面试无机化学研究前沿

无机高分子化合物无机高分子化合物7.1 无机碳化学无机碳化学第第7章章 无机化学研究前沿无机化学研究前沿7.3 纳米材料纳米材料 碳纳米管碳纳米管7 碳单质及其衍生物碳单质及其衍生物7.1 无机碳化学无机碳化学 概述概述 有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。IBM日前表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路的器件。该技术有望加快下一代芯片产品的面世。美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温度下(117K)制造出了电阻为零的有机超导体。7.1.1 概述概述 在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳是碳的几种同素异形体。7.1.2 碳单质及其衍生物碳单质及其衍生物 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨。金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以sp杂化轨道成键(3条键)；碳原子上还有1条键(sp)；线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。其化学稳定性为：线型碳石墨金刚石富勒烯。1.金刚石 金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工业、半导体工业及化学工业。天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重要研究开发领域。金刚石的合成金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可分为两类：石墨转化法和气相合成法石墨转化法 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但在高温高压(由疏松到致密)下可能实现这种转化，其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。石墨转化法石墨转化法可分为静态超高压高温法静态超高压高温法和动态法动态法两种。静态超高压高温法静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产生310GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加热到l0002000高温。其优点是能较长时间保持稳定的高温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备技术要求高。为了获得粒度较大的优质金刚石单晶，普遍采用过渡金属(Ni，Fe，Co等)及其合金作触媒，保持约5GPa的压力、1500K的温度到一定的时间，使石墨转化金刚石。要获得优质粗粒的金刚石单晶，一般用石墨片与触媒片交替组装的方式。动态法动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉末，使用时往往需烧结。此外，产品中还含有未反应的石墨、催化剂等杂质，因此还需提纯。这种产品主要用于精密机械制造领域。气相合成法(CVD法)气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态，甲基自由基分解后便以金刚石的形式析出。气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石的应用范围大大扩展，因为高温高压合成的金刚石及天然金刚石的应用只是利用其高硬度特性，其他优异的特性均因形态的限制而未能得到很好的开发和利用。膜状金刚石必然会进入半导体工业、电子工业及光学等领域。日前，国际化学界权威学术刊物美国化学会志(J.Am.Chem.Soc.)刊发了中国科技大学陈乾旺教授领导的研究组的论文“低温还原二氧化碳(CO2)合成金刚石”。他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440和800个大气压的条件下，经过12小时的化学反应，终于成功地将CO2还原成了金刚石。