纳米材料应用面面观

七、从匕射（Beeser）谈起：纳米材料应用面面观

在上面几节的讨论中，常常不由地提到纳米材料的应用。对于这样一种性能独特而神奇，涉及面极其广泛，并且功能还正在不断延伸和扩展的新型材料而言，不更集中、更突出地讨论一下它的应用领域，显然是十分不够的。纳米材料应用的特点在于：涉及的概念新，而且还在不断发展；各种不同类型的应用相互关联和相互依托。

本节所归结的只是纳米材料的主要应用领域，实际上它已扩展至更广的范围，可以被称为“无所不在的科学”。

1．镭射（Laser激光）的弟弟：匕射（Beeser）

众所周知，激光是20世纪一个具有划时代意义的重大发现。它是一种超强度相干光子源：受激光辐射式放大器（Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation），也被译为“镭射”（Laser）。光子与电子作为微观统计粒子，存在着某种相互转换关系，20世纪中叶根据光子与电子的相互转换关系，人们便自然考虑到超强度的相干电子源，但由于相干电子束的发射角偏大（4°～6°）、强度小（1pA）、单色性差（0.1eV），半个世纪以来一直设有突破性进展。直至单壁碳纳米管的问世，才使弹道电子发射源的问世成为可能，这应该成为纳米材料在当今新概念应用领域中的一个亮点。

在纳米材料研究中，作为具有原子分辨和加工能力的SPM设备，都有一个十分神奇的探测针尖，它所提供的信息是针尖与样品表面电子云间的相互作用，被称之为“卷积”。如果针尖的电子云分布是已知的，这样便可再对针尖“退卷积”而获取所探求样品的相关信息。那么，用什么方式能使这种新一代“针尖”具有超强度能量，来进行原子操纵和加工呢？与超导体导电机理不同，直径为1nm的短单臂碳纳米管（SWCNT_S）可实现室温0时电阻的传输电流特性，理论上电流可达1mA，电流密度为10¹⁰A/cm²，比目前超导体线圈可输送的最大电流密度还大4个数量级，是一种超强能量束，此外它还具有高亮度、相干性、偏振性等特征。这就吸引研究者们去制作一种高强度电子发射源。

由于单臂短纳米管具有电阻传输，弹道电子发射源（Ballistic Electron Emission Source）的英文首字母缩写为Bees，由于它是一种超强度、高亮度、相干偏振的电子源，其特征与激光十分相似，而光子与电子又是相互关联的两个基本微观粒子，从而取名为与“Laser”相似的“Beeser”，即匕射。这个激光的弟弟Beeser，在英语俚语中有“呱呱叫的”（作形容词用）和“家伙”（名词）的含意，所以人们又戏称“匕射”为“呱呱叫的家伙”。

十分有趣的是，这个21世纪出现的新效应和新名词，一方面由纳米管的出现而产生，另一方面又在研究和操纵纳米材料结构和加工新一代SPM探头中起着至关重要的作用，从而继续为纳米材料的发展效力，甚至在粒子武器、高能电子束手术刀、焊接与切割技术等方面都有很多特殊的应用。我们正期待着Beeser在新的世纪更能显现它的光彩。

