材料的结构层次由宏观向介观尺寸发展

人们对于固态物质的性质的认识，首先是从宏观现象开始，观测到物质的熔点、硬度、强度、电导、磁性、化学反应活性等；随后又深入到原子、分子的层次，用原子结构、晶体结构和化学键理论来阐明物性和结构之间的关系。近年来纳米科技的发展，人们知道：材料的性质并不是直接决定于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原子分子之间还存在着一些介观的层次，这些层次对材料的物性起着决定性的作用。

～0.1nm 1nm 100nm μm

• ←───→←───→←───→←────→←───→微观 团簇 纳米 介观 宏观

microscopic cluster nanoscopic mesoscopic macroscopic 微观体系包含有 1 至几个分子，其动力学是以皮秒（ps）和飞秒（fs）

计，是属于量子化学研究的领域；宏观体系包含着无限的原子和分子群体，其运动是以分和时计，是化学统计热力学的研究范畴。而纳米和团簇这个层次中，物质的尺寸不大不小，所包含的原子分子数不多不少， 其运动速度不快不慢。而决定物质的性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体（assembly），它所表现出来的物性和宏观的材料迥然不同，具有奇特的光、电、磁、热、力和化学等性质。例如纳米铁的抗断裂应力比普通铁高 12 倍；纳米金的熔点是 330℃（金块为 1063℃）； 纳米银的熔点是 100℃（银块为 960.8℃）；纳米 TiO2 在 200℃可以转变为高温的金红石结构；纳米 Si3N4 的强压电效应是 Pb（Ti，Zr）O3 的 4 倍。纳米科技是在纳米尺寸范围内对物质进行研究和应用，使人类认识和改造物质的手段直接延伸到原子。例如运用计算机计算、编程和控制， 在高真空扫描隧道显微镜里，操纵电子束使单晶硅表面原子激发移动， 可以刻蚀出“中国”两个世界上最小的汉字，每个字的尺寸为 0.1nm，笔划的宽度为几个硅原子，深度为 0.3nm。纳米刻蚀技术应用在微电子介质上，可以制造出高密度存储器，其记录密度是磁盘的 3 万倍。日本 NEC 公司计划在 21 世纪初实现这种存储器实用化，在一张邮票大小的衬底上

记录 400 万页报纸刊载的内容。可以说纳米材料和纳米科技的发展和应用把物质内部潜在的丰富的结构性能发掘出来，正像本世纪三四十年代核裂变材料和核科技的发展和应用，把物质中潜在的能量成百万倍地开发出来那样。