第四节 纳米金属材料

一、研制贵金属纳米材料的新进展

1．开发金纳米材料的新成果

（1）研制具有不同密度黄金纳米粒子。

2004年9月，有关媒体报道，美国北卡罗来纳州立大学化学工程学教授简·根策领导，材料学博士布汗特，以及美国商务部国家标准暨技术研究所物理学家丹尼尔·菲舍尔等参加的一个研究小组，使用分子模板在覆盖一层有机硅烷的硅石上，已首次研制出具有梯度的黄金纳米粒子材料。

该材料在美国能源部所属布鲁克海文国家实验室，全国同步加速器光源进行测试时，提供了约比人类发丝直径小千倍的纳米粒子，并获得它能沿着表面形成密度，以梯度递减的首要证据。

布汗特宣称，这种材料，具有多样用途，可望应用于电子学、化学及生命科学等一系列领域。

根策阐述道，为制造这种材料，研究小组首先在长方形的硅石表面，调制一层极薄的有机硅烷。此后，这种分子头状部分，黏合于表面而尾状部分伸出，产生了如同等待黄金纳米粒子附着其上的钓钩作用。这些由靠近表面一端的供应源，以蒸汽形态垂直射出的分子，随着离供应源距离的增加而以递减的密度，缓慢沉降于表面上，因而产生了充当分子模板的梯度。紧接着的步骤，是指导这种材料浸泡于黄金纳米粒子溶液中。而黄金纳米粒子的每一粒子，都涂有一层具负电荷化学物质。在此溶液中，有机硅烷分子的尾状部分带有正电荷，因而具负电荷的黄金粒子，就会附着于具相反电荷的尾状部分上。为了将黄金粒子的梯度可视化，布汗特及其同事使用了原子力显微镜。该显微镜中的细微探针沿着表面移动，随表面的隆起处与凹槽来揭露其构造特征。为检视有机硅烷分子的梯度，研究小组使用一项称为近缘X-射线的技术吸收细微结构物。在将被X射线吸收的细微结构物中，极强的X-射线光源射向该材料，之后由该材料所发出而被高灵敏度探测器收集的电子，提供了有关有机硅烷分子在表面上的浓度资料。

布汗特表示，有必要证实黄金粒子与这些具黏性的基底层，两者皆依循相同基底的梯度模板。倘若这些粒子附着于具黏性分子的基底层，出自这两种技术的结果预期是一致的，而其结果恰好显示了上述的预期。

菲舍尔表示，由不同数量组成的纳米粒子簇能被置于单一表面上，且于化学反应中，科学家们能仅测试此表面一次，而无须个别重复每一簇的测试。这种材料，也能被用作侦测对纳米粒子具特定亲和力的物种传感器，或作为选择特定尺寸的粒子筛选装置。

目前，该研究小组正就具不同黏性的物质与纳米粒子之类似材料的属性进行探索。布汗特认为，这种研究极为新颖，乃至于适合此种材料的潜在应用仍有待探索。

（2）用黄金纳米粒子制成使静止物体隐形的“隐身衣”。

2006年2月，俄罗斯乌里扬诺夫斯克州立大学，量子和光电子学系知名教授奥莱格·加多姆斯基领导的一个研究小组，在《真理报》上发布消息说，他们已经发明出，一种用黄金纳米粒子材料制成的特殊“隐身衣”。

据悉，在过去许多年中，加多姆斯基教授一直在进行黄金纳米粒子的实验研究。通过多年探索，他发现，一个物体只要覆盖上一种由黄金胶体粒子制造的“特殊外衣”，就可以从肉眼前消失，也就是达到了隐形的效果。

加多姆斯基教授发明的“隐身衣”材料，利用了光的特性和物体的光反射原理。他说：“现在，我们只能使静止的物体隐形，因为物体移动时，光的辐射频率会发生改变，所以我们目前无法使移动的物体保持隐形。然而，我相信科学家不久就会制造出类似哈利·波特魔法斗篷之类的移动隐身衣。”事实上，加多姆斯基教授，不是第一个在“人造隐形”材料领域取得成功的科学家。2005年3月，美国宾夕法尼亚大学的阿鲁和英奎特两位专家，曾宣布他们发明了使物体“隐形”的理论方法。研究使用的是等离子体激光。

