當物質顆粒小到只有1～100納米大小時，它們會顯露出許多奇異的性質，如強度明顯增大，熔點大幅度降低，氧化性和還原性增強，催化效率顯著提高，等等。科學家在開發和應用納米材料時，正是利用了納米顆粒的身手不凡的本領。
納米（nm）是一種比微米（μm）還小的長度單位，1納米等於1000分之一微米、10億分之一米。而頭髮絲的直徑為3萬到5萬納米。
早在1959年，諾貝爾獎獲得者理查德•費曼就暢想了納米材料和納米技術的未來。他在講演中預言，將來人類一定能夠把單個原子排列起來製造成物品，並指出：“當我們對細微尺寸的物體加以控制的話，將極大地擴充我們獲得物性的範圍。”
納米材料又稱超微顆粒材料，由納米粒子組成。在三維空間中，這些納米粒子至少有一維是介於1～100納米尺度的。這個尺度範圍介於原子簇和宏觀物質的過渡區域，既非典型的宏觀系統亦非典型的微觀系統，因此被稱為“介觀系統”。納米材料由於具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子尺寸效應，從而在光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質與宏觀材料有顯著的不同。
納米材料其實並不神秘。自然界中，蛋白石、隕石碎片、動物的牙齒及骨骼、貝殼都是由納米微粒組成的。人工製備納米材料的歷史有1000年以上，中國古代利用蠟燭燃燒的煙霧製成炭黑作為墨的原料和染料，就是最早的納米材料。安徽的徽墨是從煙道里掃出來的碳顆粒，經過一遍一遍地篩選後得到的納米級碳顆粒，製成的墨均勻飽滿，寫字力透紙背。更為有趣的是，中國古銅鏡鏡面的防鏽層是由納米二氧化錫顆粒構成的薄膜。
掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡以及場發射掃描電子顯微鏡技術的發展，讓人們從真正意義上看到了組成物質的原子，使納米材料的研究如虎添翼。納米技術未來的目標是操縱原子、分子，構建納米級的具有一定功能的器件或產品。2l世紀，納米技術與納米材料同人類生活的關係會越來越密切。
具體介紹幾種代表性的納米材料，使大家對其功能和製備技術有個初步的瞭解。
殺菌除汙的二氧化鈦納米顆粒
二氧化鈦是地球上儲量十分豐富的礦物，在自然界以銳鈦礦、金紅石和板鈦礦三種不同的結晶形態出現。當用波長小於388納米的紫外光照射銳鈦型二氧化鈦時，它的表面能形成超氧離子自由基，這種自由基具有較強的氧化性，可在室溫下與有害氣體反應，從而使有機物和有害菌分解。二氧化鈦抗菌防黴的機理是：由於其電子結構所具有的特點，使其受光時生成化學活潑性很強的超氧化物陰離子自由基和氫氧自由基，攻擊有機物，達到降解有機汙染物的作用。對於細菌，二氧化鈦直接攻擊其細胞，致使細胞內的有機物降解，以此殺滅細菌，並使之分解。
二氧化鈦的納米顆粒由於相對錶面積更大，光催化效率遠遠高於普通的二氧化鈦粉末。然而用純二氧化鈦作為光催化劑，需要外加紫外光源照射，不符合節能的原則。於是，改變傳統紫外照射催化的狀況，力爭使催化反應在陽光下就能有效進行，成了科學家亟待解決的問題。人們嘗試了各種改良方法，如製造複合半導體，摻雜金屬改性等等，來製備光催化活性較高的納米二氧化鈦。改良後的二氧化鈦納米顆粒，在自然光和常溫常壓下即可分解病菌和汙染物，無二次汙染，是最具開發前景的綠色環保催化劑之一。
一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細菌細胞失去活性，但細菌殺死後，屍體會釋放出毒素等有害成分。納米二氧化鈦能破壞細菌的細胞膜結構，徹底降解細菌，防止內毒素引起二次汙染。納米二氧化鈦屬於非溶出型材料，在降解有機汙染和殺滅細菌的同時，自身不分解、不溶出，具有持久的殺菌、降解汙物效果。將二氧化鈦粉體添加到陶瓷釉料中，具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中製成殺菌纖維。銳鈦礦二氧化鈦納米顆粒表面用銅離子、銀離子修飾後，殺菌效果更好，在電冰箱、空調、醫療器械等方面有著廣泛的應用前景。
金紅石型二氧化鈦具有獨特的顆粒形狀、良好的分散性以及對紫外線較好的屏蔽作用，用於化妝品、防護漆等，可提高塗膜的抗老化性、耐沖刷性，並具有自潔功能。目前，金紅石型納米二氧化鈦已經用於製造防曬霜和防紫外線雨傘。化妝品中只要含納米二氧化鈦0.5％～1％，即可充分防紫外線。
金紅石型納米二氧化鈦顆粒所具備的優異的光催化效應，還可用於降解氮氧化物、硫氧化物等，有效地治理工業廢氣、汽車尾氣排放所造成的大氣汙染。其原理是將有機或無機汙染物進行氧化還原反應，生成無毒的水、二氧化碳等。二氧化鈦光催化劑還可用於無機物的脫毒降解，包括油煙氣、工業廢氣、汽車尾氣、氟里昂及氟里昂替代物的光催化降解。
