纳米材料是材料家族的新秀之一，于20世纪80年代中期开始发展到了今天，已经取得了举世瞩目的成果。一纳米是一米的十亿分之一，一个基本的碳纳米管只有1.4nm，因此，它又有称为“超微粒”材料以及21世纪新材料的称谓。
说起纳米材料的起源还有一个非常有趣的故事。在1980年的一天，德国科学家——格莱特在澳大利亚的沙漠中旅行，当他独自驾车横穿沙漠的时候，空旷、寂寞和孤独的环境使他的思维非常的活跃和敏锐。由于长时间从事晶体的研究，他非常的明白晶体颗粒的大小对晶体的影响程度；这时的他突发奇想：如果组成材料的晶粒的粒径小到纳米级的时候，材料将会是什么样子？于是它记住了这个想法，旅行完毕立即回国开始了他长达四年的努力与研究——也就是在1984获得了几个纳米大的超细粉末；与此同时他发现任何材料都可以制成纳米粒径大小的细微粉末，并且在性质方面发生很大的变化。例如，颜色统一的变成了黑色，熔点也显著的降低。
科学界的许多理论都说明，纳米技术将会有辉煌的发展；因此，各国也在不断的在资金或者是项目上都给予了纳米技术的高度支持。美国自1991年起把纳米技术列入“政府关键技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美元；日本从1995年开始实施为期10年的纳米技术研究计划，并将它作为必须开发的四大基础科学技术项目之一；澳大利亚于1993年已将纳米技术列为21世纪最优先开发的项目。我国对纳米技术的研究也相当重视，且在世界上进入先进行列，1993年中国科学院研究人员操纵原子成功写出“中国”两字，是世界上第二个成功进行这方面实验的国家；2000年中国科学院研究人员又首先发现了纳米材料的新特性——超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，由此可见，目前纳米技术的发展是一片光明，其不仅引起了一大批科学家的着迷，而且也引起了各国政府的高度重视。
纳米技术也在科学家的不断研究与努力之下，蓬勃的发展；纳米材料的许多卓越性能，使得其在社会的各个领域都有非常广泛的应用。例如，纳米材料的熔点极低，金属金的熔点通常为1064℃，但是当把金制成2nm的细金粉后熔点仅为330℃，这不仅使得低温下制造合金产品成为可能，而且可把在通常情况下不熔的金属冶炼成合金。有些药物制成纳米颗粒可以直接注射到血管内而顺利进入微血管，使药品疗效更好。纳米大小的催化剂分散在汽油中可提高内燃机的效率；纳米大小的铝粉加到火箭的固体燃料中，可使火箭加速。化纤中添加纳米微粒，可以除味杀菌，现在添加纳米材料的无菌餐具、无菌纱布已问世。由于这种纳米材料能有效吸收紫外光；在防晒油、化妆品中加入纳米微粒就能达到防紫外线功能。使用纳米材料的微机械的出现对对子行业、机械行业等带来革命性的变化。例如，将一种大小如跳蚤般的微型手术机械，送入人的动脉，它前端那微型手术刀能按照人的要求切除肿瘤、排除血栓等。
纳米技术更尖端的运用是人类在纳米尺度上重新认识和改造客观世界，这将会使人类建立一种崭新的思维方式，即人类将利用越来越小、越来越精确的物质和越来越精细的技术生产成品来满足人类更高层次的要求。例如，制造比现代微型计算机小几十亿倍的未来分子机器，这种机器能让原子按人的指令排列，既能造宇宙飞船，又能制灵丹妙药；纳米计算机与分子机器相结合，能够使几乎所有可被设计出来的东西都可用许多廉价的原料甚至灰尘、阳光和空气来生产；包含有纳米计算机的纳米机器人将会是一种可以进行人机对话的装置，它可以进入人体内进行人体器官的修复工作，进行基因装配工作（即从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中）。相信随着科技的进步和人类的不懈的努力这些宏伟的蓝图的构想一定能够实现。
随着纳米技术的发展，在不久的将来，人类的生活和生产方式将会发生意想不到的重大的变化，纳米技术将对人类文明的发展产生巨大影响，为人类创造美好的未来。
既然纳米技术有着如此优良的特性，那么纳米材料及其技术的应用有着更加喜人的前景。
一位著名的诺贝尔奖金的获得者曾经在20世纪60年代说过这样一句话：“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。”其实这就是纳米材料的真实写照。这种晶粒尺寸为纳米级（10-9m）的超细材料，通常情况下它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1～100nm。纳米材料包括体积分数近似相等的两个部分分别是直径为几个或几十个纳米的粒子和粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。
1984年德国萨尔兰大学以及美国阿贡试验室相继成功地制取了纯物质的纳米微粒。德国萨尔兰大学的研究者——Gleiter在高洁净真空的条件下将粒径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料的发展进入了一个崭新的发展时期。
在1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国召开，会议正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，纳米介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占有非常大的比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。
纳米相材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料一样，都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的船跟整个地球的比例。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，纳米技术也被公认为是21世纪最具有潜力的科研领域之一。
纳米材料的表面效应
由于纳米材料的基本粒子的半径非常的小，因此就有了非常大的表面体积。纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。具体体现在体积效应和量子效应两个方面：