俄罗斯研究人员的发明与美国研究人员的设计，有异曲同工之妙，都是基于锐减散射光的概念。人类能看到物体是因为光射到物体上后，物体又反射了光。只要中断这个过程，人就看不到物体。

（3）合成纳米结构金原子“空心笼子”。

2006年5月，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）首席科学家、华盛顿州立大学物理教授汪赖生领导的研究小组，成功的合成出类似碳六十纳米结构的“空心笼子”。碳六十是由六十个碳原子组成的球状纳米结构，而金原子只需要16、17或18个原子就可以组成三角联结的三维立体“笼子”，中间宽度为六埃的空心部分，可以用来束缚其他原子。汪赖生说：“这是实验上首次证明，存在空心的金属‘笼子’。”他的实验，是在内布拉斯加大学的曾晓程教授的理论计算的基础上进行的。

过去的十年中，汪赖生和理查德·斯马利实验室的研究人员一直在尝试，寻找金属中类似碳六十的纳米结构。但是因为金属团簇更容易挤压或抹平，所以这个实验非常困难。以前，在太平洋西北国家实验室威得，在环境分子科学实验室进行的实验，得出过比金三十二小的团簇的光电谱，但是汪赖生的实验证明那些只是紧密挤压的金原子。

汪赖生把注意力转移到小于20个金原子的团簇，光谱和理论计算发现，小于15个金原子团簇是平坦的。所以，可能形成“空心笼子”结构，只可能是16、17或18个金原子，而19个金原子的团簇，就又堆积成类似金字塔的结构了。汪赖生：“金十六是能够看到的最小的金原子‘笼子’。把金二十的四个角上的原子拿掉，再把剩下的原子间的距离，拉开一些就得到了金十六。”

金原子“笼子”，可以在室温下稳定存在，它可以自由存在，即不与其他物体接触。但是一旦它接触到其他表面，结构就可能改变。汪赖生和同事们认为，金原子“笼子”，可以用来束缚其他原子，这个过程称为掺杂。掺杂后的“笼子”可以在其它表面稳定存在。所以这种方法，可以在小于纳米的尺度上掺杂，从而影响材料的物理或化学性质。

（4）用金或铂研制软硬可随机转换的纳米金属材料。

2011年6月，德国汉堡大学材料物理与技术学院教授约格·维缪勒主持，赫尔姆霍茨联合会盖斯特赫斯勒中心和中国沈阳金属研究院研究人员参与的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们开发出一种神奇的纳米材料，只需按一下按钮，几秒钟内就能改变自身的强度，从坚硬易碎到柔软而有韧性，整个质变过程由电信号来控制。

煮蛋的软硬可以由加热时间来决定，但某些事情一旦确定就不可改变，比如煮硬的蛋无法变软。在制造金属与合金的时候也要面临相似的问题，材料的属性一经设定，整个生产中就无法改变。因此工程师在设计机械属性时，常常面临着鱼和熊掌不可兼得的困境，硬度越大，脆性也就越大，抗损伤的能力也就越差。在开发过程中，研究人员把贵金属材料如金或铂，放入酸溶液中腐蚀，材料里就形成了微小的管道和孔洞；然后把一种纳米结构材料灌注到整个孔道框架中，同时也让每个微孔都充灌满了可导电的液体，如盐溶液或弱酸溶液，成为一种金属和液体杂交的材料。

研究人员把这种新奇材料称为金属水联体，它可以通过电信号激发，按一下按钮就可改变材料属性。有外加电流时，金属表面原子键会加强，硬度增加；切断电流则原子键减弱，材料也能变得更软，抵抗损伤的能力更强，延展性也更好。