目前，已能生长出毫米的金刚石，有望达到宝石级，产物外观无色、透明，可与天然金刚石媲美 此法CO2转化金刚石的产率达8.9%，工艺重复性好，结果日前已申请国际专利。2.石墨及其石墨层间化合物石墨及其石墨层间化合物石墨石墨 石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C原子采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连接在一起，同时在同一层上还有一个大 键。同一层的碳CC键长143 pm，层与层之间的距离为335 pm。669.6 pm 245.6pm335 pm143pm石墨层间化合物石墨层间化合物 石墨的碳原子层间有较大的空隙，容易插入电离能小的碱金属和电子亲和能大的卤素、卤化物及酸等，从而形成石墨层间化合物(GIC)。石墨层间化合物的类型石墨层间化合物的类型 石墨层间化合物按基质嵌入物间的化学键分类，可分为离子型和共价型两大类。在离子型化合物中，碱金属之类的插入物形成向石墨提供电子的层间化合物，称为施主型;插入物为卤素、卤化物时，形成从石墨得到电子的层间化合物，称为受主型化合物。由高温直接氟化反应得到的氟化石墨及由HClO4等强氧化剂在100 以下的低温合成的氧化石墨(含O及OH)，基质嵌入物间具有共价键，称共价型层间化合物。石墨层间化合物的合成石墨层间化合物的合成 合成方法主要有直接合成法和电化学法。直接合成法是使石墨与反应物直接接触反应。电化学法是将石墨作为阳极，反应物的电解质溶液作电解液进行电解而制备石墨层间化合物的方法。应用石墨层间化合物的结构石墨层间化合物的结构 离子型石墨层间化合物中碳原子基本保持石墨的平面层状结构，插入层的层间距增大，未插入层的层间距无变化。石墨层间化合物按插入层的分布分为不同的阶数：一阶化合物每隔1个碳原子层插入1层反应物，如C8K；二阶为每隔2层插入1层反应物，如C24K；三阶为每隔3层插入1层反应物，如C36K 依此类推。据报道已有阶数为15的层间化合物。在共价型石墨层间化合物中，嵌入物与基质碳原子间的化学键是共价键。一般而言，石墨的层平面要变形。例如氟化石墨，其碳原子层是折皱的，折皱面内各碳原子以sp3杂化轨道与其他3个碳原子及1个氟原子结合，CC键长与一般CC单键相等，层间距为730pm，比未插入层增大一倍多。石墨层间化合物的功能与应用石墨层间化合物的功能与应用 石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、阶数不同而不同，其功能及应用是多方面的，主要可用于：轻型高导电材料、电极材料、新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及同位素分离材料、防水防油剂等。电极材料电极材料 石墨间隙化合物的电阻比石墨本身还低，在垂直方向降低了约10倍，沿石墨层水平方向降低了近100倍。而且间隙化合物具有与真正的金属一样的电阻，即电阻率随温度升高而升高。石墨层间化合物适宜作电极。以氟化石墨为正极，锂为负极的一次电池已工业化。轻型高导电材料轻型高导电材料 石墨层间化合物的电导率比石墨更高，有的超过了铜(电导率为5.3107 Sm-l)，且这些物质的密度比一般金属低，故作为轻型导电材料受到青睬。固体润滑剂固体润滑剂 用氟化石墨作固体润滑剂，具有在高温、真空或氧化还原气氛中保持好的润滑性能的优点(而一般的石墨存在润滑性能下降的缺陷)。这是由于氟化石墨的层面由CF键构成，其表面能极小，容易滑动之故。贮氢及同位素分离材料贮氢及同位素分离材料 钾、铷、铯等碱金属的石墨层间化合物在一定温度下能化学或物理吸附氢。如C8K吸附氢生成C8KHx(0 x2)，且离解温度及离解能低，吸附与解吸完全可逆，达平衡的时间短，因而可作贮氢材料。更有趣的是这种吸附对氢、氖、氖有选择性，因而可用于氢同位素分离。新型催化剂新型催化剂 如C8K作乙烯、苯乙烯等聚合反应的催化剂 石墨钾FeCl3三元层间化合物作H2和N2为原料合成氨的催化剂，350 下1h转化率可达90%。防水防油剂防水防油剂 如氟化石墨的表面自由能和聚四氟乙烯相近或略低，显示了极强的疏水性。因此，可利用此疏水性预防因水而引起的润滑和污染附着。在镀镍时，如使Ni和氟化石墨共析，可得防水性极强的金属表面。