一、纳米材料的体积效应
由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数相应的就很少。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为纳米体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子的费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：δ=4EF/3N∝V-1∞1/d3
其中，N为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；EF为费米能级。随着纳米粒子的粒径的减小，两个能级间的间隔增大，使得电子移动变难，电阻率增大；因此能量之间的间隙变小，金属由导体过渡到绝缘体。
二、纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的粒径尺寸下降到某一值时，金属粒子表面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，就是纳米材料的量子尺寸效应。
在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。
由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷的韧性是极高的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构，所以研究高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，是材料科学研究领域的热点和亮点。
纳米材料及技术应用
一、在陶瓷领域的应用
陶瓷材料作为材料科学发展的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着非常重要的作用。但是传统陶瓷材料质地较脆，韧性差、强度低等劣性特点，使陶瓷的应用领域大大的减小。随着纳米技术在社会各个领域的应用，纳米陶瓷也随之出现，由于纳米的特殊的性质，使得现在的陶瓷材料具有像金属一样的柔韧性和可加工性。
纳米陶瓷，是指在陶瓷的显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷，纳米级尺度就是晶粒尺寸。纳米陶瓷的晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都必须在纳米量级的水平上。要制备纳米陶瓷，必须解决粉体尺寸、形貌和分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制，只有这样才能制造出良好功能的纳米陶瓷。
著名的科学家Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则低温下能变为延性的，能发生100%的塑性形变；与此同时还发现纳米TiO2陶瓷材料在常温下得韧性非常优良，当温度上升到180℃，再经受弯曲，也不会产生裂纹。
综上所述，如果能使得单相纳米陶瓷在烧结过程中，能抑制晶粒长大，进而控制陶瓷晶粒尺寸（要控制在50nm以下的纳米陶瓷，）这时的纳米陶瓷具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优良的特点，是传统陶瓷所不能比拟的，所以这方面的研究还得依靠广大的科研工作者的潜心专研与研究。
有人曾经利用化学共沉淀结合高频等离子体焙解新工艺，制得了纳米ZnO及相应的添加剂陶瓷复合粉体。投射电子显微镜分析结果表明：陶瓷复合粉体的粒径均小于100nm。通过适当的杂质配比，在1100℃左右烧结，可获得致密的瓷体，压敏电压可达480V/mm左右，非线性系数能达到52。
科技发展到今天，纳米陶瓷的成绩是喜人的，其高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性等优良的性能在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等非常苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。但是还有许多关键技术需要解决。
二、在微电子学领域的应用
纳米电子学是根据纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，是纳米技术的重要组成部分，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的终极目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。
随着纳米电子学的研究不断的深入，已经研制成功各种各样的纳米器件。例如，单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器都是纳米电子学的产品。
另外在纳米界地位非常显著的碳纳米管随着科技的不断进步也渐渐的应用到我们的生活领域中来。
在介绍碳纳米管之前，非常有必要介绍一下石墨的结构构造，石墨是碳原子以sp2杂化轨道成键，因此石墨分子的每一层中的碳原子都有三个共价键，碳原子的另一个p轨道则和另一层碳原子的P轨道相互交叠形成p-pπ键。而碳纳米管是就是将石墨碳原子层蜷缩起来，并且将径向直径控制在100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。
在国外1989年就已经被IBM公司的科学家利用隧道扫描显微镜上面的探针，成功的移动了纳米氙原子，拼成了IBM三个字母。日本的Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。
美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望，实现信息采集和处理能力的革命性突破。
三、在生物工程领域的应用
