引言
1959年，物理学家理查德·费曼在美国物理学会的一次会议上首次引入了纳米技术这个概念。1974年，东京大学教授谷口纪男创造了“纳米技术”一词。纳米技术是在分子或原子水平上对物质进行操纵，以产生具有新的特性的新型材料和设备。当表面积与体积之比急剧增加时，物质的行为会发生重大变化，此时，材料的行为是量子法则，而不是传统物理学的范畴。这一事实赋予了纳米结构材料新的能力和特性，这些能力和特性可能比一些传统材料更受青睐。
一．纳米材料
1.1什么是纳米材料
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料，其尺寸介于分子、原子与块状材料之间，通常泛指1-100nm范围内的微小固体粉末。纳米材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料，它是以组成纳米材料的结构单元——晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的。目前，国际上将处于1-100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称为纳米材料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。
纳米材料中，特别是量子结构（如量子点、量子线、量子阱等）由于具有“量子限域效应”，其非线性光学性质和光发射性能优于体相材料，因此在光电子学方面有很大的潜力。量子结构可用于制作高效率的发光二极管（LED）、激光器、太阳能电池等器件。
1.2纳米材料的分类
纳米技术的现状是使各种纳米结构材料的制造和对其特性的制定成为可能。空间维度的减少，或粒子或准粒子在结构内特定晶体方向上的限制，通常会导致在该方向上的物理性质发生变化。多数情况下，纳米结构材料和系统的分类取决于纳米范围尺寸的数量。
(1) 零维结构。限制在三维空间的系统被认为是零维结构。他们由几十到几百纳米大小的颗粒组成。纳米材料具有较大的表面积与体积之比，这赋予了他们与其整体特性相比更强的新特性。在各种基质中使用纳米粉末可以创造出新型复合材料，如耐紫外线的塑料、更有效的药物和催化剂。
(2) 一维结构。局限于二维的系统被归类为一维结构。最流行的一维结构是纳米管。纳米管是中空的圆柱体，其壁由单层或者多层原子片组成，其直径在几纳米范围内。第一个被发现的一维结构由碳原子组成，但很快，其他元素的纳米管也被开发出来了。另一种一维结构是纳米线，圆柱形的结构，直径为几纳米，纳米线则不是中空的。
(3) 二维结构。局限于一维的系统被归类为二维结构。它是已知的最薄的材料，这意味着它也拥有所有材料中最高的比表面积。它具有高度多样化的化学、机械、光学、生物相容性和生物降解性，使其适用于多种应用。如纳米结构膜，具有过滤液体或气体分子的能力。这些膜允许分子穿透它们并有助于化合物的形成。通过定制，可使特定大小的分子进行选择性过滤。
1.3纳米材料的光学特性
纳米材料的光学特性是比较重要的特性，可通过使用各种光学测量，特别是光谱技术来表征，如紫外-可见光谱。在小纳米团簇中，其电子结构中的维度减少对最高占有的分子轨道和最低未占据分子轨道的能量具有最深远的影响。当电子在这两种状态之间发生跃迁时，就会出现发射和吸附等光学特性。半导体和许多金属的光学特性随粒径的变化而变化。一个简单的例子就是各种纳米粒子溶液的颜色随着尺寸的增加，金胶体悬浮液的颜色会发生改变，其颜色从红色变为黄色。
二．纳米材料的光学应用
纳米材料的光学性质可以通过改变大小、形状、组成和表面功能来调节，从而实现对不同目标物质（如金属离子、阴离子、小分子、药物、农药、爆炸物、生物分子等）的选择性检测和响应。纳米材料的光学应用有很多，本文主要选取光学传感、生物传感、诊断和治疗领域来做简单介绍。
2.1光学传感
纳米材料光学传感是一种利用纳米材料的光学性质来检测和响应目标物质的变化的技术。纳米材料光学传感有很多有点，比如快速、简单、低成本、高特异性和灵敏度等。纳米材料光学传感可根据不同的光学效应分为不同的类型，比如：