2．纳米材料在纳米微电子技术中的应用

随着信号运行速度及电路中晶体管数目的大幅度增加，近10年来微电子技术己从超大规模（SLSIC）、特大规模（VLSIC ）进一步向着系统集成和全规模集成（WSIC）的方向发展，其器件尺寸线度已缩小到深亚微米数量级（100nm），几乎接近于电子的波长，电子元件甚至是通过控制电子运行数量来实现对信号的处理，其响应速度小于10⁻¹²S，功率损耗小于1μW。另一方面，由于量子干扰效应，单个电子的位置难以确定，逻辑元件保存其数值为“0”或“1”特性的可靠性大大降低，致使计算机无法正常工作；与此同时成本又产生无法承受的增加，最终达到传统集成电路的极限。这样，便将电子器件逼入了原子（或单电子）器件的领域。现今微电子器件的结构基础是P-N结，而单电子器件的结构基础则是隧穿结。例如量子导线解决了一个极小的单分子可传导十分可观的电流的问题，从而解决了宏观材料必然存在电阻的问题。美国宾州大学Tour发明的分子导线结构如图3-20所示。分子线的一端为硫醇功能性基团（HS），它可与金属表面有良好的吸附作用，起着“鳄鱼夹”的作用，使分子中的电子单元与金属衬衫底联结，分子线为由乙炔链接的一系列苯环，其相互连接的链包含了若干位于结构平面的π电子，不同π电子间的轨道云彼此共轭，从而在整个导线长度上形成一个大的π轨道，使电子在其间流动。当其中的苯环不断重复时，分子线便得以延长。

图3-20　Tour 分子导线结构示意图

又如日本日立公司Y.Wada曾模拟了一个原子尺度的双态电子开关，被称为“原子中继”，如图3-21所示。其中相互垂直的“原子导线”被牢固地附着于衬底材料上，而一个未被牢固吸附的原子则可以往复变换位置，被称为“开关原子”。垂直原子线与场效应晶体管的栅极类似，称为开关栅极，当其中存有少量正电荷时，开关原子占据水平原子线中的空位，使电路能够传导电流，即处于“通”的位置（如图3-21（a）所示）；当下端重置栅极存有少量负电荷时，开关原子则离开线上的位置，从而使电路处于“断”的状态（如图3-21（b）所示）。由此可见，单个原子的运动成为纳米开关的基础。该原子开关的尺度约100nm数量级，开关速度大与原子本征振荡频率相当，约10⁻¹⁴秒，比半导体开关管高几个数量级。由于运转只耗费原子与衬底间的摩擦力，所以功耗极低。但是该开关仅工作于相当低的环境温度，当温度较高时，很容易从衬底原子线再发射一个开关电子（脱离衬底）致使开关特性产生畸变。

图3-21　日立公司建立的原子双态开关——原子中继模型

3．纳米材料光电子技术中的应用

由于硅微电子技术在信息传输及储存容量及处理速度等方面的电子瓶颈效应的限制，纳米光电子技术则显示出了突出的优势，在硅基纳米发光材料中具有里程碑意义的是：1990年英国Canham研究成功的多孔硅。该材料以硅作为阳极，在氢氟酸中进行电化学腐蚀，最终得到了具有纳米尺寸的多孔结构，从而使得通常在红外波段才发光的硅材料，获得了可见光波段，甚至紫外波段不同频率的发光效应。研究者认为，这是由于随着腐蚀条件的变化，其中多孔硅线及硅点的尺寸减小，造成量子化能量增加，才使得发光峰蓝移的。而德国Koch等人则认为，这是材料表面态的发光效应所起的作用，当对表面进行钝化等修饰处理后，则可改变多孔硅的发光特性。近期还有人将本身不发光的C₆₀分子嵌入多孔硅中，亦可观察到明显的光致发光现象。

目前，碳纳米管的场致发射性能很被平面显示业看好，它采用短金属纳米线阵列作为场致发射电子源，配以控制栅极和荧光屏构成，其结构如图3-22所示。硅纳米管场发射阵列与金集电极膜相垂直，阴极与阳极之间距离约2mm，由于不需要热电子发射及偏转线圈，从而大大降低了能耗；由于每个像素后面都具有高度定向性碳纳米管作为超微电子发射源，当施加较低偏压（约75v）时，纳米管金阴极尖端电子即直接穿越势垒离开阴极放电，获得相当大的放电电流（约1μA）。在传统材料1/10的电场强度下，可发射强度为100倍以上的电子束，目前的电视机都是利用电子枪向屏幕发射电子成像，当使用碳纳米管材料时，不但使屏幕图像更为清晰，还可使发射电极至屏幕间的距离大大缩短，特别有利于薄型壁挂式电视机的制作。2002年日本伊势电子成功制成15″大画面场发射碳纳米管显示器，亮度为10 000 Cd / cm²，30″彩屏亦即将问世。新型金属纳米线陈列（MNMA）平板显示器成为彩色电视、计算机监视器、示波器显示器和移动通信显示器的有力竞争对手已是不争的事实。它将成为液晶及等离子体平板显示器最具竞争性的对手，在光电产品领域的前景，将越来越“光明”。