维缪勒说，该材料目前还处于基础研究阶段，但这是一个巨大进步和转折点，其具有广阔的应用前景，未来有望开发出，能自动把一些裂痕瑕疵修复平整的高性能智能材料。

（5）实现对金纳米粒子大小的有效控制。

2012年6月，美国北卡罗来纳大学，材料科学与工程系助理教授约瑟夫·特蕾西领导的一个研究小组，在美国化学学会《纳米》网络版上发表论文称，他们发现通常被用于合成金纳米粒子配体的“蓬松性”，实际上决定着合成纳米粒子的大小，即蓬松性大，纳米粒子小；蓬松性小，纳米粒子变大。

金纳米被广泛应用于工业化学处理、医学和电子学中。在合成金纳米粒子的时候，研究人员通常使用一种被称为“配体”的有机分子，来促进这一过程的发生。因为配体，可以有效地把金原子集中到一起，使之产生纳米粒子。在此过程中，配体一个接一个地排列成一行，并从各个方向把金纳米粒子包围在中间。

研究小组为了确定配体的“蓬松性”是否影响所生成的金纳米粒子的大小，专门选择三种类型的硫醇配体进行观测。硫醇配体是一种被广泛应用于合成金纳米粒子的配体。首先，他们把这些配体绑定到金纳米粒子周围，然后把每种配体形成的金纳米粒子结构，绘制成图片。从图片中可以看到，金原子被配体环抱在中间，排列整齐的配体向其周边散开。由于这三种配体具有大小不同的蓬松性，因此，图片显示，蓬松性较大的配体，其核心的金纳米粒子被压得较小；蓬松性较小的配体，核心金纳米粒子较大；而没有什么蓬松性的配体所环绕的金纳米粒子最大。

特蕾西说：“这项研究增强了我们对纳米粒子形成的认识，并使我们得到一个控制金纳米粒子大小和特性的工具。”研究人员认为，该发现，找到了一种控制合成金纳米粒子大小的有效工具。这种工具，对控制其他纳米粒子的大小，也不失为一种有效的办法，为今后合成更小的纳米粒子开辟了新途径。

（6）构建出迄今最薄的金纳米吸光材料。

2013年7月，美国斯坦福大学，博士后研究员卡尔·赫格牵头，化学工程学教授斯泰西·本特等人参与的一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果称，他们制造出迄今最薄的有效可见光吸光材料。据悉，这种纳米结构材料的厚度，仅为普通纸的千分之一，它有望降低太阳能电池的成本，并提高其光电转化效率。

本特说：“太阳能电池越薄，需要的材料越少，成本也就越低。我们目前面临的挑战是，在减少太阳能电池厚度的同时，不损失其吸收太阳光并将之转化为清洁能源的能力。新研制的材料，做到了这一点。它是非常纤薄的一层材料，却几乎可把特定波长的入射光，全部吸收掉。”

理想的太阳能电池应该能把可见光光谱上的所有光收纳其中。这包括从波长400纳米的紫色光波，到波长700纳米的红色光波，以及不可见的红外线和紫外线。在最新研究中，研究人员制造出一些纤薄的圆片，其上布满5200亿个约14纳米高、17纳米宽的圆形金纳米点。

研究小组使用原子层沉积过程，在圆盘上添加一层薄膜涂层，利用这一技术他们能整齐划一地包裹粒子，并将薄膜厚度控制到原子级。由此，可以仅仅通过改变纳米点周围涂层的厚度来调谐系统，这也是最新研究的一个亮点。

随后，研究小组让这些经过调谐的金纳米点，吸收波长为600纳米的橘红色光。赫格解释道：“金属粒子有一个共振频率，可对其调谐让其吸收特定波长的光，我们对新系统的光学属性，进行了调谐以便让其吸光率达到最大。”

最终，得到的结果创造了新纪录。赫格说：“这种有涂层的圆盘，对橘红色光的吸收率高达99%；金纳米点本身对光的吸收率也高达93%。每个点的体积，约等于1.6纳米厚的一层金的体积，这就使它成为迄今最纤薄的可见光吸收材料，其厚度仅为目前商用薄膜太阳能电池吸光器的千分之一。”

另外，他们也在考虑，用其他比金便宜的金属制造纳米点阵列。赫格表示：“选择金，是因为它在实验中的化学性能更加稳定。尽管金的成本实际上可以忽略，但银也不失为一个好选择，因为银更便宜，而且光学表现也更好。”