納米二氧化鈦的光催化效應，還能用來處理有機廢水。它能有效地將水中的滷代脂肪烴、滷代芳烴、硝基芳烴、多環芳烴、酚類、染料、農藥等汙染物進行除毒、脫色、礦化，最終降解為二氧化碳和水。將二氧化鈦做成空心小球浮在含有有機物的廢水錶面上，利用太陽光可以進行有機物的降解，美國、日本利用這種方法對海上石油洩漏造成的汙染進行了處理。
防水防油防汙的納米布料
自然界的許多動植物都擁有神奇的“超疏水錶面”。例如，水不能浸潤荷葉，而是在葉面上形成水珠，在外力作用下可任意滾動。荷葉的這種“自清潔”效應，自古以來一直是個極大的奧秘。
直到20世紀70年代，德國的兩個科學家首先用掃描電子顯微鏡觀察了荷葉表面的微觀結構，認為“自清潔”效應是由荷葉表面上的微米級乳突以及蠟狀物共同引起的。此後人們用更加高倍的掃描電鏡，觀察到荷葉表面微米結構上還存在著納米結構，這種微米與納米結構的組合，才是引起荷葉表面“超疏水”的根本原因。
為什麼這樣的“粗糙”表面能產生超疏水性呢？ 原來，當固體表面有微小突起的時候，有一些空氣會被“鎖”在水與固體表面之間，導致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。由於水的表面張力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近於球形，其接觸角可達150度以上，並且水珠可以很自由地在表面滾動。即使表面上有了一些髒的東西，也會被滾動的水珠帶走，這樣表面就具有了“自清潔”的能力。這種接觸角大於150度的表面就被稱為“超疏水錶面”，而一般疏水錶面的接觸角僅大於90度。
超疏水性在動物身上也存在。生活在池塘的水黽在水面上行動自如，不會沉沒，其原因不僅是依靠分泌油脂產生表面張力效應，而且其腿部也存在特殊的微米-納米結構。它的腿上有很多針狀剛毛，直徑在3微米到幾百納米不等。大多數剛毛的長度為50微米，與腿的表面以傾斜20度的方向排列。在每個微米級的剛毛上存在著很多複雜的納米級溝槽，從而形成獨特的分級結構，這種結構可使空氣有效地吸附在微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內，形成一層穩定膜，從而阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現為水黽腿的超疏水特性。
對荷葉、水黽的超疏水功能的研究，使人們產生了“二元協同納米界面材料”這一概念。這種界面材料的設計思想是：當採取某種特殊的表面加工後，在介觀尺度上能形成理化性質不同甚至完全相反的納米相區，在某種條件下具有協同的相互作用，以致在宏觀上呈現出超疏水性或者超親水性。應用二元協同納米界面理論開發出的紡織品，表面上相當於存在一層穩定的氣體薄膜，水、油和汙物無法與面料直接接觸。水滴滴在面料表面，猶如水銀珠在面料表面滾動；甚至水或油類液體潑於面料表面也不會浸入面料纖維中。水性液體只需傾斜或抖動面料，水珠即可脫離面料；油類液體用紙巾擦拭，面料表面也不會留有油漬汙痕。該技術僅對面料的纖維表面進行了納米界面處理和功能改性，纖維的內在結構和成分沒有變化，因此面料原有的透氣性、透溼量、牢度、色澤風格、彈力手感等均保持原樣。
貴金屬納米催化劑用量少效果好
在化工領域，許多化學反應都離不開催化劑。催化劑的作用主要有三個方面：一是提高反應速度，增加反應效率；二是決定反應路徑，使反應向著預定的目標進行；三是降低反應溫度。今天，納米粒子催化劑作為一種新型催化劑，引起了人們的普遍關注，被稱為第四代催化劑。研究發現，隨著催化劑粒徑的減小，其表面光滑程度變差，形成了凸凹不平的原子臺階，這就增加了化學反應的接觸面，因而擁有了更高的活性和選擇性。
催化劑種類繁多，其中貴金屬固體催化劑佔有重要的地位，鋨、銥、鈀、鉑、銠、釕、鈀等貴金屬廣泛應用於石油化工、精細化工、環保催化、生命及生物化學等領域。例如，銀和金催化劑可用於氧化反應，銠催化劑可用於烯烴選擇性加氫。由於貴金屬價格昂貴，將其製成超細粉末，可以大大節省催化劑的用量，降低工業成本。同時，納米級超細顆粒與反應物充分接觸，大大提高了催化活性。例如，鉑是高效的氫化催化劑，納米鉑粒子催化劑較之以往的鉑絲或鉑網催化劑，催化活性大大提高；超細銀粉可以作為乙烯氧化的催化劑；超細鐵粉可在氣相熱分解中起成核的作用而生成碳纖維；將金超微粒子負載在氧化鐵、氧化鈷或氧化鎳中，70攝氏度時就具有較高的催化氧化活性。這些金屬納米粒子通常被負載於分子篩或其他孔型材料基質上，使其均勻分散，不僅能達到更好的催化效果，而且便於這些催化劑的回收利用。
最新的研究還表明，金屬納米粒子的不同的晶面，可以顯示出不同的催化活性，如甲醇的氧化反應在鉑（111）晶面比在鉑（101）晶面上更容易進行。因此，人們將鉑製成有更多（111）晶面暴露的納米粒子，以利於反應的更快進行。
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