纳米技术系列报道之三：纳米相材料革命已经来临（上）

【美国《科学美国人》月刊１２月号文章】题：制造纳米相材料（作者理查德·西格尔）
我把它们称作“纳米相材料”（ＮａｎｏｐｈａｓｅＭａｔｅｒｉａｌｓ），这个名称反映了它们从本质上就不同于普通材料。纳米相金属、纳米相陶瓷和其它纳米相固体材料跟普通的金属、陶瓷和其它固体材料都是由同样的原子组成的，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米大到几毫米，包含几十亿个原子。而纳米相材料中的基本颗粒直径不到１００纳米，包含的原子不到几万个。一个直径３纳米的原子团包含大约９００个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条３０多米长的帆船跟整个地球的比例。纳米相材料具有奇妙特性在１９８９年，我们就已经知道，由于它们微小的结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，纳米相材料从宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高五倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这跟由大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。
在也许是最大的商业价值中，我们只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米相材料。
鉴于这种前景，拉扎勒斯和我在１９８９年创建了纳米相技术公司。我的世界再也不是原来那个样子了。成立一家制造这种材料的公司有助于激起工业界和学术界的兴趣。自公司成立以来，我们的科学家在了解这些无与伦比的材料及其有用的特性方面已经取得了很大的进展。作为一种成果，现在已经用纳米相材料做出了各种产品——从陶瓷到电子产品。它们肯定还会在无数其它领域找到更为广泛的应用。公司本身的发展说明了此项技术获得了进展——我们现在正在制造成吨的纳米相材料，而几年前还一次只能生产几毫克这种材料以供实验室使用。
纳米相材料的历史始于宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构。后来，自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构，诸如贝壳和动物骨骼。当原始人类发现火的时候，他们创造了纳米相烟粒。然而，纳米相材料科学史的起始时间要晚得多，它始于１９５９年美国物理学会召开的一次会议。
在那次会议上，加利福尼亚理工学院的物理学家理查德·范曼——他后来荣获诺贝尔奖——第一个公开推测控制凝聚物质微小颗粒的大小可能会产生的结果。他预言说：“我不怀疑，如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量可能的特性。”不久就有人对范曼提出的这一推测提出理论上的支持。在６０年代初，东京大学的久保良吾提出的一个模式，预示微小原子团在原子数量有限时会具有的量子力学上的特性。我们后来在纳米相材料中发现了这种影响。因此，当这些材料的结构单元大小变得比跟任何特性有关的临界长度还小的时候，其特性就会发生变化并可以通过控制结构单元的大小获得所需的特性。
１９８１年在丹麦里索国家实验室举行的一次会议上，当时在萨尔大学工作的德国物理学家赫伯特·格莱特提出，通过合并超微粒子获得的材料本身就会有非常不同的特性。在这次讲话后，格莱特的实验室发表了几项关于纳米晶状金属的研究报告，给了欧洲和美国的材料研究界以很大的震动。研究成果迈向市场
最近，纳米相技术公司约翰·帕克领导的一个研究小组（该小组也有卡特彼勒公司和洛克希德公司的研究人员参加，并且得到美国商务部高级技术计划局的资助）已经研制出真正的网状结构纳米相陶瓷，这一工作使早些时候的研究成果向市场前进了一大步。
诸如陶瓷等易碎材料变成纳米相形式后，发生大的形变怎么就不会裂成许多碎片呢？其答案是——在压力下，体积以纳米计算的晶粒比以微米计算的颗粒互相之间滑动起来容易形变，这很像你踩进沙堆时发生的情况。在固体材料中，这些晶体是互相键合在一起的。当这种键合被破坏得太多时就会发生断裂。在小的裂纹刚刚出现时，材料中附近的原子就会开始移过去填补这些裂纹。晶粒越小、原子必须移动的距离越短，修复得就越快。普通陶瓷——诸如无机非金属矿——发生这种形变的过程实际上可能要经历长达数百万年的地质年代。当然，有商业价值的制造必须能在几分钟之内使一种材料形变成一种具体的形状，只有纳米相陶瓷才能满足这种要求。纳米相材料为何强度高
我们开始时曾认为，纳米相金属之所以强度高，可能是因为它们拥有许多晶粒，从而拥有无数晶粒界面，而所有的晶粒界面都能像在常规金属中那样制止或阻碍任何移动位错。事实上，正确的解释是：纳米级晶粒就是因为太小才不能支持位错的；位错既不是大量存在的，也不是能轻易制造的。通过用透射电子显微镜对金属原子团和用这些原子团制成的纳米相样品的直接观察，我们发现，纳米相材料中的原子团和晶粒大多数是不存在位错的。
除了机械特性外，光学、化学和电子特性也可以按用户要求制造以满足各种特殊的需要。在控制这些特性方面，最重要的仍然是控制原子团或晶体的大小和排列秩序。例如，直径在１到５０纳米的粒子就太小而不能散射可见光，可见光的波长为３８０到７６５纳米。因此，如果在固结时仔细地清除任何比结构原子团大的气泡的话，固结纳米相材料可以是非常透明的。（上）