（7）研制出“超高拉伸”透明的黄金纳米筛材料。

2014年1月，美国休斯敦大学物理学家、德州超导中心主要负责人任志峰参与，休斯敦大学和哈佛大学共同组成的一个研究小组，在《自然》杂志网络版上发表研究成果称，他们研制成一种新型的黄金纳米筛材料，具有“超高拉伸”且透明的电导体特性，将有可能促使完全折叠式的手机，或折叠后夹在臂弯下便于携带的平板电视，更进一步付诸实现。

有关专家说，该研究小组是第一个创建出这种同时拥有透明性、可拉伸和导电性的材料，并首次使用晶界光刻技术制造出这种材料。更重要的是，这是首次提供一个明确的机制，生产具有“超高拉伸”特性的材料。

任志峰说，这种黄金纳米筛材料，能够提供良好的导电性、透明性及灵活性。此外，该材料还可潜在应用于生物医学设备上。

该黄金纳米筛材料，由新颖的晶界光刻技术生产，涉及双层剥离金属化工艺，其中包括氧化铟遮罩层和氧化硅牺牲层，并提供良好网状结构的尺寸控制。即使在160%的张力或1000次周期50%的张力之后，这种材料仅轻微增加些电阻。

研究人员表示，该材料在可折叠电子产品领域非常有用，特别是便于运输。韩国厂商三星电子公司，2013年11月，曾展示一款可弯曲的手机屏幕；LG电子公司，现在亚洲已推出一款可弯曲的手机。但这些，都不是真正意义上的可折叠或可拉伸，而是略微弯曲以更好地面对用户的脸。对于这种可折叠的手机设备，我们需要的是灵活而透明的材料，所以需要进一步开发相关技术。而黄金纳米筛，优于其他材料的测试，它即使被拉长到折损，当其返回到原来的尺寸时，电导率还会恢复。

2．开发银纳米材料的新进展

（1）用纳米银研制出纳米导电墨水。

2006年7月，有关媒体报道，位于韩国大田市的ABC纳米技术公司开发成功一种纳米导电墨水，可应用于正在高速发展的无线智能识别（RFID）电子标签、印刷电路板（PCB）、柔性印刷电路板（FPCB），也可用于印刷电磁波屏蔽材料。

ABC纳米技术公司采用纳米银作为导电墨水的主体。成品导电墨水是一种胶体，固体物质的含量低于30%，金属银以直径小于25纳米的微型颗粒均匀散布于胶体，使该墨水具有理想的电阻率。该公司还展示了使用这种墨水印刷电路板的设备。传统的印刷电路板加工过程，要经历6道工序，在这一分离的过程中至少有90%的铜原材料要被丢弃。而使用导电墨水，可以杜绝材料浪费，并将工序减少为两个，省去基板残留物的水洗工序。这样可以提高经济效益，大幅降低制造成本，减少制造过程中的环境污染。

早期的导电墨水雏形，形成于20世纪90年代，主要是为了解决电子产品特别是无线智能识别的成本问题。实验证明，在无线智能识别芯片使用的频率上，导电墨水不仅可以印刷电路板，用导电墨水印刷的天线也具有与传统铜线圈同样的性能。使用导电墨水不仅可以印制无线智能识别的电路，还可以同时印刷天线，比传统的压箔或蚀刻等印刷电路制作工艺更快捷，也更便宜。

（2）发现外形似水滴内部为晶体的银纳米粒子。

2014年10月，美国麻省理工学院李巨教授领导的国际研究小组，在《自然·材料》杂志上发表论文称，他们发现金属纳米粒子的一种新现象：这些粒子外表似水滴一般，任意变换形状，同时其内部却保持着完美稳定的晶体形态。

研究人员认为，这项研究，可能对纳米组件设计有重要意义，例如分子电子电路的金属触点。他们同时表示，该发现也有助于解释，许多在其他小粒子研究中出现的一系列异常现象。

试验在室温下进行，所用纯银粒子宽度不足人类头发的千分之一。但李巨同时表示，还应在许多不同种金属上进行类似实验，因为金属银的熔点高达962℃，在这种情况下，观测到任何类似液体的现象都显得“意外”。他同时说，在早年对金属锡的试验中，这种新现象就有了蛛丝马迹，而锡的熔点低得多。