图3-22　结构对比示意图

此外，为了使纳米结构的光学器件（如激光器）具有更高的发光效率，无论是量子点或量子线，光学跃迁的振子强度都会随着尺度下降而大大增强，并具有低阈值、高主功率和高速率的特征。由于除可见光外还具有紫外波段探测的特点，从20世纪90年代初期开始，以纳米尺度半导体材料GAN为核心的固体发光器件，将会改变自爱迪生以来的传统照明光源，而成为未来信息网络中的高性能光电和光子器件以及与新型微电子电路兼容的光电器件。

4．更快、更小、更冷、更智能化——未来计算机发展的四个层次

由于2010年将成为硅电子技术发展的一个物理极限，计算机正期待着向“更快、更小、更冷（即小功耗）、更智能”的方向发展，具体来说，纳米技术在未来计算机领域的应用将会出现以下四个层次：

（1）传统计算机的纳米化：电子式纳米计算机与超导纳米计算机

电子式纳米计算机仍然是利用电子运动对信息进行处理，即根据大量电子参与工作的统计平均规律考虑问题。而不是在很小的区域范围内研究有限的电子运动表现出的量子效应。当电子元件的开关速度不断增加到ns量级以及整个计算机体积进一步减小（如至3cm³）时，功耗和散热问题便更加突出，为此出现了利用约瑟夫逊隧道效应，由超导体-绝缘体-超导体构成的“约瑟夫逊器件”，当两端施加几乎为零的电压时，电子也会像穿过隧道一样地流通，其耗电量仅为半导体器件的千分之一（十亿分之一瓦），执行指令速度则提高近1000倍。日本电气技术研究所近期研究的世界第一台超声计算机，用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每块电路为3～5mm³，约集成1 000个约瑟夫逊元件。目前，其主要障碍是工作环境温度较低。

（2）光计算机

与传统硅瑟芯片计算机不同，1990年美国贝尔实验室David.Miller等推出了一台由光束替代电子束进行信息处理和储存的计算机。由激光器、透镜、反射镜、棱镜等组成，利用不同波长的光代表不同数据，被称为“光脑”。其功率取决于组成元件的排列密度和传播速度，而这两个方面光都是很理想的：光速为每秒30万千米，激光束对信息处理的速度为硅器件的1 000倍；光子传输不像电子需要专门的传导线；而光束相交时在不满足干涉的条件时不会相干，从而传输通道密度大得惊人，一块与分币大小相同的棱镜，可容纳现有全球电话、电缆总数的许多倍。目前，在光脑中许多关键技术，如光互连、光储存、光集成电路均已先后被突破，光脑的实用化指日可待。

（3）DNA和生物计算机

1994年11月美国南加洲大学Adleman博士等奇思妙想，以脱氧核糖核酸（DNA）碱基对序列（A，G，C，T）作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶（酶的内切、连接、聚合和外切等），使DNA碱基对的序列发生变化，而实现了数据运算的过程。如图3-23所示为DNA结构示意图。作者在《科学》杂志上公布DNA计算机的设想后，引起了世界性的轰动效应。从此计算机芯片从纯物理的模式拓宽至化学及生物性质的切割、复制、黏贴、插入和删除等多种方式。其优点在于出现了惊人的信息存储量和运算速度，1立方厘米的DNA溶液可存储1万亿亿次（10²⁰次）二进位制的数据，约10万亿张光盘，超过了目前全球所有计算机存储容量。更重要的是能耗仅为一台普通电子计算机的十亿分之一。

