§1.2 纳米材料的功能和应用
1.2.1 纳米材料的力学性能和应用
人们发现，随着金属纳米微粒变小，它的力学性能会有很大变化.图1-10给出了几种不同纳米尺度的Cu微晶样品与大的粗晶（50 μm）Cu维氏（Vickers）硬度比较［32］，由图可见，6 nm微晶样品的维氏硬度是50 μm粗晶的5倍.大家知道人的牙齿有很高的强度，经研究发现，牙齿是由羟基磷酸钙等纳米材料与胶质基体复合构成的.
图1-10 不同尺度Cu晶粒样品的维氏硬度
然而却有另一种情况，纳米粒子制成的纳米陶瓷可以表现出超塑性，这就是媒体报道中提到的“摔不碎的陶瓷碗”.20世纪80年代后期，人们发现复相陶瓷ZrO2/Al2O3，ZrO2/莫来石、Si3N4，Si3N4/SiC等具有超塑性［33～37］.超塑性主要是材料中的纳米粒子界面在起作用，界面数量有一个临界值，数量太少，没有超塑性；数量过多，又会造成材料强度下降，也不能成为有用的材料.研究得到，陶瓷材料表现出超塑性的微粒尺寸范围是100～500 nm.图1-11反映出纳米陶瓷表现出超塑性［38］，这是1992年德国专家Hahn在墨西哥坎昆（Cancun）市召开的第一届纳米结构材料国际会议上展示的成果，即由粒径为40 nm的TiO2微粒烧结成直径为14 mm、厚度为 0.5 mm 的陶瓷片（图中左侧样品），在陶瓷的熔点温度以下的750 ℃受到250 kPa压强的作用，从而产生拉伸形变，陶瓷片的直径延伸为16 mm（图中右侧样品）.
图1-11 TiO2纳米陶瓷的超塑性
碳纳米管是1991年日本NEC实验室的研究员Iijima用高分辨电子显微镜首次观察到的［7］.这个发现引起人们的极大兴趣，首先是碳纳米管的力学特性，理论计算表明，碳纳米管的拉力强度比钢的高约100倍，是目前拉力强度最大的材料［39～43］.单壁碳纳米管可承受扭转形变，应力去除后能恢复原形，压力也不会使碳纳米管断裂.这些力学性能使碳纳米管有了很强的应用背景，如可作为复合材料的增强剂.
现在，人们研究用碳纳米管作为高密度电子源的场发射材料［44～48］，碳纳米管还有储氢性能［49～52］，可作为清洁燃料的载体.随着研究的深入，除碳纳米管外，人们已制备出很多其他成分的纳米管，例如WS2纳米管，MoS2纳米管，NiCl2纳米管等.
下面，我们看一个利用碳纳米管的力学振动原理制作“纳米秤”的例子.秤是用来称物体质量的工具.我国在公元前就有杆秤，其原理是利用杠杆原理把未知物与标准物（秤砣）的质量进行比较，以得出物体的质量.测量很重的物体，可以采用化整为零的方法.“曹冲称象”的故事就是这种方法的典范：曹冲用水的浮力做参考，把大象和许多石头的质量相比较，再分别用杆秤称石头.而另一种情况，测量很轻的东西，通常的方法是积少成多，例如要称小砂粒的质量，可以先把若干个砂粒放在一起称，然后去求得单个砂粒的平均质量.如果要称电子的质量，人们研究出用静电力与洛伦兹（Lorentz）力的平衡关系来得到.由上述可知，采用不同的方法可以称各种不同轻重物体的质量.1999年，华人科学家王中林发明了纳米秤［53］，可以称单个病毒的质量.他在研究碳纳米管的工作中提出利用单根碳纳米管的弹性和电磁共振作用来称微小质量的设想.碳纳米管的共振频率与其长度和管壁厚度有关，也就是说，在交变电压作用下，碳纳米管的共振频率与其质量有关，这就相当于“秤杆”和“秤砣”的作用.图 1-12 显示在一根碳纳米管末端附着一个直径约1/3 μm的粒子，图1-12（a）是没有施加电场（共振频率ν=0）的情况，图1-12（b）是施加电场后，碳纳米管的共振频率ν=968 kHz，由共振频率可以计算出该微粒子的质量为22×10-15 g，这比目前世界上最精确的秤的精度要高出1000倍.它可以称单个病毒或生物大分子的质量，从而提供一种用质量来判断病毒种类的新方法.在化学研究中，它使人们能够测量单个纳米粒子和大分子的质量，并可研究化学反应下物质质量的微小变化等.
