早在1959年，著名科學家Feynman Richard就曾設想，有一天如果能按自己的愿望任意擺布原子的排列，人類就將成為真正意義上的“造物主”。  

    納米科學的興起和發(fā)展，將使Feynman。夢想最終成為現(xiàn)實。納米科學技術是20世紀80年代中后期逐漸發(fā)展起來的，融介觀體系物理、量子力學等現(xiàn)代科學為一體并與超微細加工、計算機、掃描隧道顯微鏡等先進工程技術相結合的多方位、多學科的新科技。它是在1～100ｎｍ尺度上研究自然界現(xiàn)象中原子、分子行為與規(guī)律，以期在深化對客觀世界認識的基礎上，實現(xiàn)由人類按需要制造出性能獨特的產品。納米科技的出現(xiàn)，無疑是現(xiàn)代科學的重大突破，它在材料科學、凝聚態(tài)物理學、機械制造、信息科學、電子技術、生物遺傳、高分子化學以及國防和空間技術等眾多領域都有著廣闊的應用前景，因而對它的研究受到了世界范圍的高度重視。納米科技的研究與發(fā)展，無疑將極大地改變人們的思維方式和傳統(tǒng)觀念，深刻影響國民經(jīng)濟的未來發(fā)展。

  納米科技的急速發(fā)展已引發(fā)了若干新的研究分支，如納米材料學、納米物理學、納米電子學、納米生物學、納米機械學、納米摩擦學與微加工技術等。在納米科技中，當前人們普遍關心和有待解決的理論與實踐問題主要有：微材料特性、微觀摩擦、微系統(tǒng)優(yōu)化設計理論及納米級結構和制備工藝等。

二、納米材料的分類及其相關的應用領域

  納米材料一般分為：納米微粒、納米薄膜（多層膜和顆粒膜）、納米固體。納米微粒是納米體系的典型代表，一般為球形或類球形（與制備方法密切相關），它屬于超微粒子范圍（1～1000ｎｍ）。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效應等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性，也有異于傳統(tǒng)材料科學中的尺寸效應。比如，當尺寸減小到數(shù)個至數(shù)十個納米時，原來是良導體的金屬會變成絕緣體，原為典型共價鍵無極性的絕緣體其電阻大大下降甚至成為導體，原為ｐ型的半導體可能變?yōu)椋钚�。常�?guī)固體在一定條件下其物理性能是穩(wěn)定的，而在納米態(tài)下其性能就受到了顆粒尺寸的強烈影響，出現(xiàn)幻數(shù)效應。從技術應用的角度講，納米顆粒的表面效應等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁記錄、涂料、傳熱、雷達波隱形、光吸收、光電轉換、氣敏傳感等方面有巨大的應用前景。

  納米薄膜是由納米晶粒組成的準二維系統(tǒng)，它具有約占50%的界面組元，因而顯示出與晶態(tài)、非晶態(tài)物質均不同的嶄新性質。比如，納米晶Si膜具有熱穩(wěn)定性好、光吸收能力強、摻雜效應高、室溫電導率可在大范圍內變化等優(yōu)點。據(jù)估計，納米薄膜將在壓阻傳感器、光電磁器件及其它薄膜微電子器件中發(fā)揮重要作用。

  納米固體是由大量納米微粒在保持表（界）面清潔條件下組成的三維系統(tǒng)，其界面原子所占比例很高，因此，與傳統(tǒng)材料科學不同，表面和界面不再往往只被看成為一種缺陷，而成為一重要的組元，從而具有高熱膨脹性、高比熱、高擴散性、高電導性、高強度、高溶解度及界面合金化、低熔點、高韌性和低飽和磁化率等許多異常特性，可以在表面催化、磁記錄、傳感器以及工程技術上有廣泛的應用。

  總體而言，目前對納米材料的研究主要有兩個方面。一是探索新的合成方法，發(fā)展新型的納米材料。二是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結構和譜學特征等，對照常規(guī)材料探究納米材料的特殊規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。

三、納米材料的物理制備方法

  納米材料其實并不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構成的。  

人工制備納米材料的實踐也已有1000年的歷史，中國古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗也已證實為納米SnO2顆粒構成的薄膜。然而，人們自覺地將納米微粒作為研究對象，從而用人工方法有意識地獲得納米粒子則是在20世紀60年代。

  1963年，Ryozi Uyeda等人用氣體蒸發(fā)（或“冷凝”）法獲得了較干凈的超微粒，并對單個金屬微粒的形貌和晶體結構進行了電鏡和電子衍射研究。1984年，Gleiter等人用同樣的方法制備出了納米相材料TiO2。值得指出的是，俄羅斯和前蘇聯(lián)的科學家在納米材料方面也有不少開創(chuàng)性工作，只是由于英文翻譯遲等原因而未能在國際上得到應有的關注和肯定。比如Morokhov等人早在1977年就首次制備成功了納米晶材料并研究其性質。

  “納米材料”這一概念在20世紀80年代初正式形成，它現(xiàn)已成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域的研究熱點，而其制備科學在當前的納米材料研究中占據(jù)著極為關鍵的地位。人們一般將納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學方法兩大類。以下主要就納米材料的物理制備方法進行概述。

四、惰性氣體冷凝法（IGC）制備納米粉體（固體）

  這是目前用物理方法制備具體有清潔界面的納米粉體（固體）的主要方法之一。其主要過程是：在真空蒸發(fā)室內充入低壓惰性氣體（He或Ar），將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)，產生原子霧，與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚形成納米尺寸的團簇，并在液氮冷棒上聚集起來，將聚集的粉狀顆粒刮下，傳送至真空壓實裝置，在數(shù)百MPa至幾GPa壓力下制成直徑為幾毫米，厚度為10mm～1mm的圓片。

