和测量；传感器和执行器。
目前，法国政府主要支持三个纳米技术项目:“法国微纳技术网络”(654.38+00万欧元)；“纳米结构材料”(230万欧元)；“独立纳米物体”(654.38+02万欧元)。
德国联邦教育研究部和德国联邦经济部资助了6个纳米技术能力中心，每年投资6500万德国马克。资助的主要领域有:超薄功能薄膜；纳米结构在光电子学领域的应用:新型纳米结构的开发:超细表面测量；纳米结构的分析方法。
2002年，德国联邦教育与研究部发布了增强纳米技术研究能力的新战略，将纳米技术的研究经费从0998年的65438+2760万欧元增加到2002年的8850欧元，四年间增长了200%。关键研究领域包括加强纳米技术研究基础设施的安全性；重建综合创新的研究机构；纳米技术的商业化；促进创新型企业的建立；加强中小企业的作用，评估与其他国家合作的机会；缩短相关专利或授权的期限；与促进下一代科技研发相关的科技法律。对下一代材料研究的资助达到7500万欧元，其中包括对纳米结构材料的资助。
英国、法国、德国等欧盟国家，除了本国政府支持的纳米技术研究外，还将参与上述第六框架计划中有关纳米材料的欧盟项目。
在2002年至2006年的《科学技术发展基本计划》中，韩国政府将纳米技术和生物技术、信息技术和航空航天技术作为国家科学技术发展的重点战略领域。2000年制定的“纳米生物技术发展10年计划”重点关注纳米诊断装置、纳米治疗系统和纳米仿生装置的研发。“2001-2010tb纳米器件计划”将TB纳米电子学、自旋电子学、分子电子学和核心技术确定为重点研究领域。政府对该计划的投资总额为6，543.8美元+4.2亿欧元。科技部积极鼓励民营企业设立纳米技术专项投资基金作为配套资金。“2002年纳米技术发展行动计划”的预算为2031亿韩元，比2001年的1052亿韩元高出9.31%。它旨在开发纳米核心技术，建立新的国家纳米制造研究中心(250亿韩元)和信息技术与纳米技术的融合中心。到2010年，韩国将拥有13000名纳米技术领域的专家，跻身世界10强。
2003财年，澳大利亚将纳米材料和生物材料作为重点战略研究领域，主要研究通过原子和分子的纳米自组织形成块体材料。
从1999开始，中国台湾省陆续制定了“纳米材料高级研究计划”(1999)。“纳米技术研究计划”(2001-2005)预计5年内每年投入1亿元新台币。中国台湾省计划从2002年到2007年在纳米技术相关领域共投资6亿美元，每年稳步增长，平均达到每年6543.8亿美元。
世界纳米技术/材料的发展
各国(地区)通过实施纳米科技计划，在纳米材料和技术方面取得了很大进展。
纳米材料方面，仅以近两年国际上的一些研究成果为例，纳米技术/材料的发展是显而易见的。2002年，IBM和康奈尔大学相继开发出碳纳米晶体管。威斯康星州立大学开发了一种原子级硅存储材料，存储密度是目前光盘的654.38+0万倍。
麻省理工学院和美国陆军建立的纳米技术研究所开发了一种具有防水和杀菌效果的纳米涂层。美国伊利诺伊州西北大学Stupp领导的材料研究组首次设计并制备了类骨纳米纤维(Science，23，11，2002)。加州大学化学系Joshua Goldberger领导的研究团队与劳伦斯国家实验室的科学家合作，利用新型外延镀膜技术，首次成功合成了单晶结构的氮化镓。GaN纳米管，这种新技术也可以应用于其他材料的单晶纳米管的合成。氮化镓？GaN纳米管还可用于纳米毛细管电泳、生化纳米流体诱导、纳米级电子和光电元件(Nature 422？599 2003)。
氧化铝纳米管最早由俄罗斯莫斯科大学化学系开发。俄罗斯科学院电化学研究所成功研发出一种新型纳米涂层，具有良好的杀菌和环保性能。
日本工业研究所开发了一种单电子半导体，使用碳纳米管在室温下工作。在此基础上，名古屋大学开发出电导率可控的碳纳米管。日本东芝研发中心利用碳氢化合物催化分解法，在氧化锌(ZnO2 _ 2)多孔介电材料上包覆一层铁铝复合氧化物作为催化剂，制备出直径为5-8纳米、约5层的多层高密度填充碳纳米纤维，在其表面能上形成每平方毫米约4万根纳米纤维。研究这种材料的目的是开发一种储氢能源材料，吸收氢气和其他燃料。日立研究所利用纳米技术，在机械力的作用下，在原子水平上混合软磁金属和高阻陶瓷，从而在软磁金属纳米晶周围形成高阻陶瓷结构。软磁金属的纳米颗粒被高阻隔开形成高阻，可以降低高频段涡流造成的损耗，从而成功合成高频电磁波吸收纳米材料。该方法制备的电磁波吸收纳米材料可使电磁波吸收材料的厚度降低50%左右，有望作为涂层电磁波吸收材料投入实际应用。日本国立材料研究所Yoshio Bando领导的研究团队成功开发出内径约20 ~ 60纳米的填充液态金属镓的氧化镁单晶纳米管。镓的纳米复合温度计，利用氧化镁耐高温、高温下结构稳定的物理特性，大大增加了纳米温度计的测温范围，预计其测量温度可达1000摄氏度(APP。物理通讯83999，2003)。这个测量温度远高于Yoshio Bando研究组在2002年研究的碳纳米管温度计50-500℃的测量温度(Nature 415 599，2002)。
