纳米科技是一门应用科学，其目的在于研究纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

纳米材料是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之一——墨。墨中的重要成分是烟。实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。大家都知道莲花出污泥而不染。实际上这是莲花表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内，所以不易吸附污泥灰尘。莲花的出污泥而不染是自然天成，这比人类的任何清洁技术还高明。这种莲花表面纳米化结构，自我清洁的物理现象，就被称作莲花效应。

纳米材料一般分为:纳米微粒、纳米薄膜(多层膜和颗粒膜)、纳米固体。纳米微粒是纳米体系的典型代表，一般为球形或类球形(与制备方法密切相关)，它属于超微粒子范围(1～1000纳米)。由于尺寸小、量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性，也有异于传统材料科学中的尺寸效应。比如，当尺寸减小到几个至几十个纳米时，原来是良导体的金属会变成绝缘体，原为典型共价键无极性的绝缘体其电阻大大下降甚至成为导体，原为P型的半导体可能变为N型。(如果在硅和锗等半导体材料中加入微量的硼、锢、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。在P型半导体中，空穴带正电叫多数载流子，电子带负电叫少数载流子。如果硅和锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N型半导体。)在一定条件下，常规固体的物理性能是稳定的，而在纳米态下其性能就受到了颗粒尺寸的强烈影响，出现幻数效应。从技术应用的角度讲，纳米颗粒的表面效应等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁记录、涂料、传热、雷达波隐形、光吸收、光电转换、气敏传感等方面有巨大的应用前景。

1987年，德国和美国同时报道制造成功二氧化钛纳米陶瓷(颗粒大小为12纳米)，这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。例如，纳米陶瓷零件即使开始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。1989年，美国商用机器公司(IBM)的科学家用20世纪80年代才发明的扫描隧道显微镜(STM)移动氙原子，用它们拼成IBM三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子”两字。1990年，首届纳米科学技术大会在美国成功举行，标志着一个把微观基础理论与当代高科技紧密结合的新型学科——纳米科学技术正式诞生了。1991年，IBM的科学家制成了速度达每秒200亿次的氙原子开关。1996年，IBM设在苏黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盘”，这种“算盘”的算珠只有纳米级大小，由著名的新型纳米材料“碳”富勒烯C60制成。

美国最早成立了纳米科技研究中心，开展了研究，IBM和德克萨斯仪器公司都是积极参与者。在加州大学伯克利分校、圣巴巴拉分校、斯坦福大学、加州理工学院等十多所著名大学、研究机构都在重点发展纳米科技研究。1988年美国能源部召集专题研讨会“团簇及团簇组装材料相关的研究战略”，表现出对这一前沿领域的高度重视。日本也早在1981年就以巨资投入纳米技术研究，制定了庞大的国家计划，从1991年起实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制订的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术。德国在1993年提出今后10年重点发展的9个关键技术领域，纳米技术就涉及其中4个领域，德国政府每年投入约5000万美元，用于基础及应用开发。英国也制订了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域选了8个项目进行研究。

我国在纳米技术领域的研究也已起步。中国科学院、中国真空学会分别召开研讨会讨论我国纳米科技的发展战略，纳米材料的研制已被国家列入攀登计划、“863”计划、攻关计划。我国已有了自己的纳米技术产品，建立了十多条纳米材料和技术的生产线。

随着纳米科技的发展，通过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材料。由于纳米材料的表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使得纳米材料在许多领域呈现出常规材料所不具备的特性。“纳米材料”“纳米技术”不再是科学家或实验室的专有词汇，它已经悄然进入寻常百姓生活，渗透到衣、食、住、行等领域。

纳米磁性材料的应用。由于尺寸小、具有单磁畴结构、矫顽力(使磁化至技术饱和的永磁体的磁感应强度降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力)很高等特性，磁性超微粒已被用做高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。用这样的材料制作的磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。此外，磁性纳米材料还可用做光快门、火光调节器、病毒检测仪等仪器仪表，复印机墨粉材料以及磁墨水和磁印刷材料等。

现代社会传感器的应用已经非常普遍，传感器是超微粒的最有前途的应用领域之一。例如，用纳米二氧化锡膜制成的传感器，可用于可燃性气体泄露报警器和湿度报警器。用金超微粒沉积在基板上形成的膜可用做红外线传感器，金超微粒膜的特点是从可见至红外整个范围的光吸收率都很高。大量红外线被金属膜吸收后转变成热，由膜和冷接点之间的温差可测出温差电动势，因此可制成辐射热测量器。

纳米材料将用于微电子器件，使未来的电脑、卫星、机器人等的体积变得越来越小。例如，北京大学用单壁碳纳米管做成了世界上最细、性能最好的扫描探针，获得了精美的热解石墨的原子形貌像;利用单壁短管作为场电子显微镜(PEM)的电子发射源，拍摄到过去认为不可能获得的原子像。复旦大学已经研制出50种纳米的新材料，居国际领先地位。这些材料将用于制造电子器件中的极板、存储器和导线。电子通讯方面，纳米技术将使电子元件体积更小、速度更快、能耗更低，可以制造出存储密度和运算速度比现在大3～6个数量级的全频道通讯工程和计算机用器件。1999年，美国乔治亚理工学院电子显微镜实验室主任王中林教授与其他科学家发明了电子秤，电子秤的发明打开了纳米科学与技术的新研究领域。对生物学和医学研究来说，它可以测量单个病毒或生物大分子的质量，从而提供一种用质量来判别病毒种类的新方法，开辟了在生物学和医学上有应用前景的纳米测量技术的新天地。

纳米微粒具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，使得用纳米材料制备的光学材料在日常生活和高技术领域得到广泛的应用，在现代通讯和光传输方面占有极其重要的地位。用纳米微粒做光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗。纳米微粒在红外反射材料上的应用主要是制成薄膜和多层膜，用纳米微粒制成的红外膜有透明导电膜、多层干涉膜。例如，用纳米二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成的多层干涉膜，总厚度为微米级，涂在灯泡罩的内壁，不但透光率好，而且有很强的红外反射能力。

纳米科学在医学中的应用也已经很广泛，从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1～100纳米的尺度范围，因而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其他的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就像一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有:利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类。一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其他纳米技术或微制造。

将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。

有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。纳米技术的发展对人类的生活产生了巨大影响，但我们应该清醒地认识到，纳米时代的到来还需要许多科学家的长期不懈努力。