  納米合金可通過同時蒸發(fā)兩種或數(shù)種金屬物質得到。納米氧化物的制備可在蒸發(fā)過程中或制得團簇后于真空室內通以純氧使之氧化得到。惰性氣體冷凝法制得的納米固體其界面成分因顆粒尺寸大小而異，一般約占整個體積50%左右，其原子排列與相應的晶態(tài)和非晶態(tài)均有所不同，從接近于非晶態(tài)到晶態(tài)之間過渡。因此，其性質與化學成分相同的晶態(tài)和非晶態(tài)有明顯的區(qū)別。

五、高能機械球磨法制備納米粉體

  自從Shingu等人1988年用這種方法制備出納米Al-Fe合金以來得到了極大關注。它是一個無外部熱能供給的、干的高能球磨過程，是一個由大晶粒變?yōu)樾【Я５倪^程。此法可合成單質金屬納米材料，還可通過顆粒間的固相反應直接合成各種化合物（尤其是高熔點納米材料）:大多數(shù)金屬碳化物、金屬間化合物、Ⅲ-Ⅴ族半導體、金屬-氧化物復合材料、金屬-硫化物復合材料、氟化物、氮化物。

六、非晶晶化法制備納米晶體

  這是目前較為常用的方法（尤其是用于制備薄膜材料與磁性材料）。中科院金屬所盧柯等人于1990年首先提出利用此法制備大塊納米晶合金，即通過熱處理工藝使非晶條帶、絲或粉晶化成具有一定晶粒尺寸的納米晶材料。這種方法為直接生產大塊納米晶合金提供了新途徑。近年來Fe-Si-B體系的磁性材料多由非晶晶化法制備。

  摻入其它元素，對控制納米材料的結構，具有重要影響。研究表明，制備鐵基納米晶合金Fe-Si-B時，加入Cu、Nb、W等元素，可以在不同的熱處理溫度得到不同的納米結構。比如450℃時晶粒度為2nm，500～600℃時約為10nm，而當溫度高于650℃時晶粒度大于60nm。

七、深度范性形變法制備納米晶體

  這是由Ｉｓｌａｍｇａｌｉｅｖ等人于1994年初發(fā)展起來的獨特的納米材料制備工藝：材料在準靜態(tài)壓力的作用下發(fā)生嚴重范性形變，從而將材料的晶粒細化到亞微米或納米量級。  

例如：Φ82ｍｍ的Ｇｅ在6ＧＰａ準靜壓力作用后，材料結構轉化為10～30ｎｍ的晶相與10%～15%的非晶相共存；再經(jīng)850℃熱處理后，納米結構開始形成，材料由粒徑100ｎｍ的等軸晶組成，而當溫度升至900℃時，晶粒尺寸迅速增大至400ｎｍ。

八、物理氣相沉積方法制備納米薄膜

  此法作為一種常規(guī)的薄膜制備手段被廣泛應用于納米薄膜的制備與研究工作，包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。這一方法主要通過兩種途徑獲得納米薄膜：

  （1）在非晶薄膜晶化的過程中控制納米結構的形成，比如采用共濺射法制備Si/SiO2薄膜，在700～900℃氮氣氣氛下快速降溫獲得Si顆粒；

  （2）在薄膜的成核生長過程中控制納米結構的形成，其中薄膜沉積條件的控制和在濺射過程中，采用高濺射氣壓、低濺射功率顯得特別重要，這樣易于得到納米結構的薄膜。

九、低能團簇束沉積法（ＬＥＢＣＤ）制備

  納米薄膜該技術也是新近出現(xiàn)的，由Paillard等人于1994年初發(fā)展起來。首先將所要沉積的材料激發(fā)成原子狀態(tài)，以Ar、He氣作為載體使之形成團簇，同時采用電子束使團簇離化，然后利用飛行時間質譜儀進行分離，從而控制一定質量、一定能量的團簇束沉積而形成薄膜。此法可有效地控制沉積在襯底上的原子數(shù)目。

十、壓淬法制備納米晶體

  這一技術是中科院金屬所姚斌等人于1994年初實現(xiàn)的，他們用該技術制備出了塊狀Pd-Si-Cu和Cu-Ti等納米晶合金。壓淬法就是利用在結晶過程中由壓力控制晶體的成核速率、抑制晶體生長過程，通過對熔融合金保壓急冷（壓力下淬火，簡稱“壓淬”）來直接制備塊狀納米晶體，并通過調整壓力來控制晶粒的尺度。

  目前，壓淬法主要用于制備納米晶合金。與其他納米晶制備方法相比，它有以下優(yōu)點：直接制得納米晶，不需要先形成非晶或納米晶粒；能制得大塊致密的納米晶；界面清潔且結合好；晶粒度分布較均勻。

十一、脈沖電流非晶晶化法制備納米晶體

  這種方法是由東北大學滕功清等人于1993年發(fā)展起來的。他們用此法制備了納米晶Fe-Si-B合金。這一方法是：對非晶合金（非晶條帶）采用高密度脈沖電流處理使之晶化。與其它晶化法相比，這一技術無需采用高溫退火處理，而是通過調整脈沖電流參數(shù)來控制晶體的成核和長大，以形成納米晶，而且由脈沖電流所產生的試樣溫升遠低于非晶合金的晶化溫度。

  不過，此法制備的納米晶與用其它方法制備的納米晶相比，界面組元有所不同：界面圖像（電鏡下）不是很清晰并存在一定數(shù)量的亞晶界，晶粒內部也存在較多的位錯。有關用此法獲得納米晶的晶化機制，目前還不很清楚。

  以上主要對納米材料的分類、相關的應用領域及其物理的制備方法進行了較系統(tǒng)的概述，在此基礎上來促進納米材料的物理制備方法的新發(fā)明。