納米時代及其歷史背景

人類的整個歷史發展，體現著這樣一條鮮明的脈絡：人類探求的腳步從來就沒有停止過，從登陸月球到登陸火星，再到遨游太空；從認識分子到觀察原子，再到捕捉電子。如今，人類一邊轟轟烈烈地飛入太空，探索火星，一邊靜悄悄地深入物質內部，在物質微粒間營造出一個嶄新的微觀王國，總有一天人們將按自己的意愿去制造物質，逐步地揭開原子世界里的一道道奧秘，在此過程中，世界并未因此而變小，相反變得更加廣闊。然而，在很短的幾年內，任何“微小”的東西相對地將會顯得很大，因為大家認識了納米世界。小還要更小，我們對“多小才算小”的認識將受到挑戰。

納米（nanometer,nm）是一種計量物質的長度單位，為10-9，用符號表示為nm，納米等于十億分之一米，大約是三、四個原子的寬度。從微米科技到納米科技，是科學發展的必然結果，但不是簡單的延伸，在1納米到100納米之間度量單位上，物質的質量和結構特性都發生了從量變到質的變化，納米科學就是建立在這一微小度量區間的技術。一般來說，衡量納米材料有兩把尺子，一把尺子是納米的尺度，另一把尺子就是這個材料的性質是普通材料所沒有的。通常將具有一定存在形態、1-100nm尺寸的物質稱之納米物質。其術語表達可以是：英文術語為nano、nanosized、nanoscale、nanostrucured、nanometer與particles、materials、substance、solids、cluster等任意組合構成的詞組意義。中文術語由此能衍生出很多詞意，諸如：納米團簇、納米級物質、納米顆粒、納米微粒、納米結構物質、納米粒子、納米材料、低維材料等等。諾貝爾物理學獎獲得者HorstStomier宣稱：“納米技術賦予了我們一種工具，可用它來玩弄自然界的極端———原子和分子。創造新事物的可能性變得無窮無盡。”另一位諾貝爾物理學獎獲得者RichardSmolley干脆宣告：“納米技術是建設者最后的邊疆。”

納米技術的廣義范圍可包括納米材料技術、納米加工技術、納米測量技術、納米應用技術等方面。其中，納米材料技術著重于材料生產（超微粉、鍍膜等）、性能檢測技術（化學組成、微結構、表面形態、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術包含精密加工技術（能量束加工等）及掃描探針技術。納米技術的研究和應用，意味著人們將可能從原子、分子的水平上識別探測和控制物質，在納米尺度上研究原子、分子行為和相互作用的規律，使得人類在認識和改造自然、征服自然和應用自然的能力再一次迎來一個驚人的飛躍。

納米科技是20世紀80年代末90年代初興起的涉及多學科的高新科學和技術，并且還有待于進一步的研究和開發。但人們已經預料到納米科技將給人類社會帶來一場深刻的革命性的變革。這場革命必然要波及到經濟領域。發展納米技術極有可能是新世紀留給已錯過微米技術、信息技術、生物技術機遇的中國人的最后一次機會。作為一個中國人，不能不關注這一當代世界的高新技術的發展，不能無視它將給人類帶來的影響，特別是對經濟領域的影響。納米科技是節能低耗與技術密集型的高科技。盡管全面實現其產業化尚有很長的路要走，然而發展納米科技的產投比可能會高于其它高科技項目。因此，納米技術可能為我國迎頭趕上世界經濟提供一個難得的歷史機遇。美國著名科學家喬納森·斯彭斯和羅雷爾（諾貝爾獎獲得者）說：“如果中國奇跡般地成為超級先進國家，靠的就是納米，它可以讓戈壁灘變成綠洲。”

納米技術應用的最重要的領域，是制造具有特異物理、化學性質的新型功能材料。最典型的應用是將兩種不同性質的材料制成納米復合顆粒。歐盟早在1995年就發表報告，預測在今后20年內納米技術的開發將僅次于芯片制造業，成為世界第二大制造業。納米技術未來的應用遠遠超過計算機工業。

