7.4 我国纳米功能材料重点工程

未来若干年内，我国纳米功能材料重点工程可预测性地将分布在纳米生物、纳米微机械、纳米陶瓷材料以及纳米太阳电池等工程应用技术领域。

1．纳米生物工程

纳米生物技术是生物技术和纳米技术相结合的产物，主要包括纳米医学、纳米医用材料、生物芯片以及基因工程等具体领域。纳米技术向生物学研究的各个领域广泛渗透，纳米科技与分子生物学的交叉产生了纳米生物技术，这将在单分子水平下探索生命的运动规律。生命过程是已知的化学、物理过程中最为复杂的一种运动形态。当前，纳米生物技术在纳米医学，特别是纳米药品、纳米医用材料、生物芯片技术、基因工程等方面已取得了长足的进步，而这些领域与人们健康、生存有着紧密的联系，拥有巨大的市场，是纳米技术领域下个重要的应用工程之一。种种迹象表明，纳米科技已在医学、生物芯片技术、基因工程等领域表现出广阔的应用前景。

2．纳米微机械

微电子机械系统已经引起了世界各国的广泛重视，纳米技术的迅猛发展使微型机械的研制与应用成为可能。纳米技术与微机械都属于21世纪的核心技术。全球包括大部分技术强国——美国、日本、德国、法国、瑞士、荷兰等都已积极在这方面开展了深入的研究与开发。我国对这一领域的研究也非常重视，并取得了非凡的成果。

相比传统机械，微型机械具有体积小、重量轻、能耗低、集成度和智能化程度高等特点。另一方面微机械并不是传统机械的简单微型化。当尺寸达到微米甚至纳米数量级，材料出现的纳米尺度下的奇异特性赋予了微机械新的特性与生命力。对微机械系统工程的研究与传统机械存在着很大的差异，具有独特的研究体系，是一门崭新的技术领域。

纳米技术的产生为微机械的发展提供了坚实的基础。当前微机械结合纳米材料的发展，主要开发的具体研究领域有：研究微机械中运动变换和动力传递，以及运动过程中动态特性的微机构学；研究微型机械以及构件加工制造技术的纳米加工技术；研究适用于制造微型构件满足其性能的特殊材料，以及在环境影响下的变形和失效规律的纳米材料力学；从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面上的作用、变化与损伤的纳米摩擦学。

我国目前正积极开展纳米—微机械系统的研究。其中，微型驱动器、微型机器人的开发，已列入国家“863”“973”等高技术研究计划中。比如，哈尔滨工业大学研制了电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，位移分辨率可达0.01μm。中科院上海光学精密机械研究所研制出微型器件装配装置。上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电极等。此外，清华大学开展的微器件研究包括微电机、多晶硅梁结构、泵与阀、弹簧等研究，中国科学院长春精密机工研究所的微机械测试技术等都取得了重大的进展。

3．纳米陶瓷材料

陶瓷材料作为全球材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。目前，国际陶瓷市场需求最大的建筑陶瓷年贸易额达50亿美元，并以每年12%～15%的速度增长。

由于存在脆性（裂纹）、均匀性差、可靠性低、韧性及强度较差等缺陷，陶瓷材料的应用受到了一定的限制。但随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，它克服了陶瓷材料的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为陶瓷材料的应用开拓了新领域，使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期，所以纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。

纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过在陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。具有优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起到不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

4．纳米太阳电池

新能源已成为能源领域的新宠，太阳能尤其受到全球技术领域的关注。作用太阳能开发的主体——太阳电池，当前仍以晶体硅电池为主，占据了光伏市场的90%以上。然而晶体硅太阳电池由于工艺复杂、能耗高，成本一直居高不下，无法与传统的水电、火电相竞争。纳米技术一定程度上改观了太阳能的开发与利用。当前世界众多知名大学已开展利用纳米材料改善太阳电池性能与成本的研究，比如美国加州理工、哈佛、普林斯顿等大学积极利用纳米材料作为陷光层，增加光伏材料对入射光的吸收，减少光伏材料的使用，一方面降低了光伏器件的成本，另一方面改善了太阳电池的性能。纳米太阳电池将是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向，并形成新的经济增长点，具有巨大的市场容量，将在解决21世纪日益突出的能源危机问题上发挥重要作用。

纳米环境技术将提供绿色化的环保技术和产品，大幅度降低污染，提高人们生存的环境质量，实现材料—环境的良性循环。纳米材料是利用材料在纳米状态下不同于常规材料的各种效应和性能，可以有效降低释放到环境中的废水、废气，减小普通能源方式对环境的影响，对未来的环境问题起着决定性的作用，对环境保护极具经济价值。