图1-12 利用共振法测微小质量的“纳米秤”的电子显微镜图像
1.2.2 纳米材料的热学性能和应用
金属纳米粒子的熔点低于同种块体材料的熔点.例如，平均直径为40 nm的Cu微粒的熔点为750 ℃，而块体Cu的熔点为1053 ℃.Goldstein等［54］用TEM和电子衍射的方法测定了CdS原子团的熔点与其尺寸的关系，如图1-13所示.
图1-13 CdS原子团簇的熔点与其尺寸的关系
金属纳米粒子的低熔点特性在冶金工业中有很大的应用价值.例如，在W颗粒中加入质量比为0.1%～0.5%的Ni纳米粒子，烧结温度可从3000 ℃降到1300 ℃.又如，常规Al2O3的烧结温度是1900 ℃，而纳米Al2O3可在1500 ℃下烧结出致密度高于99％的材料［55］.
1.2.3 纳米材料的电学性能和应用
介电特性是材料的重要性能之一，它是材料可以带有多少电荷能力的表现.当材料处于交变电场中，材料内部会发生极化，交替出现正负电荷，这种极化过程对交变电场存在一个滞后响应时间，即弛豫时间.若弛豫时间长，一般会产生较大的介电损耗.纳米材料微粒的尺寸大小对介电常数和介电损耗有很大影响，介电常数与交变电场的频率也有密切关系.例如，TiO2纳米材料在频率不太高的电场作用下，介电常数先是随粒径增大而增大，达到最大值后下降，出现介电常数最大值时的粒径为17.8 nm［56］.一般讲，纳米材料的介电常数比同种块体材料的要大.介电常数大的材料可以应用于制造大容量电容器［57～59］，或者说，在相同电容量下可减小体积，这对电子设备的小型化很有用.
单电子晶体管是纳米粒子电学特性的又一体现.在这里，首先简单介绍一下量子隧道效应和库仑（Coulomb）堵塞.在电学里，导电是众多电子在导体内运动的表现.如果两个纳米粒子不相连，电子就不能随意在两个粒子间运动，在一定条件下，电子从一个粒子运动到另一个粒子就会像穿越隧道一样，若电子的隧道穿越是一个个发生的，则会在电压-电流关系图上表现出台阶曲线，这就是量子隧道效应.如果两个纳米粒子的尺寸小到一定程度，它们之间的电容也会小到一定程度，以至于电子不能集体传输，只能单电子或少量几个电子传输，这种不能集体传输电子的行为称为库仑堵塞.当纳米粒子的尺寸为1 nm时，我们可以在室温下观察到量子隧道效应和库仑堵塞，当纳米粒子的尺寸在十几纳米左右时，必须在极低的温度下才能观察到这些现象，例如低于-196 ℃.利用量子隧道效应和库仑堵塞，人们可以研究纳米电子器件，其中单电子晶体管是重要的研究课题.
图1-14是单电子晶体管的结构示意图，其中阴影部分是连接库仑岛与金属引线的隧道结，库仑岛是半导体纳米粒子或金属纳米粒子.在两端的金属引线上加入电压V，输送和接收电子的两个电极分别作为“源”和“漏”，电子从“源”到“漏”的过程是单电子隧穿过程和库仑堵塞过程，l是电子传输距离，R和C分别表示电阻和电容.库仑岛的一侧有另一个电极，称为“栅”，“栅”电极Vg起控制作用.“源”和“漏”电极间的电容Cg越小，则Vg对隧穿电流的控制越强.