本世紀的技術革新，很大程度上是靠弄清更加微觀的現象和據此發展的操作技術來支撐的。但是，基于宏觀的角度，追求更加微觀的世界，這種傳統的技術開發，在很多領域將迎來極限。如果沒有與傳統根本不同的新發現，就無法登上新的臺階。納米技術就是發現這種效果與人工的獨特的結構技術，人們正是充分掌握和利用先進的現代科學技術使對納米技術的預言和研究成為可能。

為了研討當今國際納米材料及技術研發、應用的現狀和發展趨勢，探討我國“十五”期間納米材料的發展戰略，促進納米材料研發和納米技術在包裝領域的研究和應用，推進我國納米包裝產業的跨越式發展，2001年10月16日，根據筆者的提議，我國包裝界的泰斗邱純甫先生親自批示，中國包裝技術協會、中國包裝報社聯合在廈門市召開了“全國首屆納米技術包裝應用研討會”。對制定我國國家納米包裝發展目標，迎接新世紀的挑戰，無疑具有十分重要的意義，會議主題為“納米技術在包裝領域的應用與產業化”。正如“中國包裝報”的綜述文章中指出：這次研討會“在包裝業傳播了納米技術的‘火種’。”四年來，取得了令人可喜的成果。

基于對包裝業發展的責任感、緊迫感和使命感，多年來，筆者在從事納米技術包裝印刷應用的專題研究中，涉獵了納米科技理論與應用的方方面面，這些成果和心得都集中在二百多萬字的論文、編著中。2001年，“中國包裝報”發表了筆者寫的《關于發展納米包裝產業之我見》一文。同年，《試論納米技術在包裝印刷領域的應用研究》獲得了全國優秀學術成果一等獎。2003年，《新型包裝材料中應用的納米技術》獲中國西部科技優秀學術論文一等獎，并作為“第三屆中國科學家論壇”的特邀嘉賓及書面交流論文。2004年5月，應中國輕工業出版社的約稿，筆者又撰寫了我國和世界第一部納米包裝印刷術研究的專著《納米技術與包裝印刷》一書，共八十多萬字，照片、圖譜二百多幅，將交付出版。擬請中國包裝聯合會石萬鵬會長及納米項目首席科學家寫序，愿以此書獻給2004年4月在北京召開的“世界包裝大會”。最近，國防工業出版社又約筆者編寫第二本專著，書名為《包裝材料納米改性及應用》，今年6月底交稿。這兩本專著，從應用的角度揭示了納米技術對改造傳統的包裝印刷的研究，探討了建立納米包裝印刷體系的構架，并提出納米包裝產業化、商品化的目標和途徑。

納米包裝技術溯源

人工制備納米材料的歷史至少可以追溯到1000多年前，我們的祖先就有了制造和使用納米材料的歷史。如我國古代利用燃燒蠟燭的煙霧制成炭黑作為墨的原料以及用于作色的染料，就是最早的納米材料。

由于科學技術的限制，近世紀實用的超細材料一般由微米級構成。當超細材料達到納米狀態時，它將呈現新的特異功能。納米科學技術是研究1-100納米范圍內的特殊現象。

洛依是!20世紀末期最著名的材料專家，專門從事高新材料研究。1984年，洛依首先提出納米材料新理論，開創了包裝材料的納米新時代———納米包裝。1989年，美國IBM公司率先用隧道掃描顯微鏡（stm）探針“移植”氙原子，將其拼成IBM公司的標識，成功地實現了世界上最小的納米級商標圖案。日本豐田中央研究所應用高新技術研究出納米包裝材料。

1990年，日本宗部興產公司首先研制成功納米復合包裝材料PA/MT（蒙脫石約5%并進行工業規模生產）。不久，納米液晶（nmLCP）復合的PET聚酯材料在美國問世，它的性能比層狀復合包裝材料優異，其包裝應用指日可待。