法国国家科学研究中心图卢兹结构研究和材料制造中心与阿尔霍斯大学天体物理系合作，共同设计了一种可以在铜表面自动聚集原子线的纳米“模具”分子，这为未来单分子电路的分子组件的电子互联打开了一个通道。
纳米技术在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也取得了新的进展和突破。本文不在此列。
通过中国“国家重点计划”、“863计划”、“973计划”的实施，纳米材料和纳米技术取得了突出的成果，引起了国际关注。比如在纳米电子学方面，研制成功波导单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现了宽度为6 nm的半导体量子线台面和宽度为6 nm的线金属栅，制备了间距仅为10 nm的各种“纳米电极对”；利用巨磁电阻效应研制了高灵敏度传感器和硬盘磁头的样机。在纳米材料方面，中科院化学所有机固体重点实验室与北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室合作，直接从C60粉末构建C60纳米管。得到的C60纳米管由C60晶体在500℃生长而成，保留了C60分子的结构和性质，同时作为一种新的聚集结构，具有准一维纳米材料的特性(J. AM。化学。SOC，2002，165438+10月，13)。发展了碳纳米管及其阵列体系的准一维纳米材料和非水热合成纳米材料。纳米铜金属的超延展性、大块金属合金、纳米复相陶瓷、巨磁电阻、磁热效应、介孔组装体系的光学性质、纳米生物骨修复材料、二元协同纳米界面材料等领域的研究在国际上有一定影响。在纳米器件的构筑和自组装、超高密度信息存储、纳米分子电子器件等方面也取得了许多重大而有影响的成果。
纳米技术/材料的未来发展趋势
从科技发展历史来看，新技术的发展往往需要新材料的支撑。如果没有1970制造的光纤，使得光强几乎不衰减，可能就没有现代的光通信；没有高纯度、大直径的硅单晶，很难想象集成电路、先进计算机和通信设备的快速发展。纳米材料是由纳米尺度控制的具有新特性和行为的纳米尺度材料。纳米材料是未来社会发展极其重要的物质基础。纳米材料是构建二维和三维复杂功能纳米体系的单元，在此基础上可以产生许多新的纳米器件和功能器件。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米技术的支撑，传统产业的技术升级也需要纳米材料和技术的支撑。纳米材料和技术将对许多领域产生巨大的冲击和影响。从文献计量的角度来看，纳米技术涉及多达87个研究领域。
从全球范围来看，在各国(地区)政府的大力支持和各行各业在研发方面的努力下，纳米技术和工艺不断得到发展，许多纳米新材料、新特性和新应用将不断被发现。纳米技术/材料的发展显示出诱人的前景。如前所述，纳米技术/材料涉及广泛的研究领域，对科学、技术、经济和社会产生广泛的影响，其未来发展方向涉及多个方面。本文重点介绍了纳米材料的未来发展趋势。
●纳米材料及其性能正朝着更高质量的方向发展，使得更多性能优越、价格低廉的纳米粉体、纳米颗粒、纳米复合材料将得到更广泛的应用。例如，纳米粒子可用于制造新的光学薄膜和具有光学和磁性的新功能材料。磁性纳米粒子和量子点将用于生产超小型光盘驱动器，存储容量是目前芯片的10倍，速度为数百GHz。
●在纳米材料和加工方面，将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米颗粒和碳纳米管来创造新的功能结构材料；开发超轻、超强结构材料；发展长寿命材料、支持能量转换的材料和具有新功能的电子材料；了解涉及材料变形和断裂的纳米技术，利用模仿技术排列纳米粒子，以便合成纳米材料；
●纳米材料将成为化学和能源转换过程中高度选择性和有效的催化剂。这不仅对能源和化工生产非常重要，对能源转换和环境保护也有很大的经济价值。
●纳米材料的发展将对生物医学领域产生巨大影响，如植入性和代偿性生物相容性材料、诊断装置和治疗学，纳米材料将有更多机会用于药物传递系统。新的生物相容性纳米材料和纳米机械元件将创造更多的可植入新材料、人造器官新材料和纳米元件
●开发以天然纤维材料为基础、具有环境相容性的新型纳米高分子纤维材料，保障人类健康安全:开发细菌细纤维纳米生态材料；用于食品和其他行业的小麦生物聚合物(淀粉)复合材料；将纳米粒子与可生物降解的聚合物结合以改善聚合物的物理和化学性质；从糖中开发纳米晶增强剂以净化废品；开发用于聚合物复合材料的局部化学改性植物纤维素纳米粒子:稻壳开发利用生产纳米碳化硅:开发表面分离的自组织植物纤维素膜。
总之，纳米技术/材料将向与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。