图1-14 单电子晶体管结构示意图
由于单电子晶体管的耗电极小，且体积极小，可以使大规模集成电路的集成度提高几个数量级，这将会引起21世纪电子设备的重大变革［60～64］.单电子晶体管“库仑岛”上存在或失去一个电子的状态变化可以作为高密度信息存储的记忆单元，为高密度信息存储开辟了一条新的道路.
2001年2月，德国某科研机构报道了利用单个电子作为纳米电路开关的研究，该项研究取得了初步进展.现行的普通硅芯片半导体电路中，微晶体二极管通过电路的接通和断开分别代表二进制中的“1”和“0”，实现这样一个过程大约需要几万个电子.而德国科学家在研究中发现，由55个Au原子在平面分布形成的“纳米簇”可达到同样的功能，而且实现电路的接通和断开只需要几个电子.该项目的研究者之一、埃森（Essen）大学的施密特（Schmit）教授认为，单电子纳米开关电路有可能成为未来更小、更精确、耗能更低的芯片的基础.目前，全世界的计算机超过1亿台，如果以每台消耗功率100 W估算，那么仅为计算机供电就需要1010 W.如果单电子纳米开关电路成为芯片的生产标准，电能消耗至少可以降到目前的 1/10 000，更不用说单电子开关在速度和准确性上的优势了.
数据存储密度是计算机发展的一个重要标志.一般的磁盘存储密度为 107 bit/in2[1]，光盘出现后，存储密度提高到109 bit/in2.人们曾试图通过减小磁性材料的粒子尺寸继续提高磁盘的存储密度，但受到超顺磁性的限制，而纳米技术的发展突破了这种限制［65，66］.1995年量子磁盘的问世，使存储密度达到4×1011 bit/in2，将来的纳米技术还可以把存储密度进一步提高.早在1959年，诺贝尔化学奖得主、英国科学家费恩曼（Feynman）说，如果一个英文字母能缩小到100个原子的大小，那么25 000页的《大不列颠百科全书》（Encyclopaedia Britannia）就可以缩小到一个大头针的针尖大小.这个预言正随着扫描隧道显微学和原子力显微学的发展而变成现实.北京大学纳米科学与技术中心的研究人员［67］利用扫描探针显微镜（scanning probe microscope，简称SPM）同步加工技术在10 μm×10 μm尺寸的Au-Pd合金上书写了唐诗：“春眠不觉晓，处处闻啼鸟，夜来风雨声，花落知多少”，如图 1-15 所示.
图1-15 写在10 μm×10 μm尺寸上的唐诗
随着电子元件尺寸的不断减小，最小的功能团就是单分子.人们想到用分子来做电子元件、接线和记忆单元［68～70］.例如，先使一个生物基因DNA（全称deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸）分子具有导电性能，接着制造出单分子开关和逻辑单元，最后把分子单层自组装成薄膜而形成集成电路.人的大脑是最发达的生物计算机，它在超低功耗下工作.据有人估计，人脑有1014个运算器，每秒可进行1016次运算.1 g的DNA分子可以存储下中国国家图书馆内所有资料，由此可以设想纳米科学与技术在未来可能发挥出的威力.
美国加利福尼亚（California）大学的研究人员制备出一种纳米电池，把100个这样的电池放在一起，也不过只有一个人体细胞大小.该电池是用扫描隧道探针把Cu和Ag纳米粒子组装在石墨表面而构成的，输出电流可达mA数量级，电压有0.2 V，可连续放电45 min.利用这种纳米电池，可以研究单个生物蛋白质在电场中的生物过程，进而揭示生命的奥秘.