1990年，由日本合成企業（MP611,620）以合成法制備環氧樹脂;交聯NBR(-10%)，該產品具有耐沖擊性、耐熱性，可用作高性能粘接劑。1991年AMOCO公司利用合成法，制成PA6/PPA（5%），可作為高強度包裝材料。1991年至1993年間，日本以合成法制備EPR（30%）即共聚物（60%）/PE;滑石粉（10%），在導彈包裝上應用。B2A,0C使用熔融共混法，制備TLCP/PA12、TLCP/PEEK、TLCPPA用于軍品包裝。還用同一方法，生產TLCP/PL其雙軸取向膜用于食品包裝。

1994年，國際標準化組織ISO開始制定降解塑料（包裝）材料標準。美國開發成功PET/LCP納米復合包裝新材料，商品名為Vectra.1995年，歐盟將“納米新材料”列入“第二大制造業”。美國Amoco公司開始工業化生產PEN聚酯新包材.1996年，日本一家公司采用直接分散法，制成PE等/超微粒子（碳黑）應用于軍品包裝、防電磁包裝。還用同一方法，制備PP等/Tio2(3.5w%)，用于防紫外線包裝。

綜觀國外在1996年前，已經有眾多與包裝有關的高分子復合材料實現了商品化和產業化。1996年以來，我國中科院化學所應用天然豐富的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無機分散相，發明了一步法制備PA6納米塑料（nC-PA6）、PET納米塑料（nc-PET）。2000年，我國研制成功有機納米功能材料———20納米活性有機高分子，可望用于導電包裝、隱身包裝等高功能特殊包裝。事實上，我國在21世紀80年代就有人研究開發出了長軸為40nm-60nm，短軸為14nm-16nm的紡錘狀納米,Fe203具有透明、耐候、屏蔽紫外線等特點，應用于造幣油墨，以提高其耐沾污性；用于金屬閃光漆，明顯提高了涂膜的隨角異色性。

在分子以上到微米以下或是在1-100納米量級尺度范圍，由研究應用產生了納米包裝印刷這一新學科，它和其他納米學科一樣，并不拘泥于尺寸和尺度上的分界，而是著眼于小尺寸所引起的物質的變異行為和新的物性。

自1981年Gleiter等人率先制得納米材料以來，經過20多年的發展，納米材料有了長足的進步。如今，納米材料種類較多，在包裝領域的應用，例如納米高阻隔密封包裝材料、納米防靜電包裝材料，既有比原材料好的高性能，又可以在常規下進行加工，還具有高的表面光澤度，為其應用提供了良好的前景。納米材料由于納米級晶粒、高濃度晶界和晶界的原子狀況等三方共同造就了其性能優于一般材料的優點。

納米技術對包裝印刷業的影響

從印刷術到納米術

我國古代的四大發明中，除了火藥源于古代的煉丹術，其他三項發明都可歸屬為古代信息技術。造紙術、印刷術是古代信息技術具有重大意義的突破和偉大的成就之一。是文藝復興時代到來的重要前奏。被馬克思稱為“預告資產階級社會到來的三大發明”。著名科學家錢學森認為，“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的一個重點，會是一次技術革命，從而將引起"21世紀又一次產業革命。”印刷從其發明之日起，經歷了500多年的“鉛與火”歲月，渡過了近百年的“光與電”時光，現在又進入了“數與網”的時代。20年前，中國科學家帶領中國印刷業告別了鉛與火，迎來光與電，遠程傳版、彩色出版、數碼印刷系統，告別了紙和筆，迎來了數與網。成為我國印刷出版技術領先于世界的又一里程碑。20世紀90年代，高保真印刷已悄然向我們走來，它的網點大約在10-20um之間，這表明印刷材料離納米層次已經不遠了。

用納米材料制造印刷材料或把納米材料添加到印刷材料中去，制成納米油墨、納米紙張、納米印刷機以及其他的各種納米印刷輔助材料，可以大大提高印刷品質量，或者產生有特殊功能的印刷品，能給印刷行業帶來繼光與電之后的又一次技術革命。

