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科学之美，大可到无垠星空，小可到电子夸克；远可谈光年以外，近可说触手可及；大可谈到哈勃半径，小能说普朗克长度。这就引出我们今天想要探讨的纳米技术。

纳米技术总括来说，就是进入微观世界来研究、生产、应用的技术。我们日常生活肉眼所看到的都是宏观世界，那么通过扫描隧道显微镜，就可以进入原子与分子世界。

神奇的纳米

纳米技术的几个时间节点：

◆纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。

◆1981年，科学家发明研究纳米的重要工具———扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。

◆1990年，首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。

◆1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。

◆1989年美国斯坦福大学搬走原子团，用氙原子打出“斯坦福大学”英文名字，◆1999年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。之后中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字。

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一、什么是纳米

纳米（Nanometer，符号:nm），是一种长度度量单位，即为毫微米，1纳米=10的负9次方米。

单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。假设一根头发的直径是0.05毫米，把它轴向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是1纳米。也就是说，1纳米就是0.000001毫米。

二、什么是纳米技术

纳米科学与技术，简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，用机械制造分子结构。是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种，微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的&;加工&;来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。目前很多的新材料都来源于这个技术的发展。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子，制造出具个可见的原子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。有资料显示，进入二十一世纪，纳米技术将成为仅次于芯片制造的第二大产业。

三、纳米技术的特点

目前我们看到的主要是纳米技术在新材料方面的应用，而光这一应用就带给我们无限的想象空间。为什么呢？因为纳米效应。

纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：

1）材料的特征尺寸在1-100纳米之间；

2）材料具有区别常规尺寸的材料的一些物理化学性质。

纳米效应：当物质的基本构成单位微小到只有纳米级别时，纳米材料就具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

四、纳米材料的产业链

1、产业链庞大

纳米材料产业链上游为原料供应和设备。设备主要包括粉碎、混合/分散、测试等涉及到纳米材料制备、加工的设备。

产业链中游环节为纳米材料的生产制备，包括纳米粉体、纳米薄膜、纳米纤维、纳米块体，还包括以此加工形成的纳米复合粉体、纳米磁性液体、纳米涂层材料、纳米改性纤维及金属/陶瓷/塑料基等纳米复合材料。

产业链下游包括在电子信息、新能源、生物医药、建筑化工、服装纺织、节能环保、结构增强等领域的应用。

与之相对应的一些厂家及具体材料名称。

2、产业发展规模前景

受技术需求双轮驱动，产业较快增长

近年来，随着纳米材料生产技术的改良及下游需求增加的拉动，纳米材料的市场规模呈现了较快的增长趋势。中国纳米材料产业市场规模由2014年的481.3亿元增长到了2018年的791.0亿元，年复合增长率为13.2%。随着下游市场需求进一步扩大以及相关技术的逐渐成熟，2019年起中国纳米材料产业市场规模增速有所提升，前瞻根据纳米材料产业市场发展情况估计2020年中国纳米材料产业市场规模达到1068.4亿元，同比增速达16.2%。

五、细分市场研究

1）细分市场一：碳纳米管：主要应用于锂电池领域

——性能与应用：导电性能优越

碳纳米管(CNT)是目前中国已实现工业化量产应用的主要纳米材料材料之一，作为一种新型的碳结构材料，其微观外形呈同轴圆管状，管壁为数层呈正六边形结构的碳原子。径向尺寸(沿管)为微米量级，轴向尺寸(横截面)为纳米级，因此被称为碳纳米管。

高能量密度趋势下，碳纳米管凭借更优的性能，渗透率在逐年提升。相较于炭黑，碳纳米管具有更好的导电性能，同样导电效果下用量仅为炭黑的1/6-1/2。尤其在高镍三元正极材料和硅基负极材料导电性能相对较差的情况下，对碳纳米管的需求在日益上升。此外，碳纳米管可以使锂电池循环过程中保持良好的电子和离子传导，在改善能量密度的同时大幅提升锂电池的循环寿命。故碳纳米管作为新型导电剂逐步应用于锂电池领域，用以提升锂电池导电性能、循环寿命和能量密度。

碳纳米管结构

2）细分市场二：石墨烯：进入产业化关键期

——性能与应用：潜在应用领域广

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维碳纳米材料。

由于石墨烯具有优异的导热性能和力学性能，故其在传感器、聚合物纳米复合材料、光电功能材料、药物控制释放等领域表现出众多潜在的应用前景。

——市场规模：逐渐走向产业化关键期

目前，石墨烯产业已经到了从实验室走向产业化的关键时期，石墨烯产业已经成为了中国新材料产业乃至制造业实现弯道超车的突破口。

中国石墨烯产业正处于市场导入期，产品尚未成熟，产业利润率较低，但市场增长率较高。2018年以来，石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大。粉体方面，常州第六元素、青岛昊鑫、宁波墨西等多家企业已拥有国内领先的石墨烯粉体生产线。薄膜方面，长沙暖宇新材料科技公司年产量100万平方米的石墨烯膜生产线已开建，预计建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线。

2015年到2018年，中国石墨烯产业处于高速发展期。据中国经济信息社数据统计，2015年石墨烯市场规模仅为6亿元，2018年中国石墨烯产业规模约为111亿元，复合增长率高达117%。

在高速发展后，从2019年开始石墨烯产业进入快速平稳发展期，增速有所降低。《2020年中国石墨烯产业发展形势展望》中估算2019年中国石墨烯规模达到120亿元，考虑到疫情的影响，前瞻测算2020年石墨烯市场增速将有所下降，石墨烯市场规模达到126亿元。