据报道，研究人员用透射电子显微镜和原子模型，进行细节成像后发现，尽管金属纳米粒子的外表看上去似液体般移动，实际上，只有最外层的部分是时刻在移动的，这一部分仅有一到两个原子的厚度。这些原子外层在粒子表面移动，并在其他地方再次沉淀，于是给人留下了大幅移动的印象，但实际上，在每一个粒子内部，原子都整齐地线性排列，就像墙中砖一样。李巨说：“粒子内部是晶状的，所以只有最外面一到两个单层才可移动。”

相反，如果水滴要融化到流动状态，所有的晶体结构都要被完全打破，就像一堵墙坍塌成一堆砖。严格说来，这些粒子的形变都是拟弹性的，即在压力解除之后，材料会恢复之前的形状，就像是一个被挤压的橡皮球。这种性质与可塑性不同，比如说，一堆黏土就可以塑造成任何形状。这一新发现承载了许多期待。从已知经验来看，大多数材料的机械强度，随着尺寸的减少而增高。李巨说：“总体而言，体量越小，强度越高。但是在非常小的量级上，材料组件将更加脆弱。”从“越小越强”到“小则更弱”，这是一个陡然剧变。李巨说，这一变化在室温下10纳米量级时可发生。目前微芯片制造商都在努力向这一量级进发，以缩小电路。若人们跨越了这一门槛，纳米组件的强度就会“陡降”。

3．研制铂纳米材料的新成果

开发出高性能的铂纳米粒子。2009年6月24日，日本物质材料研究机构，与日本科学技术振兴机构一起发布消息称，这两个机构联合组成的研究小组，开发出一种制造铂纳米粒子的新方法，能极大提高用作汽车排烟净化触媒的铂等稀有金属的利用效率。

据介绍，这种制造方法，是在由铂、界面活性剂与溶媒组成的水溶液中添加还原剂，在投入还原剂后约10分钟，就可以快速产生铂纳米粒子，而且铂的粒子化率可达100%。产生的铂粒子形状有点像有若干小角的糖粒，每克的比表面积达到55平方米。这个数字，比迄今为止制造的，每克铂粒子的最大比表面积，还要大将近两倍。这种铂纳米粒子的优点，除了比表面积最大，还具有很高的热稳定性，而且调整投入还原剂的量，还可以改变自身尺寸，从而根据用途制造出各种规格的粒子。此外，这种铂粒子，很容易与钌、镍、钴、钯等金属组合成合金，并根据需要制成各种合金纳米材料。由于人们一直担心，铂等稀有金属有一天会被用光。因此，最大限度地提高其目前使用效率，就成为很多科学家研究的课题。此次，日本研究小组开发出的新方法，通过增大用作触媒的稀有金属粒子比表面积，来提高其使用效率，可以说为人类开辟了一条最大限度利用有限金属资源的新路。

二、开发重有色金属纳米材料的新成果

1．开发铜纳米材料的新进展

研制出可显著降低电子设备成本的铜纳米线薄膜。2011年9月，美国杜克大学化学家本杰明·威利领导，他的学生亚伦·莱斯梅尔等人组成的研究小组，在《先进材料》网络版上发表研究报告称，他们科学家研制出一种新型纳米结构，它具有降低手机、电子阅读器和iPad等显示器制造成本的潜力，亦能帮助科学家构建可折叠的电子产品，并提升太阳能电池的性能，目前已进入商业制造阶段。

研究小组开发出的这种新技术，可在水中“管理”铜原子，并形成长而薄但不聚集凝结分布的纳米线。这种纳米线随后可转变成透明的导电薄膜，覆盖于玻璃或塑料之上。这项新的研究表明，铜纳米线薄膜，与目前用于电子设备和太阳能电池上的薄膜具有相同的特性，但制造成本却可显著降低。

