納米材料的綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上xx學(xué)院材料與文明學(xué) 號：xxxxxxxxx專 業(yè)：xxxxxxxxx學(xué)生姓名：xxxx任課教師：xxxx 納米材料的綜述 摘 要：納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚愛好。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來，它在化工、催化、涂料等領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。關(guān)鍵詞：納米材料 性能 應(yīng)用領(lǐng)域 制備工藝 納米尺寸開辟科學(xué)新領(lǐng)域

2、，介紹納米的神奇特性及在生活中的應(yīng)用。人類對物質(zhì)世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無限小和無限大兩個(gè)物質(zhì)尺寸去認(rèn)識物質(zhì)，使人們了解到世界是物質(zhì)的。物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的，原子、分子是保持物質(zhì)化學(xué)、特性的最小微粒。這為人類認(rèn)識世界、改造世界推進(jìn)科學(xué)的向前發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了一個(gè)個(gè)的科學(xué)原理和定理，推動了人類生產(chǎn)和生活的不斷向前發(fā)展。隨著科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米尺度以后，大約在1100納米這個(gè)范圍空間。物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能的物質(zhì)構(gòu)成的材料，即為納米材料。過去，人們只注意原子

3、、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認(rèn)識到這個(gè)尺度的范圍的性能。第一個(gè)真正認(rèn)識到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家。他們發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電，導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電，也不導(dǎo)熱。材料在尺寸上達(dá)到納米尺度，大約是在1100納米這個(gè)范圍空間，就會產(chǎn)生特殊的表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)等及由這些效應(yīng)所引起的諸多奇特性能。擁有一系列的新穎的物理和化學(xué)特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應(yīng)用價(jià)值1。1. 納米與納米材料的基本概念 “納米”是英文nanometer的譯名。納米是一

4、個(gè)長度單位，是一個(gè)比微米小得多的計(jì)量單位。1納米，即1nm=10-9m，也就是十億分之一米，約相當(dāng)45個(gè)原子串在一起的長度。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)2。2. 納米材料的性質(zhì)2.1 納米材料的特性納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，導(dǎo)致了高擴(kuò)散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)、燒結(jié)溫度降低、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性增強(qiáng)。因此納米材料與同組成的微米晶體材料相比，

5、在力、磁、電、熱、光等方面有許多奇異的性能3，因而成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。2.11 力學(xué)性質(zhì) 納米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí)，其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。2.12 磁學(xué)性質(zhì)當(dāng)代機(jī)硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應(yīng)法

6、讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料，在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用4。2.13 電學(xué)性質(zhì)由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn)，有可

7、能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2.14 熱學(xué)性質(zhì)納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。2.15 光學(xué)性質(zhì)納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應(yīng)和光過濾中應(yīng)用廣泛。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜一般存在藍(lán)移現(xiàn)象5，其光吸收率很大，所以可應(yīng)用于紅外線感測器材料。2.2 納米材料的特殊效應(yīng)納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。納米材料是指由極

8、細(xì)晶粒組成，特征維度尺寸在納米量級（1100nm）的固態(tài)材料。由于極細(xì)的晶粒，大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)6等。2.21 表面與界面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如下圖所示：從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性7。2.

9、22 小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅8顆粒在20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電。2.23 量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一

10、這種粒子，水就會變得完全不透明9。2.24 納米材料的體積效應(yīng)由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。2.25 宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。3. 納米材料的廣泛應(yīng)用與傳統(tǒng)晶體材料相比，納米材料具有高強(qiáng)度硬度、高擴(kuò)散性、高塑性韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學(xué)性能

11、環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁記錄、特殊導(dǎo)體、分子篩、超微復(fù)合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結(jié)助劑、潤滑劑等領(lǐng)域。納米材料的諸多優(yōu)異性，可能在光電器件、靈敏傳感器、隱身技術(shù)、催化、信息儲存等廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。包括在建筑、化工、紡織、汽車和環(huán)保10等行業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3.1 納米材料在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度

12、的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布11、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。雖然納米陶瓷還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機(jī)部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。 3. 2 納米材料在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）12陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子

13、或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。目前，利用納米電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運(yùn)動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。其獨(dú)特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)13線材等領(lǐng)域。3. 3 納米材料在生物工程上的應(yīng)用眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材

14、料，每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動過程中以可預(yù)測方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲的作用?？茖W(xué)家們認(rèn)為14：要想提高集成度，制造微型計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于尋找具有開關(guān)功能的微型器件。納米計(jì)算機(jī)的問世，將會使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。3. 4 納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)的發(fā)展，使

15、微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對地偵察15。3. 5 納米材料在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粒子作為光催化劑，有著許多優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多，則化學(xué)反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。目

16、前，工業(yè)上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-體系），已經(jīng)取得了很好的效果。納米靜電屏蔽材料，是納米技術(shù)的另一重要應(yīng)用。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹脂摻加碳黑噴涂而成，但性能并不是特別理想。為了改善靜電屏蔽材料的性能，利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3 、TiO2 、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。另外，氧化物納米微粒的顏色各種各樣，因而可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性，而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印

17、刷油墨，制作固體潤滑劑等16。3. 6 納米材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用隨著納米技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)上該技術(shù)也開始嶄露頭腳。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久的將來，被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命。3. 7 納米材料在分子組裝方面的應(yīng)用目前主要是進(jìn)行納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料的研究。雖