二维石墨烯结构

3）细分市场三：纳米级蒙脱土：产业结构升级优化逐步完成

——性能与应用：纳米聚合物高分子材料的添加剂

纳米蒙脱土(MMT)是一种纳米级厚度的硅酸盐片层黏土，其基本结构单元系两层硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片构成的2：1型层状结构，四面体与八面体之间靠氧连接，形成厚度约1nm，长×宽为100nm×100nm的片层。此结构单元层比较松散，在外力或极性水分子的作用下，层间会产生相对运动而膨胀或剥离，水分子或其他有机分子可以进入层间，使其具有吸水膨胀性、高分散性、吸附性等。另外，层间是水合的Na+、Ca2+等可交换的无机阳离子，蒙脱土四面体中的Si常被A13+替代，八面体中的Al3+常被Mg2+、Fe3+、Fe2+、Ni2+、Li+等替代，从而使层间产生弱的负电荷。

蒙脱土因其独特的层状结构，可以解离成为纳米片晶，通过有机阳离子交换反应来调节蒙脱土片层的表面活性。MMT具有优良的力学性能、热稳定性、尺寸稳定性。此外，蒙脱土具有良好的分散性能，可以广泛应用高分子材料产业作为纳米聚合物高分子材料的添加剂，提高抗冲击、抗疲劳、尺寸稳定性及气体阻隔性能等，从而起到增强聚合物综合物理性能的作用，同时改善物料加工性能近年来，中国纳米材料产业基础设施建设规模不断扩大。

——市场规模：呈波动上升趋势

纳米级蒙脱土在橡胶中应用主要用于橡胶制品改性，主要包括气密性，定伸引力和耐磨性、防腐性、耐侯性、耐化学性等方面的改善。通过加入少量(如3%-5%)的纳米蒙脱土，可以使橡胶的强度、伸长率等性能大幅度提高，有的性能可提高数倍，可替代目前的白碳黑，甚至彻底取代传统的碳黑及其它填料，大大减少污染，是二十一世纪橡胶工业的一场革命。

4）细分市场四：纳米碳酸钙：市场需求量逐步增长

——性能与应用：新型超细固体粉末材料

纳米碳酸钙又称超微细碳酸钙，纳米碳酸钙是20世纪80年代发展起来的一种新型超细固体粉末材料，其粒度介于0.01~0.1μm之间。由于纳米碳酸钙粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应。

纳米碳酸钙是最早实现生产工业化的纳米材料之一，该市场已广泛形成，材料应用领域广泛，纳米碳酸钙应用于塑料工业，橡胶工业，作为填料与补强之用，起到降低制品的成本与增强制品品质的双重功效：应用于油墨产业、造纸业、涂料工业，作为填料使用，起到增稠防沉、提高产品性能以及降低产品的生产成本等多重功效。

——市场现状：市场需求量逐年增长

纳米碳酸钙在国外已有五十年的应用历史，广泛应用于橡胶、塑料、造纸、油墨、涂料、密封胶黏材料等产业。

2016-2019年纳米碳酸钙市场需求量稳步上升，2019年全球纳米碳酸钙市场需求量约为2645万吨。据美国市场研究公司Grand View Research发布的《纳米碳酸钙市场分析及2016-2024年前景预测报告》显示，2016-2024年全球纳米碳酸钙需求量年复合增长率为8.7%，塑料领域纳米碳酸钙用量占市场总量的20%以上，按此Grand View Research预测的趋势，2020年全球纳米碳酸钙需求量约为2883万吨。

5）细分市场五 ：纳米药物与纳米抗体

——性能与应用：新型超细药物颗粒

纳米药物是指具有纳米尺度的药物颗粒或载体与药物形成的纳米载药颗粒.与传统药物相比,纳米药物载体尺寸小且比表面积大,药物负载量增加、体内循环时间增长,从而提高疗效,并降低毒副作用.研究表明脂质体、蛋白质和碳量子点等作为载体的纳米药物的结构、功能、生物学性质都有了较大改善。纳米药物在肿瘤治疗领域中的临床应用进展和在席卷全球的新型冠状病毒肺炎疫情中的重大贡献也越来越证明了其在临床应用中的意义。

纳米抗体分子量小、结构稳定、溶解度高、易于编辑、组织穿透性强等，已经成为开发复杂纳米生物技术的理想研究工具，被应用于生物医学和生物技术领域，在监测分子、免疫成像、疾病治疗等方面有巨大的作用，在冠状病毒研究领域能够用于抑制受体和冠状病毒刺突蛋白受体结合域的相互作用，成为治疗新型冠状病毒肺炎的潜在药物，同时也作为一种检测工具，监测人体免疫情况。

纳米探针的运动轨迹

总结：

纳米技术经过近四十多年的发展，已经得到了越来越多的应用，很多关键项目及材料的研究也已进入关键时期。

纳米技术其实颠覆了我们关于物质的概念，即我们过去材料与产品的制造都是取之于自然，然后经过生产，而这个生产过程是不改变其主要的物理与化学特性的。但是现在我们发现了一个手段，就是从微观上如果加一些很细的物质，或者我把物质从微观层面上，从原子、从分子开始制造，出现了完全新奇的物质，比如我们现在常用的“魔力擦擦”，比如纳米伞......

纳米技术的世界是个全新的世界，脑洞大开的东西会越来越多......

不粘水的纳米伞

参考资料：

1、前瞻研究院—预见2022：《2022年中国纳米材料产业全景图谱》

2、百度百科相关资料

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