目前，納米技術已經涌現出了二種打造納米結構的方法，即“自上而下法”與“自下而上法”。到現在為止，我們討論過的所有各種刻印術都屬于“自上而下法”，而“自下而上法”實際上是一種分子構造術。“自上而下”的方法采用了類似于雕刻的過程，如電子束印刷術，已經達到接近原子水平的精確度。在相當一段時間內，“從上到下”的方法極有可能是建造真正復雜的裝置的首選方法。掃描探針顯微術在分辨本領、定位精度和可造性這些重要方面都能滿足納米印刷術的要求。用掃描探針顯微術可以進行原子級印刷。可以認定，納米術是印刷術擴散思維大顯神通的結果。

納米生產工藝，特別是金子“納米點狀物”的制備，不是什么新的事物。中世紀和維多利亞時代教堂里五彩斑讕的玻璃窗戶上就可以看到各種色彩；古代的陶器上涂有不同彩釉，都是依據材料的納米尺度性能不同于宏觀尺度的性能。特別是納米金粉，根據尺度不同會呈現出桔黃、紫色、紅色或黛綠色。在某種意義上講，第一個納米工藝師實際上是中世紀的鍛造爐前的玻璃工藝師，而不是現代半導體廠的靈巧的工人。顯然，上釉工人并不理解為什么他們對金子的處理會使金子呈現不同的顏色，但我們現在已十分清楚其中的奧妙。

納米技術的研究和開發，形成了一個介于化學、物理學、生物學和電子工程之間的新科技領域，是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學和現代技術結合的產物，將使原有領域的研究和應用發生革命性的變化，又將引發一系列新的科學技術，幾乎在當代科技的全部分支里都融合了納米技術。無疑，納米包裝印刷術也概不例外。

納米技術在印刷行業中的應用

新材料的印刷。當采取某種特殊的表面加工處理后，在介質上能形成交錯混合的兩種性質不同的二維表面，而每個相面的表面積，以及兩相構造的“界面”是納米尺寸存在時，就會產生超親水性和超親油性界面。可以想象，今后的印刷品的分辨率將會更高。

由于印版的發展，對油墨的要求也必然會相應提高。目前，用直流電弧等離子方法生產超細金屬材料“納米金屬微粉”的技術已經實現，納米材料工程從金屬、半導體領域發展到紛繁多樣的有機領域是一個必然的趨勢。當建立了超細材料的有效制備方法，并解決了有機材料中普遍存在的穩定性問題后，油墨的性能必定會有一個飛躍。包裝印刷材料主要是指PS板、紙張、油墨。由于納米技術的特性，將極大地改變它們的印刷適性，更好地與印刷條件相匹配。眾所周知，PS板的最佳粗糙度范圍是450-650nm。可以想象納米技術對PS版的性能影響有多大。印刷存在的耐印力不高、粗糙度不勻不細、感光液的性能等問題都會隨著納米技術的應用迎刃而解。納米科技是“創造”高性能、高效比、高功能等新包裝的最新技術，因此納米復合包材有著強勁的發展動力和廣闊的應用前景。例如在高分子聚合物中加入10%的納米（熱致液晶聚合物）就會使材料的拉伸強度提高到476Mpa，從而大大拓展了包裝材料的用途。

納米包裝印刷術的理論基礎

納米包裝印刷術是納米技術與包裝印刷科學交叉與融合的一門新學科，它的理論基礎包括：（1）納米技術必須具備二個條件：一是納米尺寸；二是自然界里所沒有的新物性。（2）納米科技中功用性最強的研究領域有三類，即納米材料、納米器件、納米檢測與表征。（3）納米材料。將普通材料制成納米量級后，出現了極其特有的四大效應，即小尺寸效應或稱體積效應、表面效應與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應。（4）納米技術路線與納米制造是實現納米態的關鍵技術。其途徑有兩條：一是自上而上（Top-down）另一條是自下而上（bottom-up）的過程。（5）納米材料科學與納米加工學是包裝印刷術在納米諸學科中關系最緊密的兩個基礎學科。

納米包裝印刷術的基本概念

納米包裝印刷的定義：盡管目前尚無納米包裝印刷的準確定義，但從納米科學的角度出發，納米包裝印刷是指使用納米材料、納米技術對包裝印刷產品進行納米合成、納米添加、納米改性，使其具備納米結構、尺度、特異功能的包裝印刷新物性的總稱。

