納米材料的定義

1、納米材料的定義、特點(diǎn)和應(yīng)用前景窗體頂端中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所     作者：張青紅窗體底端圖1圖2圖3     什么是納米材料？    納米(nm)和米、微米等單位一樣，是一種長(zhǎng)度單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，約比化學(xué)鍵長(zhǎng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。納米科技是研究由尺寸在0.1至100納米之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)?？裳苌黾{米電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)加工學(xué)等。    納米材料是指三維空間尺度至少有一維處

2、于納米量級(jí)(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小，界面占用相當(dāng)大的成分。因此，納米材料具有多種特點(diǎn)，這就導(dǎo)致由納米微粒構(gòu)成的體系出現(xiàn)了不同于通常的大塊宏觀材料體系的許多特殊性質(zhì)。納米體系使人們認(rèn)識(shí)自然又進(jìn)入一個(gè)新的層次，它是聯(lián)系原子、分子和宏觀體系的中間環(huán)節(jié)，是人們過(guò)去從未探索過(guò)的新領(lǐng)域，實(shí)際上由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)上有序度的變化，在狀態(tài)上的非平衡性質(zhì)，使體系的性質(zhì)產(chǎn)生很大的差別，對(duì)納米材料的研究將使人們從微觀到宏觀的過(guò)渡有更深入的認(rèn)識(shí)。    納米材

3、料的特點(diǎn)？    當(dāng)粒子的尺寸減小到納米量級(jí)，將導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱性能呈現(xiàn)新的特性。比方說(shuō)：被廣泛研究的II-VI族半導(dǎo)體硫化鎘，其吸收帶邊界和發(fā)光光譜的峰的位置會(huì)隨著晶粒尺寸減小而顯著藍(lán)移。按照這一原理，可以通過(guò)控制晶粒尺寸來(lái)得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究?jī)?nèi)容和可望得到新的用途。我們知道物質(zhì)的種類是有限的，微米和納米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的，但通過(guò)控制制備條件，可以得到帶隙和發(fā)光性質(zhì)不同的材料。也就是說(shuō)，通過(guò)納米技術(shù)得到了全新的材料。納米顆粒往往具有很大的比表面積，每克這種固體的比表面積能達(dá)到幾百甚至上千平方米，這使得它們可作為

4、高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機(jī)合成和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。對(duì)納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強(qiáng)”這六個(gè)字來(lái)概括?！案p”是指借助于納米材料和技術(shù)，我們可以制備體積更小性能不變甚至更好的器件，減小器件的體積，使其更輕盈。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要三間房子來(lái)存放，正是借助與微米級(jí)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，才實(shí)現(xiàn)了其小型化，并普及了計(jì)算機(jī)。無(wú)論從能量和資源利用來(lái)看，這種“小型化”的效益都是十分驚人的?！案摺笔侵讣{米材料可望有著更高的光、電、磁、熱性能?！案鼜?qiáng)”是指納米材料有著更強(qiáng)的力學(xué)性能(如強(qiáng)度和韌性等)，對(duì)納米陶瓷來(lái)說(shuō)，納米化可望解決陶瓷的脆性問(wèn)題，并可能表現(xiàn)出與金屬等材料類似的塑性

5、。    納米材料的應(yīng)用前景    納米材料的應(yīng)用前景是十分廣闊的，如：納米電子器件，醫(yī)學(xué)和健康，航天、航空和空間探索，環(huán)境、資源和能量，生物技術(shù)等。我們知道基因DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑約為幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅為幾納米的發(fā)光半導(dǎo)體晶粒，選擇性的吸附或作用在不同的堿基對(duì)上，可以“照亮”DNA的結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔，借助與發(fā)光的“燈籠”，我們不僅可以識(shí)別燈塔的外型，還可識(shí)別燈塔的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)而言之，這些納米晶粒，在DNA分子上貼上了標(biāo)簽。 目前，我們應(yīng)當(dāng)避免納米的庸俗化。盡管有科學(xué)工

6、作者一直在研究納米材料的應(yīng)用問(wèn)題，但很多技術(shù)仍難以直接造福于人類。2001年以來(lái)，國(guó)內(nèi)也有一些納米企業(yè)和納米產(chǎn)品，如“納米冰箱”，“納米洗衣機(jī)”。這些產(chǎn)品中用到了一些“納米粉體”，但冰箱和洗衣機(jī)的核心作用任何傳統(tǒng)產(chǎn)品相同，“納米粉體”賦于了它們一些新的功能，但并不是這類產(chǎn)品的核心技術(shù)。因此，這類產(chǎn)品并不能稱為真正的“納米產(chǎn)品”，是商家的銷售手段和新賣點(diǎn)?，F(xiàn)階段納米材料的應(yīng)用主要集中在納米粉體方面，屬于納米材料的起步階段，應(yīng)該指出這不過(guò)是納米材料應(yīng)用的初級(jí)階段，可以說(shuō)這并不是納米材料的核心，更不能將“納米粉體的應(yīng)用”等同與納米材料。    下面我們選用幾副

7、插圖來(lái)說(shuō)明納米材料。    圖一：二氧化鈦納米管。多種層狀材料可形成管狀材料，最為人們所熟悉的是碳納米管。圖一為二氧化鈦納米管的透射電鏡照片，這種管是開口、中空管，比表面積能達(dá)到400m2/g，可能在吸附劑、光催化劑等方面有應(yīng)用前景。    圖二：晶內(nèi)型納米復(fù)相陶瓷，顏色較淺的大晶粒內(nèi)部有一些深色的顆粒，在陶瓷收到外力破壞時(shí)，這些晶內(nèi)的深色顆粒像一顆顆釘子，抑制裂紋擴(kuò)散，起到對(duì)陶瓷材料的增強(qiáng)和增韌作用。    圖三：二氧化鈦納米顆粒的透射電鏡照片?？梢钥闯龆趸亙H為7納米左右。人們不僅要問(wèn)：如此小的納米顆粒肉眼能否看到？商家提供的“納米粉體”能看得到嗎？如此小的晶粒用肉眼是看不到的，可以借助于電子顯微鏡來(lái)看。由于這些晶粒聚集在一起，我們可以看到聚集后的粉體，除了能感覺到“納米粉體”更膨松外，不借助科學(xué)的表征方法，我們難以區(qū)別它們。    在材料科學(xué)家和其他科學(xué)家經(jīng)過(guò)不懈努力后，取得了重大突破，在一些先進(jìn)國(guó)家相繼建立了受控聚變實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。更令人興奮的是，受控核聚變經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的努力，它的科學(xué)可行性已由現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推確認(rèn)，