(1) 荧光传感：利用纳米材料的荧光发射或猝灭来检测目标物质。
(2) 表面增强拉曼散射（SERS）传感：利用纳米金属表面对拉曼信号的放大作用来检测目标物质。
(3) 表面等离子体共振（SPR）传感：利用纳米金属表面对入射光波长和角度的敏感反应来检测目标物质。
(4) 其他类型，如表面等离子体偏振（SPP）、表面增强荧光（SEF）、表面增强非线性光学（SENLO）等。
2.2生物传感
纳米生物传感是将纳米技术与生物传感相结合的一种新兴领域，它可以用于检测生物分子、细胞和细胞组织的变化，为医学诊断、药物研发、食品安全、环境监测等领域提供了一种高灵敏度、高选择性和实时性的检测手段。以下是一些纳米生物传感的应用：
(1) 药物研发：纳米传感器可以用于监测药物在体内的分布、代谢和排泄，以评估其安全性和疗效。此外，纳米传感器还可以用于筛选药物靶点和研究药物机理。
(2) 食品安全：纳米传感器可以用于检测食品中的致病菌、重金属和农药等有害物质，以保障食品安全。
(3) 环境监测：纳米传感器可以用于检测环境中的有害物质，如大气中的污染物和水中的重金属、有机物等，以保障环境安全。
(4) 生物成像：纳米材料可以作为生物成像的探针，可用于高分辨率的生物成像，如癌细胞的成像、神经元的成像等。
2.3诊断和治疗
纳米诊断和治疗是利用纳米技术和纳米材料来开发新型医疗工具和治疗方法的领域，在医疗领域中具有广泛的应用前景，可以为人类带来更高效、更安全、更便捷的医疗服务。
(1) 纳米粒子药物输送：利用纳米材料作为药物的载体，可以将药物送到病灶部位，从而实现更高效的治疗效果。
(2) 纳米生物传感器：利用纳米材料和生物分子的相互作用，可以开发出高灵敏度、高选择性的生物传感器，用于快速检测疾病标志物。如可以使用纳米传感器检测血液中的肿瘤标志物，以早期诊断肿瘤。
(3) 纳米影像诊断：利用纳米粒子作为造影剂，可以提高医学影像的分辨率和对比度，从而提高诊断准确性。
(4) 纳米光疗法：利用纳米材料对光的敏感性，可以在光照射下引发局部的化学反应，从而实现对病灶的治疗。
(5) 纳米组织工程：利用纳米材料和生物材料相结合，可以开发出仿生组织和器官，用于修复和替代受损组织和器官。
需要认识到，纳米材料光学技术的具体应用和相关产品，并不是只能局限于某个行业，而是可以跨越多个领域，展现出广阔的发展前景和巨大的市场潜力。
三．纳米材料技术的未来
纳米技术被认为是近些年来发展最快的科学之一。这项新技术的巨大的潜力立即得到了学术界和工业界的认可。纳米技术有能力影响现代生活中的许多领域，赋予它彻底改变我们做事方式的力量，如在本文第二章内容所讲的光学传感、生物传感、诊断和治疗等领域和技术上，都有可能得到更进一步的发展。
但还需了解到，纳米技术可能会为未来带来许多风险和危险。人类总是滥用技术来开发破坏性的东西，例如武器、威胁各级隐私的探测系统等。这是对人类安全的严重危害，还会引起社会、伦理和安全方面的问题。一个事物均具有两面性，纳米材料技术是非常有前景的，但忽视它的负面问题且不去处理，则是不明智的做法。可以肯定的说，纳米材料技术一定会改变我们以后的生活方式。
四．结语
纳米技术对人类生活各个领域的影响是深远的，本文主要介绍了纳米材料以及其在光学领域中的一部分应用，并且对纳米材料技术的前景和未来发展做了简单的分析探讨。相信正确使用这项技术，将在医学、工业、电子、日常用品等多种领域取得非凡的成就。
参考文献：
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[2] Pankaj Bharmoria, Sónia P. M. Ventura Nanomaterials for Healthcare, Energy and Environment, 2019, Volume 118.
[3] 中国科学院.纳米材料的定义、特点和应用前景[EB/OL].https://www.cas.cn/zt/kjzt/kpf/xcl/200307/t20030704_1711355.shtml，2003-07-04.