石墨复合磁粉石墨复合磁粉 将铁盐插入石墨层间可制得石墨复合磁粉，其磁性能优于Fe2O3磁粉，用作磁记录介质，可增大对带基附着力、减小对磁头的磨损、提高其防潮性能及温度稳定性。3.碳纤维碳纤维 碳纤维是由有机纤维经炭化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维的制备碳纤维的制备 目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、炭化及石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化，包括脱氢、环化、氧化及脱氧等。碳纤维的性质及其应用碳纤维的性质及其应用 碳纤维具有模量高、强度大、密度小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀、自润滑等优异性能。从航天、航空、航海等高技术产业到汽车、建筑、轻工等民用工业的各个领域正逐渐得到越来越广泛的应用。主要用于导电、隔热、过滤等方面。碳纤维增强复合材料作结构材料,可作飞机的尾翼或副翼,通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、助推火箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水泥地板，并有取代钢筋的可能性。作为非结构材料,碳纤维复合材料可作密封材料、耐磨材料、隔热材料、电极材料。在原子能工程上用碳纤维石墨复合材料作铀棒的幕墙材料,不仅可以防止铀棒的辐射变形,使其对中子的吸收截面变小,反射中子能力增强,而且在光氧条件下能耐3000 以上的高温。将碳纤维进行活化处理，得到活性碳纤维，是已知的比表面积最大的物质之一(2500 m2g-1)，被称为第3代活性炭，作为新型吸附剂具有重要的应用前景。在医学上，碳纤维增强型塑料是一种理想的人工心肺管道材料，也可作人工关节、假肢、假牙等。4.富勒烯富勒烯 1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto等人用激光作石墨的气化试验发现了C60，这是一种由60个碳原子组成的稳定原子簇。此后又发现了C50、C70、C240乃至C540等，它们都具有空心的球形结构，属于笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师Buckminster Fuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、笼碳等名称。C60是20世纪的重大科学发现之一。Kroto等人因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。富勒烯的结构特点富勒烯的结构特点 以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元环和六元环而构成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体，像一个足球。每个五边形均被5个六边形包围,而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。富勒烯族分子中的碳原子数是28、32、50、60、70 240、540等偶数系列的“幻数”。C60分子中碳原子彼此以键键合，其杂化轨道类型介于sp2与sp3之间，平均键角为116。碳原子上剩余的轨道相互形成大键。相邻两六元环的CC键长为138.8 pm，五元环与六元环共用的CC键长为143.2 pm。C70为椭球形，C240及C540与C60的差别更大一些，但都是笼形空心结构。C60的晶体属分子晶体，晶体结构因晶体获得的方式不同而异，但均系最紧密堆积所成。用超真空升华法制得的C60单晶为面心立方结构。C60的合成的合成 1985年以激光气化石墨法只能制取几毫克的C60，不足以开展大量的研究。直到1990年，C60的合成才取得突破。目前C60的合成法主要可分为以下两种：石墨气化法 电弧放电法气化石墨，每小时可气化10g，产物是一种黑色粉末，是C60和C70的混合物。用升华法、色谱法等可得到纯的C60和C70。纯碳燃烧法 在573673 K真空中加热特制的炭黑，收集蒸气凝结成的固体，制得C60和C70。