图3-23　DNA结构示意图

此外，人们还对蛋白质等的开关特性进行了研究，因为蛋白质亦具有开关特性；用蛋白质分子作为元件制成集成电路称为“生物芯片”。目前，已研制成功了“合成蛋白质芯片”、“遗传生成芯片”、“血红素芯片”等，由此构成的计算机也称为“生物电脑”或“智能电脑”。其另一不可忽视的特点是具有自我修复功能，并可移植至人体，甚至可与人脑相连，听从人脑指挥，还可从人体汲取营养，实现电脑无法做到的模糊思维和推理功能以及神经网络运算功能，至可修复人体器官，如使盲人复明、聋人复聪等。人们认为这是实现计算机智能化的主要突破口。

（4）量子计算机和分子计算机

这是一种完全采用量子器件的计算机，以处于量子状态的原子作为处理器内存，利用原子的量子特性变化来进行信息处理。由于原子在同一时间内具有处于两种不同状态的奇妙特性，从而使处于不同量子状态的原子分别代表“0”与“1”信息。这样，无论从数据的储存或处理的角度，其量子位的能力都会是其他器件的两倍。这就好像：假设一只老鼠要绕过一只猫，对于经典理论，要么向左绕过去，要么向右绕过去；而根据量子理论，它则可以同时从猫的左边或右边绕过去。所以与传统计算机不同，量子波相干计算机可以没有传统的外壳，而是像一个被其他物质包围的巨大磁场，不要用硬盘来实现信息储存，其基本单元就是原子和分子，具有极高的运算能力和速度。

对于一个具有5 000个量子位的量子计算机，大约可在30秒钟内解决传统计算机100亿年才能解决的因子分解问题。目前，中国科学院知识创新工程开放实验室、美国IBM公司分别研制成功4～5个量子位的演示用机，日本数据省至2010年则投资400亿日元进行研发。各国科学家正乐此不疲地专注这一工作，虽然尚需较长时间方能实用化，但谁又能够预料未来不会产生翻天覆地的变化，奇迹不会发生呢！？

5．纳米电子材料

如前所述，纳米材料是纳米科学的六大分支之一，而纳米科学的各种应用领域又是依靠纳米材料来实现的。一般而言纳米材料有两层含义：即纳米粉体材料和纳米固体材料。前者是指由具有尺寸为1～100nm颗粒制成的具有特异性能的材料，如传统尺寸粉体和纳米尺寸粉体制成的陶瓷性能就具有很大差异；后者则是指由纳米粒子构成的材料，包括三维中至少有一维具有纳米量级的材料，如零维的原子簇、一维的碳纳米管、二维的薄膜或涂层和由纳米微晶或纳米相构成的三维材料，其中包括将不同组分或不同结构的纳米微粒掺杂于块体材料中所形成的复合材料。

纳米颗粒材料是一种直接使用的纳米颗粒形态材料，如被称为“第四代催化剂”的超微细铁催化剂，在低温下它可将CO₂分解为碳和水；用20nm超细碳粉制成的磁带、磁盘的贮存信息单元可达4 000万/cm²；一种超微颗粒乳剂载体，极易与人体内癌细胞溶合，可制成“克癌生物导弹”。

碳纳米管在本章前面已有评述。颗粒纳米薄膜通常是选用几种在高温下不互熔的组元制成靶材，上通过蒸发或溅射工艺在基片上制成的纳米薄膜，如Cr-Cr₂O₃膜对太阳光有强烈吸收能力，可以高效地将太阳能转换成为热能；SnO₂颗粒膜则是一种多功能、高灵敏度气体湿敏传感材料，可通过改变工作温度选择性地检测多种气体的湿度。

纳米陶瓷则是一种三维结构纳米材料，一般是指具有纳米量级显微结构的陶瓷材料，其晶粒尺寸为1～100nm。能获得不同的优异性能，由于晶粒细化有助于晶粒间隙滑移而获得不易碎的超塑性能，美、德等国研制的PbO纳米超塑陶瓷的线拉伸率大于200%；日本制得的Al₂O₃纳米陶瓷强度可提高4倍达1.5Gpa；用纳米BN层包覆SiN陶瓷晶粒，可阻止晶粒长大，使用温度高于2000℃，可用做核反应堆容器；当ZrO₂陶瓷粉料尺寸为纳米级时，烧结温度可下降400℃，从而简化工艺降低成本。

