发现
碳纳米管结构示意图
碳纳米管触摸屏
小到纳米尺度，物质就会呈现出很多奇特的性质。
撰文/任红轩
"纳米"，其实和"厘米"或"毫米"一样是个长度单位。1纳米相当于10个氢原子排成一排的长度。1纳米的109倍就是1米。如果把一颗玻璃弹球放大109倍，其大小就与地球相当。
"纳米技术"研究的是1～100纳米范围内物质的性质。当然也有例外，例如石墨烯的厚度大约是0.7纳米，它也是纳米科技研究的对象。
在纳米尺度下将物质重新排列组合，会使它们的物理和化学性质产生一些奇特的变化。例如，色彩灰暗的物体会变得五彩斑斓，优良的导体会变成绝缘体，轻如蝉翼的薄片会坚韧似钢，普通的材料会发电、发光。物质在纳米尺度存在着很多奇妙的性质，这对我们宏观尺度的生产和生活具有重要的应用价值。
常规尺度的金具有金黄色的外表，但到了纳米尺度下，金会随着形状和尺寸变化，呈现出赤橙黄绿青兰紫等与常规尺度的金迥异的颜色。为什么物质变为小颗粒时就具有了一些新的神奇的性质？这是因为纳米尺度下，物质拥有了表面效应、量子限域效应和宏观量子隧穿效应。
纳米尺度范围
表面效应
比表面积是指单位质量物质所具有的总表面积。例如，有相同质量的同类物质a和物质b，物质a由6个小颗粒组成，每个小颗粒又包含4个小球，每个小颗粒的大部分表面都裸露在外面；而物质b是一个由24个小球组成的大颗粒，大部分小球的表面都被包在大颗粒的内部，只有很少可以裸露出来。也就是说，对同一种物质来说，物质的比表面积取决于颗粒的大小。如果颗粒非常小，其比表面积就很大。举个例子来说，1克粒径为5纳米的氧化铝粉末，其中所有颗粒的表面积之和约相当于一个篮球场大小。
随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，也就是位于颗粒表面的原子数会相对增多。这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，致使颗粒表现出与大块物质不一样的特性，这就是表面效应。由于表面原子周围缺少相邻的原子，造成许多不饱和性悬空键的存在，它们很容易与其他原子相结合（即发生化学反应）而稳定下来，因此表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。
量子限域效应
量子限域效应，就是由于颗粒尺寸小而产生的效应，也叫小尺寸效应。当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致材料在声、光、电、磁、热、力学等物理性质上呈现新的特性。
对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级。大块材料中的电子与单个颗粒中的电子是类似的，但是电子要想在两个颗粒之间移动，就需要获得更大的能量，电子要在纳米颗粒与纳米颗粒之间移动变得困难；能级间的间距（称为"带隙"）随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能变得比平均的能级间距更小时，材料就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性。
光学效应
量子限域效应会产生特殊的光学效果。例如，在紫外光照射下，不同粒径量子点可以激发出不同颜色的光。在医疗领域，量子点的这种特殊性质被用作生物探针。在量子点上修饰肿瘤细胞的抗原后，通过小鼠尾静脉将量子点打入荷瘤小鼠的体内，量子点由于抗原和抗体的相互作用在肿瘤部位富集，通过特定波长的激发，在肿瘤部位可以指示肿瘤的存在。
热效应
在纳米尺度，金属材料的熔点也与宏观尺度下不同，会随着尺寸的减小而降低。大于150纳米的银颗粒，熔点是962℃。但是，把银颗粒的尺寸加工到5纳米的时候，用沸腾的热水就可以使其熔化。这一效应用在冶金方面，可以大幅度降低能耗。
磁效应
20纳米以下的四氧化三铁所显示的是超顺磁性。当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候，由于热运动影响，这些纳米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场，则通常它们不会表现出磁性。但是，假设施加外磁场，则它们会被磁化，就像顺磁性一样，而且磁化率大于顺磁体的磁化率。超顺磁性，通俗地说，就是被置入外界磁场中的时候，感应生出磁性；当把外界磁场撤离时，磁性就消失。
20纳米以下的四氧化三铁会显示出超顺磁性
宏观量子隧穿效应
宏观量子隧穿效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。就好像崂山道士的穿墙术，本来不可能穿越的屏障，可以通过特殊的方式穿越。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也显示出隧穿效应。这就是宏观量子隧穿效应。
碳纳米管
1991年，日本NEC公司的电子显微镜专家饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是碳纳米管。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸一般为微米量级，最长的到米级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成单层、双层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持约0.34纳米的距离，直径一般为2～20纳米。碳纳米管的主体是由正六边形的碳环构成，碳纳米管可认为是由石墨烯片卷曲封闭形成的一维管状材料，因曲率导致原本对称分配的π电子云发生畸变，由管内向管外偏移，在管内外形成电势差。
碳纳米管作为一维纳米材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。
在现实生活中，我们也用上了碳纳米管产品。近几年来，科学家在这方面取得了突破，利用超顺排技术，可以在硅衬底表面生长出阵列性碳纳米管，并且可以抽出碳纳米管薄膜和线。这种薄膜可以用作显示屏，已经在手机触摸屏上获得了应用，进入产业化。另外，这种薄膜还可以制成扬声器，具有比现在的高档音响更好的声音效果。
由于碳纳米管独特的结构和性质，使其具备作为催化剂载体的优异条件。例如，碳管内的疏水环境有利于非极性苯分子富集，而反应生成的极性分子苯酚则倾向于从管内扩散出去。特别是在有催化剂的条件下，这一反应更易发生，可以用于从苯高效制备苯酚。
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