1.2.4 纳米材料的光学性能和应用
大家都知道，Au的颜色是金黄色，Ag是银白色，但是，当它们以纳米粒子形式存在时，都呈现相同的深灰色，这是由于纳米粒子的光吸收系数大而光反射系数小的缘故.一般地，金属纳米粒子对光的反射率低于10％.利用此特性，可把金属纳米粒子薄膜作为高效光热材料、光电转换材料、红外隐身材料，还可以制作红外敏感元件等.
人们发现，对于某些原来不能被激发发光的材料，当使其粒子小到纳米尺寸后，可以观察到从近紫外光到近红外光范围内的某处激发发光现象［71～73］，尽管发光强度不算高，但纳米材料的发光效应却为设计新的发光体系和发展新型发光材料提供了一条道路，特别是纳米复合材料更显优势.2000年，北京大学报道了埋藏于BaO介质中的Ag纳米粒子在可见光波段光致荧光增强现象［74］.实验中，Ag薄膜和Ag-BaO薄膜中的Ag含量是相同的，两种薄膜中的Ag纳米粒子的平均直径都是20 nm.室温下采用紫外光激发，纯Ag纳米薄膜的光致荧光发射谱有两个峰值，峰的中心分别位于红光波段和蓝紫光波段处；Ag-BaO薄膜的光致荧光发射谱相对于纯Ag纳米薄膜的有明显增强，其中在红光波段增强了9倍，在蓝紫光波段增强了19倍.在这两种纳米薄膜的荧光发射中，均是Ag纳米粒子起“主角”作用，当Ag纳米粒子受到BaO介质围绕后，更有利于对光子的吸收并转换为荧光发射.
现代社会是离不开信息通讯的，我们每个人都感受到打电话、看电视的好处.光纤通信可以大大扩展通话的线路数量，实验室里现已可以模拟用一根光纤容纳全世界所有人同时通话.掺杂纳米粒子的光纤对光的损耗可以大大降低，通话的质量从而得以提高.另外，纳米材料的荧光效应可以应用于电视的显示屏，把它变成一个大平面，悬挂在墙壁上，给人一种在电影院里观看画面的效果.
红外吸收材料在日常生活和军事上都有较大应用，一些纳米粒子具有较强的吸收红外光的特性［75～77］，如纳米Al2O3、纳米SiO2和纳米Fe2O3等的复合粉，把它们添加到纤维中制成衣服，对人体自身发射的红外线有较强的吸收作用，可以增加保暖性能，从而可以减轻衣服的重量（有人估计可减轻30％）.在军事上，用这种纤维制成的衣服对人体发出的红外线有屏蔽作用，可以防止对方红外探测器发现己方战士的行动，达到红外隐身效果.
此外，纳米C60和C70的溶液具有光限性，即当光强较小时，溶液是透明的，当光强超过某一强度后，会变为不透明.这一性能可以应用于强光保护敏感器.
1.2.5 纳米材料的光电性能和应用
光具有波动性和粒子性，即波粒二象性.当光照射到材料上，若材料吸收光子的能量并转换为其内部电子的动能，这就是光电效应.由光子激发生成的电子称为光电子.材料内部的电子接收光子的能量，从而获得了运动的能量，开始向周围运动，电子要想跑出材料的表面，必须有足够的动能，克服势垒高度（就像跳高运动员一样，有的人可以跳过某一高度，有的人跳不过去），跳过势垒高度的电子就能跑到真空中去，否则只能在材料内部运动.光电效应分为内光电效应和外光电效应：太阳能电池材料属于内光电效应材料，光电子在材料内部输运；光电发射薄膜属于外光电效应材料，光电子逸出材料表面被激发到真空，并被材料之外的收集极所接收.纳米材料在光电转换效应方面有很多特有的性能，当金属纳米粒子埋藏于半导体介质中，电子较容易逸出薄膜表面而发射到真空中去.