富勒烯的应用前景富勒烯的应用前景 从化学和材料科学的角度来看，富勒烯具有重要的学术意义和应用前景，其中最早令人关注的是金属掺杂富勒烯的超导性。由于室温下富勒烯是分子晶体，C60的能带结构表明是半导体，能隙为。但经过适当的金属掺杂后，都能变成超导体。掺杂富勒烯超导体有两个特点：一是与一维有机超导体和三维氧化物超导体不同，掺杂富勒烯超导体是各向同性非金属三维超导体；二是超导临界温度Tc比金属超导体高，如掺杂I的IxC60的Tc已达57 K。下表列出一些富勒烯衍生物超导体及其临界温度。光学性质光学性质 C60具有非线性光学性质，随着光强不同，它对入射光的折射方向也发生改变。C70能把普通光转化成强偏振光，因此C70有可能用作三维光学电脑开关，可能用于光纤通讯。医学领域医学领域 某些水溶性C60衍生物具有生物活性。二氨基二酸二苯基C60具有抑制人体免疫缺损病毒酶HIVP的功效，因此有可能从富勒烯衍生物中开发出一种治疗艾滋病的新药。还有报道，一种水溶性C60脂质体包结物，与体外培养的人子宫颈癌细胞融合后以卤素灯照射，对癌细胞具很强的杀伤能力。此外C60能承受20Gpa的静压，可用于承受巨大压力的火箭助推器；C60的球形结构，可望成为超级润滑剂；根据C60的磁性和光学性质，C60有可能作光电子计算机信息存储的元器件材料。总之，富勒烯的应用前景十分诱人，但要获得广泛的应用还有许多问题需要解决。例如，富勒烯及其衍生物的合成必须有新的突破，因为目前成功的合成法所得的富勒烯成本是很高的，很大程度地限制了其应用的研究开发。5.线型碳线型碳 很长时间以来，人们认为碳的同素异形体仅有层间结构的石墨和立体结构的金刚石，前者的碳原子以sp2杂化轨道成键，后者以sp3杂化轨道成键。1968年，前西德科学家在Riss火山口的石墨片麻岩中发现了与石墨层交替出现的薄膜线型碳，后来又在含碳球粒陨石和星际粉尘中发现了多种结晶形态的线型碳。由于理论上预言线型碳可能是一种室温超导体及超强纤维材料，因而很大程度上激励了各国研究者的研究热情。前苏联化学家以乙炔氧化缩聚合成了线型碳分子，并把它命名为卡拜(Carbyne)，源自分子中的共轭三键结构。其实线型碳还有另一种键联形式，即累积双键型，前者称为-卡拜，后者称-卡拜。在有关文献中，也有不少用线型碳“Linear carbon”的名称，以示其碳原子为sp 杂化轨道彼此键联而成的线型结构。为避免与卡宾及卡拜配合物混淆，美国化学文摘中线型碳的主题词是Carbyne(polymer)。线型碳的制备线型碳的制备 线型碳合成法很多，可以归纳为如下3种：石墨转化法、有机高分子还原脱氢或卤化氢法及炔烃氧化缩聚法。据报道,天然的线型碳为六方晶系,有7种晶格。合成的线型碳多为黑色的无定形态,不溶于任何已知的有机及无机溶剂,这给结构研究带来很大的困难。由于合成上的困难及难溶性，有关线型碳化学性质的研究很少。线型碳的应用线型碳的应用 线型碳的惰性及结构特征使其可能成为优于碳纤维的超强纤维。线型碳对生物体的亲合性优于高分子材料，可能成为性能优异的生物医学材料。有报道，俄罗斯科学家已将线型碳用作外科手术的缝合线及人造动物器官，并申请了发明专利。线型碳可能提供一个非高温高压条件下合成金刚石的新途径。至于令人关注的常温超导性，尽管至今的实验结果令理论工作者失望，但须说明的是已报导的人工合成线型碳并非直线型的高分子线型碳。如果能够合成无限长链的直线型线型碳晶体，就可能解开这个谜。1991年1月由日本NEC公司的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现碳纳米管。科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料，纳米电子器件材料和新一代平板显示材料。7 纳米碳管纳米碳管 碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米(最小为1纳米左右)到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心圆柱状的长“笼子”。碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达一百微米。碳纳米管的结构碳纳米管的结构 根据组成碳纳米管管壁中碳原子层的数目，碳纳米管可被分为单层碳管和多层碳管。碳纳米管的实际结构比理想模型复杂得多，它是由理想同心石墨片圆柱形结构，而很多是卷曲石墨结构，结构中存在大量位错，而且横截面是多边椭圆形。