6．纳米磁性材料

人们也许都知道，鸽子、蜜蜂、蝴蝶，乃至水中的一种细菌，都具有一种能辨别方向，甚至远隔千里都能回归的本领，这究竟是为什么呢？其实是因为这些生物体内存在着一种超细的磁性微粒，在大地磁场的作用下，具有趋磁效应的关系。经过研究人们发现，这种小到大约20nm的磁性氧化物颗粒的磁矫顽力约为块材的1000倍以上。而十分有趣的是，当微粒尺寸再减小至小于6nm后，矫顽力则重又下降，直至为0，这时表现出所谓超顺磁特性。人们利用这种特高磁矫顽力的纳米磁性颗粒材料制作于磁带、磁盘、磁卡、磁性钥匙等高储存密度记录磁粉已获得了十分满意的效果。而另一方面，具有超顺磁性的磁粉可广泛应用于具有密封、传动、无级变速装置的磁流变材料中。

上述纳米磁粉从20世纪80年代即已进入工业市场，至今仍充满活力。其应用类型大致分为：纳米软磁微晶、纳米永磁微晶、纳米磁记录材料、磁流变体、颗粒磁性薄膜等几个方面。纳米磁与常规晶体或非晶铁磁体均具有磁畴结构，畴间由畴壁相隔，铁磁体的磁化过程是通过畴壁的运动而实现的，纳米晶铁磁材料的每个晶粒一般只为一个磁畴，相邻晶粒间由于磁交互作用，向着各自接近的易磁化方向被磁化，从而具有较高的磁矫顽力，但由于其中晶粒取向混乱以及晶粒磁化的各向异性，又致使上述磁化交互作用只限于几个晶体的范围之内，这样，磁矫顽力的提高亦仅限制在某个限度之内。

1988年，在微晶磁性材料的研究中发现的一种新型巨磁电阻效应引起了人们的极大关注，开始了人们对不同磁场下磁电阻的变化规律的应用。所谓巨磁电阻（Giant Magneto-Resistance，GMR）效应是指当施加不同值外磁场后，由不同金属构成的纳米结构磁性材料的磁电阻发生了急剧变化（一般为减小），但变化率远远大于通常金属或合金磁（约为10%左右）的现象。目前，已在高密度读出磁头、磁存贮元件上广泛应用。据IBM公司1996年报道，可将磁盘记录密度提高近40倍，达11Gbit/in²。最近巨磁阻抗（Giant magneto-impendance，GMI）效应又被提出，这是指当高磁导率材料通以高频电流后，材料阻抗增大，且对外加直流电场异常敏感的现象。该两种效应不同之处在于，前者传感电流为直流，后者则为交流。利用GMI效应制成的磁头具有GMR磁的优点，它探测的是磁通量而不是磁通道量的变化，且与可被测面不相接触、无磁滞效应，从而具有更高灵敏度、更快响应速度和更小型化等优点。

