納米材料概況

納米材料概況發(fā)表日期：2007-08-0208:38瀏覽人數(shù)：718發(fā)表者：admin納米科學技術(shù)是20世紀80年代末剛剛誕生并正在崛起的，他的基本涵義是在納米尺寸（10-9?10-7mm）范圍內(nèi)認識和改造自然，通過直接操作原子和分子創(chuàng)制新的物質(zhì)和器件。納米科學技術(shù)是21世紀科技產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容之一，可以與工業(yè)革命相比擬，是包括物理、化學、生物學、材料科學和電子學的高度交叉的綜合性學科，它不僅包含以觀測、分析和研究為主線的基礎學科，同時還有以納米工程與加工學為主線的技術(shù)科學，所以納米科學與技術(shù)是一個融前沿科學與高技術(shù)為一體的完全體系。納米材料是納米科技領(lǐng)域最富有活力，研究內(nèi)涵十分豐富的學科分支，納米材料科學是原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學、固體化學、配位化學、化學反應動力學和表面、界面科學等多種學科交叉匯合而出現(xiàn)的新學科生長點。納米材料工程是在納米材料研究的基礎上通過納米合成、納米添加發(fā)展新型的納米材料，并通過納米添加對傳統(tǒng)材料進行改性，擴大納米材料的應用范圍。納米材料的發(fā)展歷史大致可分為三個階段：第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的性能。第二階段（1994年以前）研究熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。第三階段（1994至現(xiàn)在）重點在于納米組裝體系。人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們關(guān)注。納米材料分類作為納米材料，是將納米尺度范圍定義在1-100nm范圍。廣義地講，在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料都叫納米材料。按維數(shù)分，納米材料的基本單元可分為三類：（1）零維，指在空間三維方向均為納米尺度的顆粒、原子團簇等；（2）一維，指在空間有維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。（3）二維，指在空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜等。納米材料大部分都是人工制備的，但自然界中早就存在納米微粒和納米固體這樣的物質(zhì)。納米微粒的特性納米材料之所以受到人們的重視，是由于它有許多不同于大尺寸材料的特性，我們以納米微粒為例來加以說明。（1） 表面效應:隨著顆粒尺寸的減小，比表面大大增加，當粒徑為5nm時，表面將占50%，為2nm時，表面的體積分數(shù)可增加到80%。表面是原子排列不規(guī)則的區(qū)域，許多結(jié)合鍵失配，出現(xiàn)了大量的活性中心，表面臺階和粗糙度增加，因此納米微粒具有特別好的活性。金屬的納米粒子熔點下降，在空氣中會燃燒；無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應，如作為催化劑使用，粒徑30nm的竦粉可把有機化學加氫和脫氫反應速度提高15倍。（2） 小尺寸效應:當納米微粒的尺寸與光波波長、德布洛意波長、磁疇尺寸相當或更小時，就會導致材料的光、聲、磁、電等物理性能呈現(xiàn)新的小尺寸效應，如金屬納米材料的電阻隨尺寸減小而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至變?yōu)樨撝?；原是絕緣體的氧化物達到納米級，電阻反而減??；10-25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力可比相同的宏觀材料大1000倍，而一旦小于10nm矯頑力又變?yōu)榱?，成了順磁材?半導體硅，當尺寸達到納米級(6nm)時，在靠近可見光范圍內(nèi)，會有較強的光致發(fā)光現(xiàn)象等等。這些都表明物質(zhì)在這種尺度的凝聚態(tài)不同于一般的固體材料，量變引起了質(zhì)變。量子尺寸效應:當粒子尺寸下降到某一值時，電子的分布情況與塊體材料也不一樣了。塊體金屬材料中電子在準連續(xù)能級上的分布變成了納米材料中離散能級分布；對于半導體材料來說，原來的能隙寬度在變成納米材料時會變寬，這些都屬于量子尺寸效應。由于這種效應，金屬也可能變成絕緣體。眾所周知，Ag是最好的導體，但當銀微粒尺寸小于20nm時，Ag變成了絕緣體。納米復合材料納米復合材料大致包括三種類型：納米微粒與納米微粒復合(0-0復合)，納米微粒與常規(guī)塊體復合(0-3復合)及復合納米薄膜(0-2復合)。