目前，连接电子屏幕像素的薄膜是由铟锡氧化物制成的，其透明程度很高，对于信息也具有良好的传导性。但铟锡氧化物薄膜必须通过蒸汽沉积，这个过程十分缓慢，而且含有铟锡氧化物的设备很容易裂开。此外，铟也是一种昂贵的稀土元素，每千克的价格高达800美元左右。威利说：“这些问题，都促使全球的科学家尽力寻找更加经济的材料，如同油墨一般，能更快速地镀在或印刷在所需的材料表面，形成低成本的透明导电薄膜。”。

铟锡氧化物薄膜的替代方法之一，是使用含银纳米线的油墨。今年，第一款屏幕由银纳米线制成的手机将会面市。但银与铟类似，仍然十分昂贵。相比之下，铜的含量十分丰富，可比铟或者银充足1000余倍。2010年，威利研究小组已经表示，有可能研制出能够覆盖在玻璃上的铜纳米线层，从而形成透明的导电薄膜。但由于铜纳米线经常聚集在一起，当时制成的薄膜性能还未达到实际应用的标准，而此次采用的新方法则解决了这一难题。

研究小组制成的铜纳米线还在弯折次数上有了较大突破，在来回弯曲1000次以后，其仍能保持传导性和形状。与此相比，铟锡氧化物薄膜的传导性和结构在几次弯折后就会损坏。

目前，威利参与创建的“纳米熔炉”公司，已开始制造可商业应用的铜纳米线，订单状况十分火爆。他表示，柔性铜纳米线低成本、高效能的特性，使其成了下一代显示器和太阳能电池的自然选择。随着此项技术的不断发展，未来的显示器将更加轻薄、可靠，太阳能也将比化石燃料等更具竞争力。

2．研制锌纳米材料的新成果

开发出超疏水防雾的锌纳米结构材料。2014年6月，澳大利亚伍伦贡大学，超导和电子材料研究所的一个研究小组，在国际纳米材料领域知名期刊《微尺度》上发表研究成果称，他们基于常见绿蝇眼睛的表面结构，使用锌纳米粒子，成功地研制出，在显微镜下可观察的超疏水防雾纳米结构材料。

据有关报道，研究人员使用高功率的显微镜，检查蝇眼的表面结构，发现其上覆盖着非常微小的六边形单元，每个单元整齐地紧挨在一起，直径仅有20微米。经仔细观察发现，每个六角形单元本身又包括更小（100纳米）的六边形单元，它们不像主单元略有突出，产生泡沫状的外观。把苍蝇放在潮湿的环境中，若液滴凝结其身上，它的眼睛仍保持清澈。

研究人员对这个发现非常好奇，试图将其复制。于是，用锌纳米粒子，通过两步自组装的方法，真实地再现出所观察到绿蝇所具有的特征。一经实现，以检测绿蝇同样的方式，测试这种微小的片材，最后研究报告显示，其同样具有超疏水性。这种具有抗水泡沫形成的材料及相应的产品，有望充当电子元件的“外衣”，以防止它们受潮而腐蚀，或用于飞机机翼喷雾剂防止结冰，还可作为汽车和卡车挡风玻璃及建筑窗户的透明涂料。

另一个优点是，由于这种材料表面无法形成水泡沫，液体在其上会滑动，故该材料可以自我清洁。以前的研究形成的材料只能半有效，例如仿造蚊子的眼睛已被证明难以批量生产。

该研究小组下一步将创建可应用于不同表面的材料，然后测试它们是如何变化的，以确保其不会造成损害，并且在现实世界的应用中具有真正的超疏水性。

三、研制纳米金属材料的其他新成果

1．开发纳米金属容器或笼子的新进展

（1）用含铁聚合物制成智能纳米金属容器。

2006年9月，荷兰纳米技术研究所尤利乌斯·范索教授领导，纳米专家马宇杰，以及马克·亨佩尼亚斯博士等参与一个研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们研制出一种智能型的纳米尺度容器，这种容器可以将一个或多个分子锁定在内，然后将容器移动到需要的位置，再释放这些分子。

研究人员表示，通过这种容器，他们还可以把某些分子锁定在内，然后引入其他分子，使得它们发生化学反应。这种由含铁的聚合物材料制成的“智能盒子”，能够通过化学方法控制分子的进出。