碳纳米管的制备碳纳米管的制备 目前，人们可以用电弧放电法、激光蒸发法和有机气体催化热解法来大量制备碳纳米管。但碳纳米管的制备技术仍存在三方面难题：目前的产物多呈杂乱分布，碳纳米管之间相互缠绕，难以分散；用电弧放电法制备的碳纳米管被烧结成束，束中存在很多非晶碳等杂质；目前制备的碳纳米管的长度只有几十微米，只能用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等非常规方法来测量其物理性能，给实验测量带来极大困难。从1992年起，中国科学院物理所解思深研究员开始利用放电法和化学方法制备碳纳米管。1995年发明了一种在孔内含有纳米催化剂颗粒的、多孔的二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管的方法（已获中国发明专利），制备出大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管。管径均匀为20纳米，管间距为100纳米，管长约为100微米。这一研究工作，于1996年在“Science”上发表。碳纳米管的应用碳纳米管的应用 纳米碳管有许多特异的物理性能。如纳米碳管的热导与金刚石相近，电导高于铜。但纳米碳管的应用研究还在探索阶段：高强度碳纤维：理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超级纤维”。复合材料：近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在250 nm的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性能的新型材料。纳米电子器件：美国已用纳米碳管成功地制备了纳米碳化钛、碳化铁、碳化铝等纳米棒，在纳米碳化铌棒中还发现了超导现象。我国利用碳纳米管研制出新一代显示器。这种显示器不仅体积小、重量轻、省电、显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从-4585 都能正常工作。催化纤维和膜工业：碳纳米管“列阵”制成的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。Berkely实验室材料科学部(MSD)的物理学家Alex Zettl，合成出需要借助于电子显微镜才能看到的世界最小的人造轴承和机械开关、世界最小的室温二极管。产物借助碳纳米管合成，其直径仅有几个纳米大小。7.2.2 无机高分子化合物的分类无机高分子化合物的分类7.2.3 分子筛分子筛7.2.1 无机高分子化合物概述无机高分子化合物概述7.2 无机高分子化合物无机高分子化合物 无机高分子物质也称为无机大分子物质，它与一般低分子无机物质相比具有如下特点：(1)由多个“结构单元”组成 (2)相对分子质量大 (3)相对分子质量有“多分散性”(4)分子链的几何形状复杂 无机高分子物质的分子则可由其他多种元素的原子构成主链。完全由同一种元素构成的主链叫做“均链”，由不同种元素的原子构成的主链叫做杂链。原子间主要靠共价键(包括配位键)互相结合。7.2.1 无机高分子化合物概述无机高分子化合物概述7 无机高分子化合物的分类无机高分子化合物的分类(1)按照主链结构分类：均链高分子物质：由同一种元素的原子构成其主链，如：链状硫 SSS杂链高分子物质：主链由不同种元素的原子构成，如：聚磷腈化合物 PNPN 分子筛 OSiOAl/Ti/Fe H H H 聚硅烷 SiSiSi H H H(2)按照高分子物质的空间因次分类：一维高分子物质：结构单元按线型连接，所以也称为链状无机高分子物质。二维高分子物质：结构单元是在平面上连接，形成平面型大分子。平面分子相互按一定规律重叠构成晶体，所以也称为层状高分子物质。三维高分子物质：结构单元是在三维空间方向上连接，所以也称为骨架型(或网络型)高分子物质。分子筛是多孔材料的一种，传统硅铝骨架的分子筛也被称为沸石，沸石分子筛。1756年，瑞典科学家A.F.Cronstedt将一种矿物进行焙烧时发现有气泡产生，类似于液体的沸腾现象，因此将其命名为“沸石”。这就是沸石分子筛名字的由来。在长期的实践活动中人们对天然沸石的一些性质有了一定的认识，其中包括沸石矿物具有可逆的脱水作用，即沸石脱水后又能重新吸附水。