电子从受到光的照射开始运动，直至跑出材料表面进入到真空中，这样一个过程是需要时间的，有的材料需要时间短，有的材料需要时间长，这个过程所需要的时间就称做光电时间响应.半导体材料的光电时间响应多为ns数量级，而对于纳米薄膜材料，光电时间响应就快得多.北京大学论证了金属纳米粒子复合介质薄膜的光电时间响应，指出Ag纳米粒子埋藏于Cs2O半导体介质中的薄膜在近红外光作用下，其时间响应为50 fs（1 fs=10-15s）［78］，这比普通半导体光电薄膜的时间响应快了约10 000倍，可见这种薄膜应用于超短激光脉冲检测方面的优越性.50 fs是什么含义呢？大家知道，光的速度是最快的，约为3×105 km/s，相当于每秒钟绕地球赤道7.5圈.光传播1 m的距离只需要3.3×10-9 s（即3.3 ns），传播1 mm的距离只需3.3×10-12 s（即3300 fs），所以50 fs比光在细头发丝直径（约为0.1 mm）方向上传播所用的时间还短.超快时间响应的薄膜材料有广泛的应用前景.人们常说“一寸光阴一寸金”，“一寸金”可以用尺子去测量，“一寸光阴”的测量意味着测量光走一寸距离所需要的时间，这就涉及具有超快时间响应的光电薄膜材料.当前在军事上，为跟踪高速飞行的导弹，需要高精度的探测器件，时间就决定生与死，时间就决定胜与负，人们需要研究超快时间响应的光电薄膜材料.
对于金属纳米粒子埋藏于半导体介质中的薄膜，由于金属纳米粒子与介质间的相互作用以及纳米粒子的表面效应和量子尺寸效应，使这种薄膜具有独特的光学、电学和光电转换性能.在激光脉冲作用下，它具有多光子光电发射［79］；在飞秒超短激光脉冲作用下，它表现出超快时间响应的光学瞬态弛豫［80～82］.这类薄膜在超高速光学和超快光电子器件中有很强的应用背景.
大家知道，太阳能电池可以把光能转换为电能.这是一种内光电效应的材料，有着广泛的应用，如有的计算器用太阳能电池.单晶Si是一种具有高转换效率的太阳能电池材料，普通单晶Si的光电转换效率是百分之十几，不过单晶Si的价格比较贵.人们在不断地研究新的太阳能电池，现已发现，Si纳米晶材料有很好的内光电转换性能，理论上的光电转换效率可以达到14%［83］，目前在工业生产上已达到6％以上.后来，科学家们又发现ZnO，Fe2O3，SnO2，CdSe，WO3等很多纳米晶材料都有优良的光电转换性能.纳米技术为人类利用太阳能开辟了新的道路.
1.2.6 纳米材料的磁学性能和应用
有人研究发现，鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物体内存在磁性纳米粒子，它使这些生物能在地球磁场中分辨方向.磁性纳米粒子是一个生物罗盘（生物罗盘是大小约为20 nm的磁性氧化物）.纳米粒子的磁性可以比同种块体材料的高出许多，例如直径为20 nm的纯Fe纳米粒子的矫顽力是大块Fe的1000倍.利用磁性纳米粒子的高矫顽力，可以做成高密度存储磁头等器件.但是，并非磁性纳米粒子的尺寸越小，磁性越高.当Fe，Co，Ni等磁性材料的纳米粒子小到一定值后，反而会失去磁性，变成顺磁体，这里有一个临界值.图1-16是Ni纳米粒子的矫顽力Hc与直径d的关系曲线［84］.当Ni纳米粒子的d<7 nm后，Hc→0，这就意味着薄膜材料进入超顺磁状态.从图1-16可以看到，当纳米粒子尺寸大于超顺磁临界值时，则呈现高矫顽力，并且有一峰值，当d＝68 nm时Hc最大.