納米包裝印刷具備的四個要素：納米包裝印刷材料要素、納米包裝容器與印刷載體要素、納米包裝印刷技術要素、納米包裝印刷信息要素。

納米包裝印刷材料：是指分散相尺寸為1-100NM的顆粒或晶體與其他包裝印刷材料合成或添加制成的納米復合包裝印刷材料的體系。

納米包裝印刷的研究對象和任務：納米包裝印刷研究的內容是：納米包裝印刷技術（制備方法）、納米包裝印刷材料、納米包裝印刷結構、納米包裝印刷機械、納米包裝印刷測試、納米包裝印刷理論、納米包裝印刷市場等。研究納米包裝印刷物在物流過程中的運動狀態和規律，納米包裝印刷物的物性功能變化的規律與制備技術；研究納米包裝印刷與多學科的關系，從而提出全新的包裝印刷概念，改進和創造新的包裝印刷技術，包裝技術和裝潢技術，縮短現有包裝印刷企業與納米包裝印刷的工程化、產業化和商品化的進程。

納米技術對包裝印刷設備的影響

印刷機的供墨系統是保證正常印刷的重要部件。墨輥作用是向印版表面傳遞油墨。因此，墨輥材料的選擇對印刷質量的影響是十分重要的。利用納米材料可以改變墨輥的彈塑性、耐油性、耐酸性、耐溶劑性、抗衰老化性和親墨性、傳遞性、耐磨性，進而穩定印刷傳遞條件。同樣，利用納米材料可以提高印刷橡皮布質量，進而穩定印刷的壓印條件，提高印刷質量。

納米技術在傳動上也將得到應用。如極小的微電機系統（MEMS），微電子系統能在一個硅晶片上放置100萬個微型機器，每臺機器都有電子控制系統。美國德克薩斯公司已使用MEMS技術開發顯示視頻圖像的芯片。印刷機上安裝了那么細的傳感器———傳動裝置，就可以十分精確地對壓力、速度、位置等進行調控。

印刷設備的主要問題是機械精度問題。一是在制造過程中由于制造技術水平而產生的固有缺陷；二是在印刷生產過程中由于機械磨損而產生的故障。印刷設備中易磨損的主要部件有：齒輪、凸輪、滾筒的軸頸與軸套（或偏心套）等部件。隨著納米技術的運用，可以大幅度提高這些關鍵部件的精度和耐磨損程度，降低維修成本，提高印刷產品的印刷質量。通過采用納米技術，可以開發出納米包裝系統。把微米級的各種不同類型的添加劑制成納米級的產品，就會使傳統的包裝印刷產品更新換代。同時，納米技術產業將通過納米粉末和薄膜的制造和應用，把精密制造技術推廣到整個包裝印刷產業中去。

納米包裝印刷產業化的目標展望

包裝印刷行業在國民經濟中的份額已排在第十四位，年產值超過3000億元，年增長15%左右。無疑，我國已是世界包裝大國，但還不是包裝強國。環保、IT技術與納米技術相結合將是本學科發展的方向。

納米包裝產業的重點是包裝材料與包裝技術。就目前的情況而言，納米技術在包裝中的研究及應用基本上還剛起步，然而，納米技術必將成為世界包裝領域的“制高點”。過去，我國包裝工業的一些先進設備、先進材料、先進技術，大多是依靠進口。納米技術的出現，將為我國包裝工業發展和技術創新帶來機遇，我們必須加快技術創新的進程，力爭走在世界的前列。納米，將圓我包裝強國之夢。

與任何技術產生后的影響一樣，市場對納米技術非常關注。目前，全球納米技術營業額已經超過500億美元/年。納米科技將徹底改變目前的產業結構，并孕育著巨大的商機。根據斯坦福商業信息咨詢公司的《納米技術》報告，到2010年全世界納米材料的市場規模預計將超過2000億美元，很快就將展現給人們一個多夢的時代。

盡管科學界與企業界都做了大量努力，但兩者的接觸渠道還不夠通暢，企業界對納米科技的認識還有待逐步提高。納米技術畢竟是高科技，在轉化到產業的過程中需要成熟的技術，對這些在材料合成和材料添加方面的成熟技術，需要與企業工藝流程相吻合。于是，一個新的產業———納米產業已經產生。