7 分子筛分子筛 1.分子筛起源分子筛起源 后来人们发现沸石是自然界中广泛存在的一类矿物，其结构有多种多样。如方沸石,斜发沸石,蚀沸石,毛沸石,片沸石等，迄今为止，已经有40余种天然沸石结构被发现。但是经国际沸石学会认定并命名的天然沸石结构还不及30种。STIMAZ2.人工合成分子筛的研究人工合成分子筛的研究 人工合成分子筛最早采用的合成方法是模仿天然沸石的地质生成条件，采取高温水热合成技术(高压大于200 和高温高于 10MPa)进行合成。上世纪50年代，美国联合碳化物公司(UCC)的Milton,Breck和Sand等人，在硅铝酸盐凝胶中加入碱金属或碱土金属氢氧化物，采用低温水热合成技术（反应温度为 25-150，通常为 100和自生压力），成功地合成出了一系列低硅铝比与中硅铝比（Si/Al）沸石：A型、X型、L型和Y型沸石以及丝光沸石等。这一类分子筛具有较高的离子交换性能，优良的亲水性和酸性，因而被应用于离子交换、吸附等领域。这一类沸石分子筛通常被称为第一代分子筛。二十世纪六十年代，美国Mobil 公司的科学家们开始将有机胺及季胺盐引入沸石分子筛的水热合成体系，开创了模板法合成沸石分子筛的新路线，合成出了一批高硅铝比沸石，以ZSMn系列沸石分子筛为代表。这一类高硅分子筛具有较好的催化性、水热稳定性、较高的抗腐蚀性等优点，被广泛的应用于石油加工、精细化工等催化领域，这类分子筛通常被称为第二代分子筛。1982 年，美国 U.C.C.公司的 Wilson S.T.与 Flanigen E.M.等成功合成出磷酸铝系列分子筛AlPO4-n（n 为编号），其骨架首次不含硅氧四面体，而由铝氧多面体(AlO4、AlO5和AlO6)与磷氧四面体交替连接而成。这在多孔材料的发展史上是一个重要的里程碑。迄今为止，合成的微孔及层状磷酸铝已近百种，至少有四十种结构。VPI5(12元环)JDF20(20元环)和磷酸铝类似，分子筛骨架中的硅和铝也可以被其它元素取代，生成结构多样的杂原子分子筛，在催化等领域进行应用。大孔道的分子筛也可以掺杂微孔分子筛，从而表现出新的结构特点和催化性能。7.3 纳米材料纳米材料 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。纳米技术将可能影响经济的许多部门，从生物技术、卫生保健到能源，科学家普遍认为这种影响主要来自纳米电子。通过纳米电子可以制得比以往任何时候更小、更快、更便宜的常规设备。1998年，研究人员装配出单一的纳米电子元件；目前研究人员正在尝试把许多纳米元件组合起来，集成为完整的记忆芯片。Berkeley化学家Paul Alivisato 在纳米半导体晶体始创领域中，是一位具有突出贡献的科学家。Alivisatos 第一个大的突破之一，是和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体。这些球形核壳纳米晶体可作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到光子激发，就发出荧光或激发出色光。在正常的温度下，原子处在恒定的激烈运动中，并不能被摄象，采取把TEM浸入液态氦的方法，就能迁移原子。Salmeron用一个电子去使乙烯分子在钯三个原子中旋转120度”。“在一个纳米中存在三个原子的足够空间。如果我们准备去获的真正的纳米技术，我们必须准备去学习如何一次放几个原子在一起。”NEC成立于1899年7月17日，创始人是岩垂邦彦，当时是与美国的西部电气（WE公司）合资成立的，是日本最早的合资公司。目前NEC已成为拥有92家日本公司及103家海外子公司、14万多员工的全球性企业。业务范围涉及IT解决方案、网络解决方案、半导体及电子器件等诸多领域，是世界上拥有知识产权最多的厂商之一。在最新的美国商业周刊的IT百强企业排行榜中NEC的总营业额排在世界第5位。NEC公司制造的微聚合物电解质电池，采用了碳纳米管结构。这种结构形式的碳纳米管被命名为“纳米角（nanohorn）”。.由于这种材料性质比现在使用的活性碳优越，采用纳米角以后的聚合物电解质电池的能量密度，可以比锂电池提高10倍。NEC的这项开发工作，不仅是燃料电池技术的一项进步。更为重要的是，它也是碳纳米管结构和纳米自组装(nano-self-assembly)技术的首次实际应用。集成有该紧凑型燃料电池的笔记本电脑原型机目前已经推出。