图1-16 Ni纳米粒子的矫顽力Hc与直径d的关系
还有一个很有意思的现象是多层纳米薄膜的巨磁电阻效应.所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻R的变化，用ΔR/R表示.普通非磁性纯金属导体的磁电阻很小，大约只有1/10 000，普通磁性金属材料的磁电阻只有约1/100.1988年，Fert等［85］在Fe/Cr金属多层膜中发现磁电阻高达50％，引起人们的极大重视，这样的磁电阻称为巨磁电阻.若Fe/Cr多层膜在GaAs基底上外延生长得到的是超晶格结构材料，且各层膜的厚度都是纳米尺寸，它将呈现更好的巨磁电阻效应.中国科学院物理所［86～89］近年来研究了Cr/［FeNi/CuCo/Cu］n等多层膜的巨磁电阻效应，发现巨磁电阻可达90％，而且稳定性很好.
巨磁电阻材料可以用于制作磁头，检测微弱磁场以及制作超导量子相干器等.1994年，IBM公司曾做实验，用巨磁电阻材料的磁头存取数据，把磁盘记录密度一下子提高了17倍.此外，巨磁电阻效应可应用于测量位移、角度等传感器中，也可应用于数控机床、非接触开关、旋转编码器中，它们具有体积小、功耗低、可靠性高和能工作于恶劣条件等优点.巨磁电阻效应另一个重要应用是制作超微弱磁场探测器，它在生物磁场探测、矿物探测和工业产品无损探测等方面都有重要作用.
近年来，纳米电冰箱经常被媒体提到，它是由纳米磁致冷复合材料制成的，它的基本原理是绝热退磁效应：假设在某温度以下以等温方式加入外磁场，工作物质的磁偶极子将沿着与外磁场一致的方向排列，整个体系变得有序了，所以熵减少了；如果把工作物质与环境隔绝，并去除磁场，整个体系就会等熵地降温，连续循环这样的步骤，便可以达到致冷的目的.1997年，我国科学家［90］获得磁熵大的La1-xCaxMnO3钙钛矿化合物材料，这种物质是纳米结构；人们又发现La0.75Sr0.25CaMnO3在室温附近存在相当大的磁熵变化.研究工作正向实现纳米磁致冷电冰箱的目标靠近.
1.2.7 纳米材料的超导性能和应用
超导现象是指在低于一定温度后某种材料的电阻消失的现象.超导的另一个基本特征是完全抗磁性.先把一个环状的样品放在垂直于环平面的磁场中，温度降低到临界值以下，然后撤去磁场，这时在环内产生感生电流，若样品仍存在电阻，感生电流将会不断衰减到零；若样品处于超导状态，则感生电流的强度不衰减，可以在环状超导体内长久流动.超导现象是1911年被昂尼斯（Onnes）首先发现的.普通金属的超导性出现在低于9 K（-264 ℃）的温度.超导性除了要满足临界温度的要求外，还存在一个临界电流的要求，电流越大，越不容易出现超导性.现在，人们关注的问题主要是制备出具有高临界温度的材料.C60出现后，测到掺K的C60超导临界温度Tc＝18 K（-255 ℃），后来，许多掺有各种金属的C60超导体制备成功［91，92］，最好的结果是Rb1.0Tl2.0C60/C70纳米材料，它的临界温度是48 K（-225 ℃），这种材料属于高温超导材料.
超导材料可以满足于大电流传输的需要，如用于需要通过大电流的电线，超导电线不会因电流大而发热，既不损耗电能，又不会因发热造成安全隐患.若采用超导材料制作电子加速器的加速腔体，则腔体的尺寸大大缩小.现在，人们已设计出超导磁悬浮高速列车，这将缩短人们旅行花费的时间.纳米材料的超导性能在将来会有广泛的应用前景.