范索研究小组不仅成功地制造出这些纳米容器，而且预见到这一技术在医药，食品制造，甚至超快速纳米化学反应等领域的光明应用前景。

在这一研究中，最大的突破莫过于把含铁的聚合物链作为制造纳米容器的材料。正是由于铁元素的应用，使得可以通过氧化还原反应来改变材料的渗透特性。马宇杰和亨佩尼亚斯，已经成功利用上述原理，制成可通过化学方法打开和关闭的容器。由氧化剂或还原剂充当进出容器通道的“门卫”，譬如氧化剂可以是三氯化铁，还原剂甚至可以是维生素C。

这种能让某些分子通过的选择性通道，同时也是构成容器的层状结构的作用结果。聚合物链，通过静电力一层一层的排列起来，构成容器的壁。通过氧化还原反应改变静电力，就能马上改变容器的渗透性。

由于大多数水中发生的生物化学反应中，都包含氧化还原过程，所以，这样的纳米容器，可以广泛应用在生物和生化领域。研究人员希望可以在一些“绿色”行业如食品添加剂，制药和化妆品中，发挥这一技术的作用。基础研究方面，纳米容器则可以在同一时间研究大量酶反应，得到丰富的结果。

（2）发明具有极强热电性能的纳米金属笼形包合物。

2013年9月22日，物理学家组织网报道，奥地利维也纳技术大学维教授西尔克·布勒帕邢领导的一个研究小组，通过把铈原子捕获在笼形包合物中，创建出一种具有极强热电性能的新材料，可用于把废热转化为电能。

笼形包合物是指拥有很多微小的笼状结构，并能把单个原子“关”在其中的晶体，这些原子能够显著改变晶体的材料特性。

当工业机器在运转过程中变热时，会散失大量热能，造成周围环境温度不必要的上升。而这些浪费掉的热能，是可以通过热电材料加以部分利用的：热电材料把热的物体与冷的物体桥接在一起，就能产生电流。

奥地利研究小组采用了一种复杂的晶体生长方法，借助一个镜子结晶炉，将单个铈原子“关”进了由钡、硅和金制成的“笼子”中，获得了一种新型的笼形包合物。他们发现，被困的铈原子不停地撞击“笼子”，而这似乎赋予了新材料优良的热电性能。研究小组利用这种笼形包合物，把热的物体与冷的物体相连接，对其热电性能进行了测试。布勒帕邢解释说：“材料中电子的热运动取决于温度。温度高的一侧的热运动，比温度低的一侧要多，所以电子会向低温区域扩散，由此在热电材料的两边产生电压。”

实验结果表明，铈原子把材料的热电势增加了50%，这意味着可以获得更高的电压。此外，这种笼形包合物的热导率很低，这也是一个很重要的特性，因为一旦温差不存在，电压也就无法保持。

布勒帕邢认为，新材料显示出的良好热电特性，似乎与所谓的康多效应有关。康多效应是指电子被束缚在半导体材料的磁性杂质周围时，被迫改变其自旋的现象。铈原子中电子，与晶体中的原子，存在量子力学相关性。事实上，康多效应已知产生于接近绝对零度的低温物理学，但令人惊讶的是，在这种新型笼形包合物中，量子力学相关性也发挥了重要作用，而温度甚至高达几百摄氏度。布勒帕邢说，这是他们观察到的世界上温度最高的康多效应。

目前，研究小组准备尝试利用不同种类的笼形包合物，来达到同样的效果。他们希望用铜等其他金属来取代昂贵的金，以使材料更具商业潜力。而铈也可以用一种由多个稀土类元素构成的更便宜的混合物替代。如此设计的笼形包合物，未来有望应用于把工业余热转化为宝贵的电能。

2．开发纳米金属材料的其他新进展

（1）研制成含纳米囊体的电镀涂层金属表面。

2009年8月，德国弗劳恩霍夫研究所网站发布消息称，该所马丁·梅茨纳博士主持，他的同事，以及杜伊斯堡艾森大学研究人员参与的一个研究小组，开发出含纳米囊体的电镀涂层技术，可在涂层受损时释放修补液，修补划痕，从而向制造具有自愈功能的金属表面，又迈出了一步。