7．纳米生物材料及医药材料

21世纪人类医药学进入了纳米保健时代，纳米技术将使基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官和攻克癌症顽疾等多个医药领域获得突破。近年来出现的纳米生物及医药材料五花八门、品种繁多、作用神奇、令人振奋。其中包括：采用基因控制及转移技术攻克遗传病；纳米机器人进入血管和心脏修补人体器官；“纳米生物导弹”可有识别地杀灭癌细胞，改变现有放疗、化疗“好人、坏人统统杀光”的缺陷；提取睡眠肽（S因子），可诱发人体进入睡眠状态以治疗失眠顽症；采用叠氮化物实现体内微爆破手术治疗结石，免除开刀痛苦；中药加工至纳米级微粒，可使理化性质和疗效发生惊人变化，具有极强靶向作用；生物芯片集成为密集分子微阵列，能在极短时间内进行大量生物成分分析，快速、准确提取生物信息，革命性地改革传统检测手段；对微生物、病毒结构与功能及其与宿主相互关系的研究，引发了分子生物学的发展与革命；无机纳米抗菌粉体对于细菌、真菌、病毒、酵母、霉菌、藻类都具有极强杀伤能力；具有磁化和去磁功能的高分子纳米磁球，可通过共聚、表面改性等手段使表面具有多种反应性功能基团，在外磁场作用下进行细胞分离，检测细胞肿瘤特异性抗原，从而对癌症作出精确的早期诊断；用复晶硅制成的微型马达，其齿轮大小近于一个细胞，注射人体内可运输和消除垃圾，消灭细菌。

所谓“生物技术药物”是指采用纳米技术利用重组的NNA技术，将生物体内基因在细菌、酵母、动物细胞中大量表达而生产的新型药物，如促红素（EPO）、人体胰岛素、干扰素、神经节脂氨、重组DNA酶等，一般不致使细菌产生耐药性，已成为抗生素的最好替代品。

8．纳米材料走进衣食住行

纳米材料如今再也不只是一个纯粹的技术术语，它已随着高新科技走进了老百姓的衣、食、住、行，无孔不入地渗透到人类生活的第二自然世界——人造物质世界。大自然的物质固然极其丰富，但人类生活尚需要更多自然界不存在或天然不可再生的新物质和新材料，比如制造电脑、光纤和太阳能电池需要的超高纯硅，纯度高达6～9个9，即99.9999%～99.9999999%；100%可降解的无污染塑料餐具；吸湿、防寒、耐热纤维和自清洁、自修补智能衣料等，纳米材料便可在其中施展其无所不能的魅力了。

比如，纳米计算机程控灵巧（Smart）纺织材料具有很多别开生面的奇妙特性，为人们的衣着带来很多意想不到的方便。其基本原理是用一种特制的“螺丝”将尺寸微细的多孔单元连接成为面料，用纳米马达通过计算机控制“螺丝”的松紧来调节微孔间隙，根据使用者的需要改变织物形状，并且十分贴身舒适，像皮肤般活动自如，还可不定期地采用特制的“微泵”，通过灵活的微管将冷却或受热介质输送至服装所需部位，并采用“螺旋桨”以孔的形式排列在只允许特定分子（为水分子）通过的半渗透膜中，用以调节湿度的保存或水分的蒸发程度。尚可采用类似螨虫的智能化装置定期将污物传送至收集器，并采用上述分子选择性薄膜，将水分子输送至一侧进行冲刷、清洗。检测器则可通过对应的记录，检测出材料的不连续性，再将智能化操作单元运送到需要修补之处，将破损处自动编织成形。

纳米科技引入饮食，能从根本上改变人们的饮食习惯。例如，属于原生生物界的微生物，大多数是对人类无害的，因此可以利用它加工促进健康的微生物食品，它具有为人体吸收的多种元素，并且美味可口，如“微生物面包”、“微生物饮料”、“微生物海鲜”等等。微生物青菜则是一种通过光合作用和细胞重组技术合成的，貌似青菜的无根人造食品，由细胞和纤维素、叶绿素人工培养形成。此外还有转基因食品，虽然是一种全新的食物结构，但丝毫不会影响身体健康，还能提高食欲。

陶瓷材料在通常情况下呈现脆性的缺点一直是美中不足，纳米陶瓷则由于其晶粒为纳米结构，具有特别大的比界面率，界面中原子排列相当杂乱，在承受冲击力时纳米粒子容易迁移，从而呈现良好的韧性和延展性，于是杯碗便不愁会被轻易摔碎。中科院化学所江雷教授首次提出的“超双亲性二元协同界面材料”技术可使材料表面既亲油又亲水，而“超双疏界面材料”技术则使表面既疏油又疏水。从而使玻璃幕墙、玻璃窗镜、瓷砖等可以自行清洁，眼镜、汽车挡风玻璃等自动防雾、防霜。“纳米水泥”则是一种使用微生物合成的纳米高分子材料，具有很高的黏合作用，可用来黏合砖块、钢筋和玻璃；而当与另一种特殊纳米融合材料作用后，又轻易将黏合剂化解，在建筑工业中很有发展前景。