此外，有人把納米層狀結(jié)構(gòu)也歸結(jié)為納米材料，由不同材質(zhì)構(gòu)成的多層膜也稱為納米復合材料。這一類材料在性能上比傳統(tǒng)材料也有極大改善，已在有些方面獲得了應用。復合涂層材料:市場上大力宣傳的“納米洗衣機”、“納米冰箱”等，實際上是采用了納米涂層材料，這種材料具有高強、高韌、高硬度的特點，在材料表面防護和改性上有著廣泛的應用前景。如MoSi2/SiC復合納米涂層，經(jīng)500^,1小時熱處理，涂層硬度可達20.8Gpa，比碳鋼提高了幾十倍。超塑性陶瓷:用粒徑30nm的被Y2O3穩(wěn)定化的四方ZrO2，并加入20%Al2O3,制成的陶瓷材延伸率可達200%，具有超塑性。甚至有人做到了延伸率800%。這是由于納米材料燒結(jié)溫度低，燒結(jié)過程中速度快和有良好的界面延展性。高分子基納米復合材料:將經(jīng)高能球磨制成的納米品FexCu100-x粉體與環(huán)氧樹脂混合制成了具有極高硬度的類金剛石刀片。日本松下電器公司已研制成功樹脂基納米氧化物復合材料，其靜電屏蔽性能優(yōu)于常規(guī)樹脂基碳黑復合材料，而且可以根據(jù)氧化物類型改變顏色，在電器外殼涂料方面有廣闊的應用前景。利用納米TiO2粉體的紫外吸收特性可以制防曬膏和化妝品。磁性材料:由納米四方Fe14Nd2B顆粒和10?15nm的a-Fe粒子組成的復合材料具有高的矯頑力和高的剩余磁化強度。高矯頑力來源于Fe14Nd2B相很強的磁一晶各向異性和納米粒子的單磁疇特性。光學材料:純的A12O3和純的Fe2O3納米材料在可見光范圍是不發(fā)光的，但如果把納米A12O3和納米Fe2O3摻和到一起，獲得的納米粉體或塊體在可見光范圍藍綠光波段出現(xiàn)了一個較寬的光致發(fā)光帶，發(fā)光的原因是Fe3+離子在納米復合材料中所提供的大量低有序度界面所致。仿生材料:研究表明，動物的骨骼是由膠質(zhì)的基體與納米或亞微米的羥基磷灰石組成的一種復合體。納米或亞微米的羥基磷灰石起增強作用?？茖W家們已按照這樣的思路在實驗室中制造出了人造骨。以上只列舉了一些簡單的例子，目前納米復合材料的研究仍方興未艾。納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)體系是當前納米材料領(lǐng)域派生出來的含有豐富的科學內(nèi)涵的一個重要的分支學科。所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營造一種新的體系，包括一維、二維、三維體系。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程中的驅(qū)動力是靠外因還是靠內(nèi)因來劃分，大致可分為二類：一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系；二是納米結(jié)構(gòu)自組裝體系和分子自組裝體系。這種納米結(jié)構(gòu)仍具有納米微粒的特性，如表面效應，小尺寸效應、最子尺寸效應等；另外，由于納米結(jié)構(gòu)組合又引起了新的效應，且這種結(jié)構(gòu)體系很容易通過外場(電、磁、光)實現(xiàn)對其性能的控制。近年來，納米結(jié)構(gòu)體系和新的量子效應器件的研究取得了很多新進展，如量子磁盤的問世，使磁盤尺寸比原來的磁盤縮小了104倍，磁存儲密度卻達到了4X1011bit/in是目前光盤存儲量的400倍。這項技術(shù)已進入中試階段，預計2005年可實用化。還有如單電子品體管，納米陣列激光器，微型傳感器，納米磁開關(guān)等，雖然有些僅是實驗室的成果，但卻代表了納米材料發(fā)展的一個重要趨勢，是目前納米材料的發(fā)展前沿。人們將用自己制造的納米微粒、納米管、納米棒組裝起來營造自然界尚不存在的物質(zhì)體系，從而創(chuàng)造新的奇跡。另外，納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，把人們對納米材料呈現(xiàn)的基本物理效應的認識不斷引向深入。納米結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新規(guī)律又有利于人們進一步建立新原理，這為構(gòu)筑納米體系的理論框架奠定了物質(zhì)基礎。什么是納米材料？畜牧人1e({Aw'?&]2rAlAyAiAf8SAhAU.mg.AAT0 納米(nm)和米、微米等單位一樣，是一種長度單位，一納米等于十的負九次方米，約比化學鍵長大一個數(shù)量級。納米科技是研究由尺寸在0.1至100納米之間的物質(zhì)組成的體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術(shù)問題的科學技術(shù)。可衍生出納米電子學、機械學、生物學、材料學加工學等。