18、然已經(jīng)取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關(guān)。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團(tuán)聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術(shù)深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學(xué)與主客體模板化學(xué)，超分子化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，正在成為組裝與剪裁，實(shí)現(xiàn)分子手術(shù)的主要手段?？茖W(xué)家們設(shè)想能夠設(shè)計(jì)出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內(nèi)生成并穩(wěn)定存在。3. 8 納米材料在其它方面的應(yīng)用利用先進(jìn)的納米技術(shù)，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人-機(jī)對話并具有自我復(fù)制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個(gè)操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機(jī)

19、器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報(bào)，使目標(biāo)喪失功能。利用納米技術(shù)還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機(jī)制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料17，用作燃料汽車的燃料"儲備箱"。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。4. 納米材料的制備方法4.1物理制備方法4.11機(jī)械法機(jī)械法有機(jī)械球磨法、機(jī)械粉碎法以及超重力技術(shù)。機(jī)械球磨法

20、無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng),使大晶粒變?yōu)樾【Я?得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機(jī)械粉碎法是利用各種超微粉機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當(dāng)于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強(qiáng),從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應(yīng)用超重力技術(shù)制備粒徑20nm80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。 4.12氣相法氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、

21、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應(yīng)、等離子體、激光、束、電弧感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達(dá)到過飽和狀態(tài),然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護(hù)下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm50 nm范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進(jìn)行快速蒸發(fā),使組分偏析最小,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下,材料極大程度地發(fā)生塑性變形,而使尺寸細(xì)化到納米量級。有報(bào)道,82mm的G

22、e在6GPa準(zhǔn)靜壓力作用后,再經(jīng)850熱處理,納米結(jié)構(gòu)開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900時(shí),晶粒尺寸迅速增大至400nm。 4.13磁控濺射法與等離子體法濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發(fā)生變化。目前,濺射技術(shù)已經(jīng)得到了較大的,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發(fā),蒸汽

23、達(dá)到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產(chǎn)物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。 以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法,這些制備方法基本不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),因此,在控制合成不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料時(shí)具有一定的局限性。4.2化學(xué)制備方法4.21溶膠凝膠法溶膠凝膠法的化學(xué)過程首先是將原料分散在溶劑中,然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體,活性單體進(jìn)行聚合,開始成為溶膠,進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應(yīng),生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制

24、在2nm-5nm之間。Marcus Jones等以CdO為原料,通過加入Zn(CH3)2和SSi(CH3)32制得了ZnS包裹的CdSe量子點(diǎn),顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產(chǎn)率(quantum yield,QY)為13.8%。 4.22離子液法離子液作為一種特殊的有機(jī)溶劑,具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),如粘度較大、離子傳導(dǎo)性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發(fā)性,不易造成環(huán)境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結(jié)構(gòu)的一種良好介質(zhì)。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質(zhì)中合成出了大小均勻的、尺寸

25、為3m5m的Bi2S3納米花。他們認(rèn)為溶液的pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對納米花的形貌和晶相結(jié)構(gòu)有很重要的影響。他們證實(shí),這些納米花由直徑60nm80 nm的納米線構(gòu)成,隨老化時(shí)間的增加,這些納米線會從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅(qū)原料,以離子液為反應(yīng)介質(zhì),合成了單晶Bi2S3納米棒。 4.23溶劑熱法 溶劑熱法是指在密閉反應(yīng)器(如高壓釜)中,通過對各種溶劑組成相應(yīng)的反應(yīng)體系加熱,使反應(yīng)體系形成一個(gè)高溫高壓的環(huán)境,從而進(jìn)行實(shí)現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅(qū)體BiS2P(OC8H17)23作反應(yīng)物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交

26、晶系Bi2S3納米棒,且該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)。Liu等用Bi(NO3)35H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,采用溶劑熱法在高壓釜中160反應(yīng)24-72 h制得了長達(dá)數(shù)毫米的Bi2S3納米帶。 4.24微乳法微乳液制備納米粒子是近年發(fā)展起來的新興的研究領(lǐng)域,具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優(yōu)點(diǎn)。1943年Hoar等人首次報(bào)道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發(fā)地形成一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系,體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成,并將這種體系定名微乳液。自那以后,微乳理論的應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展。1982年,Boutonnet等人應(yīng)用微乳

27、法,制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料,由于它獨(dú)特的工藝性能和較為簡單的實(shí)驗(yàn)裝置,在實(shí)際應(yīng)用中受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。5. 納米材料的前景展望 經(jīng)過幾十年對納米技術(shù)的研究探索，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室操縱單個(gè)原子，納米技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤4大領(lǐng)域高速發(fā)展。可以預(yù)測：不久的將來納米金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復(fù)合物、納米光子晶體將應(yīng)運(yùn)而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學(xué)組裝機(jī)將投入應(yīng)用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機(jī)器人、集

28、成生物化學(xué)傳感器18等將被研究制造出來。納米技術(shù)目前從整體上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段，當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國家。納米技術(shù)對我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)人類社會將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革19。結(jié) 論挑戰(zhàn)嚴(yán)峻，機(jī)遇難得，我們必須加倍重視納米科技的研究，注意納米技術(shù)與其它領(lǐng)域的交叉，加速知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，為21世紀(jì)中國經(jīng)濟(jì)的騰飛奠定雄厚的基礎(chǔ)。當(dāng)前我國納米科技發(fā)展的主要任務(wù)是：加強(qiáng)納米科技前沿的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)性工作；突破一批納米科技發(fā)展共性關(guān)鍵技術(shù)；開拓納米材料和器件的應(yīng)用，培育相關(guān)產(chǎn)業(yè)；建設(shè)國家納米科技基礎(chǔ)設(shè)施和研究開發(fā)基地；建設(shè)高素質(zhì)的納米科技骨干隊(duì)伍。參考文獻(xiàn)：1 趙清榮：雷達(dá)與對抗J，2001，（3）：20-232