對細微處顯神奇的納米技術，在制造行業里，有人把納米稱為“工業味精”。因為，把納米顆粒撒入許多傳統材料中，可以改進或獲得一系列的新功能，出現令人叫絕的舊貌換新顏，這種改進并不見得昂貴，但卻使產品更具有市場競爭力。

要用納米技術改變包裝印刷企業的原有產品和制造技術是非常不易的。實際上，作為制造技術，納米技術可以制造出許多出人意料、具有全新特性、全新功能的產品。比如，以“白堊和貝殼”為例，這兩種東西質地相同，都是碳酸鈣，但是在硬度上一個脆，一個非常硬，具有完全不同的性質。從這種考慮出發，利用納米技術制造工藝，就有可能提高它們的質地。所以，納米技術不僅僅只是提高質地的手段，而且可以作為重要的制造技術，這也是今后企業發展的重要課題之一。從日本關西地區的成功企業來看，幾乎都與研究或使用納米技術有關，所以對日本企業來說，納米技術的應用與否是使企業間產生差別的非常有效的手段。日本有位科學家甚至說：“今后與納米技術毫無關聯的企業，必定會走向崩潰。”

為了使我國包裝界在21世紀的納米技術產業化中占有一席之地，從前沿性、戰略性、基礎性來考慮，當前要繼續做好基礎研究與應用研究的銜接和成果的轉化，研究納米合成、納米添加對傳統包裝印刷材料改性和技術改造，擴大納米材料在包裝印刷的應用范圍，提升高新技術含量，搶占產業先機，實現跨越式的發展。很明顯，誰要在21世紀站在世界最高新技術領域的前沿，誰就應該在納米科技領域領先一步。

目前在我國，納米包裝印刷材料的改性更貼近于應用，要找到納米技術的應用與現實技術體系的結合點，使納米技術得到盡快的應用。國家973納米領域首席科學家說：“納米塑料將是我國最有希望實現產業化的納米技術之一。”在包裝印刷領域有：納米油墨、納米顏料、納米紙、納米薄膜、聚合物基納米復合材料、納米發光材料、納米抗菌包裝、納米黏合劑、納米防偽印刷、納米軍品防護包裝、納米綠色包裝、納米光刻印刷技術、納米磁印刷等都已經獲得突破，有些已經初步產業化，納米材料和納米結構的評價手段基本齊全，已達到20世紀90年代末的國際先進水平。

為此，下一步必須加快引進、消化、吸收與創新相結合，以重點示范企業為突破口，推動納米產業發展，重點建設若干推廣示范企業，引進若干納米新技術和新產品，尋找若干納米技術依托研究單位。由從事納米技術包裝印刷應用研究的高等院校、研究機構的專家及開發納米技術、納米材料包裝印刷應用的企業家，共同組建“全國納米技術包裝應用研究會”，隸屬于中國包裝聯合會，承擔全國范圍的納米技術包裝印刷應用研究的咨詢、規劃、技術培訓、研究課題及納米包裝印刷產業化的協調指導等工作。要不失時機地導入納米技術，率先打開納米級包裝印刷領域的大門。

納米技術和納米材料的應用和開發，為中國包裝界提供了一個千載難逢的大好時機，機不可失，時不再來。對于行使全國包裝行業管理職能的中國包裝聯合會來說，責無旁貸，必須緊緊抓住這次機遇，堅持“有所為，有所不為”的原則，突出重點，強化支持，狠抓數年，必有成效。

“試看明日之包裝，竟是納米的天下。”

西方有句格言：“機遇永遠落在有準備的人們頭上。”一位納米科技專家的至理名言：“發達國家尚處在納米科技產業化的前夜，我國存在跨越式的發展機遇。”面對我們國家處于跨越式的納米科技產業化的發展機遇時，中國包裝印刷界準備好了嗎？這是一項意義深遠的戰略，必將承載著歷史重任，實現中華民族的偉大復興。