创造出如人体皮肤一样的金属表面，一直是工程师们的梦想。人体皮肤具有自愈功能，小的擦伤和伤口会很快愈合，且不留疤痕。工程师们一直努力想使其他材料也具有这种自愈功能。其设计方案是通过电镀层中均匀分布的充满液体的小囊来达到目的：一旦涂层受损，破损处的小囊会破裂，流出的液体会“修补”划伤。但目前为止，这个方案受制于囊体体积而无法成功，因为对于约20微米厚的电镀层来说，10～15微米的囊体太大了，会改变电镀层的力学性能。

该研究小组在大众基金会的资助下，开发出新的加工工艺，可制造出含有纳米囊的电镀层。这些小囊的直径只有几百纳米，与原来的囊体相比，根本不在一个数量级。梅茨纳指出，该工艺的关键，在于制作电镀层时不破坏纳米囊。因为这些纳米囊的囊壁很薄，极易破裂，而用于电镀加工的电解液，具有极强的化学性质，可轻易地使其遭到破坏。因此，研究人员需根据不同的电解液，使用可与之兼容的材料来制造这些纳米囊。

有了纳米囊涂层，金属就具有了表面划伤自愈功能。例如机械轴承，如果缺少润滑剂，其部分电镀层会被破坏，破裂的纳米囊会释放出润滑剂，使轴承免遭损坏。

目前，研究小组已经制造出含有纳米囊的铜、镍、锌涂料。研究人员表示，下一步工作，是要设计出更复杂的系统，包括填充不同液体的纳米囊，其中的液体可如双组分胶粘剂一样相互反应。

（2）开发高度控制金属纳米结构的新方法。

2012年4月，美国康奈尔大学材料科学和工程系教授乌利希·威斯纳、西北大学研究员的斯科特·沃伦等人组成的一个研究小组，在《自然·材料》杂志网络版上发表研究报告指出，为了获得燃料电池中的催化剂和普通电池中的电极，工程师希望能制成多孔的金属薄膜，争取获得更大的表面面积以进行化学反应，并保有较高的导电性，而提高导电性的研究多以失败告终。现在，他们开发出一种新方法，可使多孔金属薄膜的导电性提高1000倍。这一技术，同时为制成多种可应用于工程和医学领域的金属纳米结构，开启了大门。

威斯纳说，他们已经借助混合加热方法，实现对于所产生材料的构成成分、纳米结构和导电性等功能的高水平控制。新方法基于学界所熟悉的溶胶凝胶法，将一定的硅化合物和溶剂混合，可自组装出含纳米级蜂窝孔洞的二氧化硅结构。研究人员所面临的挑战，就是添加金属，以创造出导电的多孔结构。

沃伦解释说，在此前的实验中，他们发现添加少量金属，将破坏溶液形成凝胶的过程。而由于氨基酸分子的一端对硅具有吸引力，另一端对金属具有吸引力，研究人员萌生了利用氨基酸将金属原子和硅原子相连的想法，这可避免由相位分离引发的金属薄膜自组装过程中断。

基于上述途径能制造出更多的金属、硅碳纳米结构，并大幅提高其导电性。硅和碳可被移除，只留下金属多孔结构。但硅—金属结构即使在高温下也能保持自己的形态，这对于制造燃料电池十分有益。沃伦同时表示，仅移除硅留下碳—金属络合物，则提供了其他可能性，包括可形成较大的孔洞等。

实验报告显示，新方法，能被用于制造对构成成分和结构具高度控制水平的多种材料。研究小组，几乎为元素周期表中的每种金属，都制造出一种结构，配合其他化学过程，孔洞的尺寸可达到10～500纳米。他们同样制造了填充金属的硅纳米粒子，小到可被人类所摄入和吸收，这有望应用于生物医学领域。此外，威斯纳研究小组，还以制造出“康奈尔点”而闻名，它可把染料封装在硅纳米粒子中。因此，溶胶凝胶工艺，或许也可应用于构建包含光敏染料的太阳能电池中。