最近科学家还提出了纳米微生物材料建筑高速公路的设想，即根据微生物生长和合成理论，使之在一定条件下大量生长和死亡，其“尸体”则是一种比石头更硬的物质，可用于代替水泥和沥青制作高速公路路面，既经久耐用，又可大量节约材料和能源。

据报道，2010年还将会出现由纳米材料制成的第四代薄如纸片的大屏幕液晶显示屏。具有高清晰度、无辐射、低耗电等特点。宏观的大自然存在着许多优美悦耳的声音和旋律，如鸟鸣水流、人歌乐奏等，在微观的纳米世界，分子和原子的运动何尝不会有另一番奇妙的旋律和音响呢？当我们用纳米录音装置将其录制并合成放大，呈现在人们耳畔的也许就是一曲令人振奋的纳米交响乐章！DNA纳米条码可将具有特殊信息的DNA纳米粒子嵌入产品，识别时使粒子分离并浓缩，再通过DNA解码机解读。纳米天线将电视信号加载到光纤传输的激光束中，接收终端由一系列碳纳米管构成，每个纳米管相当于一个高速二极管，从而将信号解调。这样，更清晰、更动人的纳米图像将会给人们显现出一幅多么美妙的画面啊！

9．纳米武器与未来战争

如果说传统的观点是“以大制小”的话，那么，未来战争将会出现一个“以小制大”的局面。今后如果还存在战争，将会进入“第四代”模式，即是一场智慧战争、科技战争、微型战争和绿色战争。纳米武器将会成为未来战争中的一个“新兵种”或“新军团”。

人们总结和预测未来战争的十大武器是：太阳能与粒子束武器、芯片武器、纳米武器、智能武器、隐身武器、基因武器、失能武器、攻心武器和绿色武器。其中很多都与纳米材料密切相关。

微观粒子武器包括高电源粒子产生装置、加速器和磁透镜，具有快速、高能、灵活、干净、全天候，可在极短时间摧毁目标的特点。芯片武器则在计算机中央处理器芯片上做手脚，具有隐蔽性、信息化、软杀伤的特点，可避免人员的重大伤亡。如在海湾战争中，美国“神斧”巡洋舰上安装的微波发生器，便曾干涉、破坏了伊军的C₃₁指挥系统。纳米武器运用纳米微机电装置，具有重组性、再生性、低成本，便于大量使用，比如“蚊子导弹”、“苍蝇飞机”、“间谍草”、“沙砾座探”、“蚂蚁士兵”、“带刺黄蜂”等等，它们往往体积很小、活动自如，可以侦察情报、处理信息，具有通信能力，还可自动定位、移动、越过障碍物，并能携带高能量导弹，足以销毁火炮、坦克，甚至飞机，且常常被大量使用，甚至可于每平方厘米安置5000个单体，如蛰伏于敌司令部、地下工事、驻军门窗，将防不胜防。失能武器也称非致命武器，专门干扰破坏武器装备、机动工具、C₃₁系统，如使装甲脆化、武器变质、轮胎软化等，人员则往往在短时间内肌肉僵直、失去理智，但不至死亡。攻心武器为机电一体化电化学系统，如采用强电磁脉冲或超声波、次声波流扰乱人的神经系统，使人体机能暂时紊乱。绿色武器也称“外科手术式打击”，即采用精确制导、红外成像、毫米波景象匹配等技术高精度自动识别目标，不致导致误伤，并采用钨弹头代替污染严重的铅弹头等，据报道，美国阿连特公司已生产出34亿发钨弹头枪弹。