1.2.8 纳米材料的化学性能和应用
纳米材料与普通材料相比，表面积要大得多，处于表面和界面上的原子数已与体内原子数可比拟（即高比表面积），它使纳米材料的化学活性变得很特殊，在催化作用方面表现尤为突出.图1-17给出了金红石结构的TiO2材料催化H2S脱硫的催化活性比较［93］.由图中看到，曲线Ⅰ的脱硫效果比曲线Ⅱ好得多，这是纳米相材料所表现出的优越性能.再如，用载体为Si的纳米粒子做催化剂时，粒子直径小于5 nm时，催化效果增强，在丙醛的氢化反应中反应呈选择性上升，使丙醛到正丙醇氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副反应受到抑制.
图1-17 不同比表面积TiO2催化H2S脱硫的催化活性
纳米半导体材料的光催化作用也是近年来研究的热门课题［94～97］.光催化是指在光照射下，材料把光能转变为化学能，促进有机物的降解.目前研究的半导体光催化剂有TiO2，ZnO，CdS，SnO2等十几种，这些材料都有光催化降解有机物的功能，对改善我们居住的地球环境有很大益处，其中纳米TiO2不仅具有很高的光催化活性，而且有耐酸碱腐蚀的优点，适合作为净化水的光催化剂.研究表明，通过对纳米半导体材料采用敏化、掺杂、表面修饰等方法，可以改善其光吸收和扩展其光谱响应范围.减小半导体催化剂的微粒尺寸，可以显著提高其光催化效果.纳米半导体光催化材料可应用于污水处理、工业废气净化、汽车尾气净化等，它们有很大的潜在经济效益和社会效益.
纳米粒子有较大的比表面积和较高的表面活性，因此对周围环境十分敏感（如光、温度、气体成份、湿度等），这样，在各种传感器中纳米材料被广泛应用［98～100］，如检测酒精的气体传感器、预防火灾的烟雾传感器、探测煤气泄漏的CO气体传感器等.不同元素掺杂的ZnO，SnO2等薄膜是重要的传感器材料.
纳米粒子在燃烧化学和催化化学中起着很大的作用.例如，在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1％（质量）的超细Al或Ni微粒，则每克燃料的燃烧热可增加一倍；超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂.纳米粒子用做液体燃料的助燃剂，既可提高燃烧效率，又可降低排污.
在催化反应中加入金属纳米粒子，可以改善催化效果.例如，直径为30 nm的Ni可把有机化学加氢/脱氢反应速度提高15倍.最近日本利用Pt纳米粒子作为催化剂放在TiO2的载体上，在甲醇与水的溶液中通过光照射成功地制取了氢气，产出率比原来提高了数十倍.
纳米材料的体系是丰富多彩的.如果从纳米科学与技术的各个分支领域来讲，纳米材料涉及纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等.纳米材料的研究往往需要现代物理、化学等多学科的相互结合，同时也与纳米检测设备和技术紧密相连.
综上所述，纳米材料科学充满了机遇和挑战.纵观纳米材料的研究进程，我们不难发现，随着纳米材料的研究内容不断扩大，基础研究和应用研究都成为关注的热点.纳米材料的制备方法也在不断前进，从控制粒子尺寸和形状到控制界面，再到控制形成薄膜和设计复合体，现在纳米体系的自组装也加入了研究行列（如纳米阵列体系、纳米镶嵌体系等），目标是制备纳米器件.
历史的车轮把人类从混沌初开的时代带入21世纪.蒸汽机的发明给人类带来了巨大的动力，把农业经济推向了工业经济；电的发明又一次给人类带来了重大的社会变革；到了20世纪末，人类进入了信息时代；纳米科学与技术给我们带来了新的发展领域，前景无限广阔.纳米材料日新月异，它们的神奇性能正在被开发.我国已在纳米材料的若干方面取得了很出色的研究成果.
但是，我们也应该清醒地看到，纳米材料的研究目前大多尚在实验室阶段，还有很多问题需要解决.我们相信，通过孜孜不倦的探索，纳米材料的研究会有新的突破，纳米材料将会服务于人类，拓展我们的新生活.