畜牧人Uq,o8o8_2H0_AE-@畜牧人)lAm%rAiA}納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(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，界面占用相當大的成分。因此，納米材料具有多種特點，這就導致由納米微粒構(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)。納米體系使人們認識自然又進入一個新的層次，它是聯(lián)系原子、分子和宏觀體系的中間環(huán)節(jié)，是人們過去從未探索過的新領(lǐng)域，實際上由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過程中，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，對納米材料的研究將使人們從微觀到宏觀的過渡有更深入的認識。畜牧人3Q-\A~AjsARAtAGAxA:tAd:q7goAq8n0 納米材料的特點？畜牧人Aq"PA~x9bl+w5IAX.NAk*P8i'p0當粒子的尺寸減小到納米量級，將導致聲、光、電、磁、熱性能呈現(xiàn)新的特性。比方說：被廣泛研究的II-VI族半導體硫化鎘，其吸收帶邊界和發(fā)光光譜的峰的位置會隨著晶粒尺寸減小而顯著藍移。按照這一原理，可以通過控制品粒尺寸來得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究內(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，通過納米技術(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到幾百甚至上千平方米，這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機合成和環(huán)境保護等領(lǐng)域有著重要的應用前景。對納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強”這六個字來概括?！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。第一臺計算機需要三間房子來存放，正是借助與微米級的半導體制造技術(shù)，才實現(xiàn)了其小型化，并普及了計算機。無論從能量和資源利用來看，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。“更強”是指納米材料有著更強的力學性能（如強度和韌性等），對納米陶瓷來說，納米化可望解決陶瓷的脆性問題，并可能表現(xiàn)出與金屬等材料類似的塑性。6oAgL:J（'2SAg0畜牧人At3o）tAkAH#I納米材料的應用前景畜牧人,IAkAR.Kg3fd9vA@AJ'tA$IAhAj0 納米材料的應用前景是十分廣闊的，如：納米電子器件，醫(yī)學和健康，航天、航空和空間探索，環(huán)境、資源和能量，生物技術(shù)等。我們知道基因DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑約為幾十納米。用合成的品粒尺寸僅為幾納米的發(fā)光半導體品粒，選擇性的吸附或作用在不同的堿基對上，可以“照亮”DNA的結(jié)構(gòu)，有點像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔，借助與發(fā)光的“燈籠”，我們不僅可以識別燈塔的外型，還可識別燈塔的結(jié)構(gòu)。簡而言之，這些納米品粒，在DNA分子上貼上了標簽。目前，我們應當避免納米的庸俗化。盡管有科學工作者一直在研究納米材料的應用問題，但很多技術(shù)仍難以直接造福于人類。2001年以來，國內(nèi)也有一些納米企業(yè)和納米產(chǎn)品，如“納米冰箱”，“納米洗衣機”。這些產(chǎn)品中用到了一些“納米粉體”，但冰箱和洗衣機的核心作用任何傳統(tǒng)產(chǎn)品相同，“納米粉體”賦于了它們一些新的功能，但并不是這類產(chǎn)品的核心技術(shù)。因此，這類產(chǎn)品并不能稱為真正的“納米產(chǎn)品”，是商家的銷售手段和新賣點?，F(xiàn)階段納米材料的應用主要集中在納米粉體方面，屬于納米材料的起步階段，應該指出這不過是納米材料應用的初級階段，可以說這并不是納米材料的核心，更不能將“納米粉體的應用”等同與納米材料。畜牧人AlAfzQAk6n）o-cnARAeAg0y0A.~${6PAYACAyAN0下面我們選用幾副插圖來說明納米材料。/fAmA]-X1'AIAB0AAA?3qApuAJAu0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，比表面積能達到400m2/g，可能在吸附劑、光催化劑等方面有應用前景。4_0}5w-m-aAM0AmA@lA-oAo0圖二：品內(nèi)型納米復相陶瓷，顏色較淺的大品粒內(nèi)部有一些深色的顆粒，在陶瓷收到外力破壞時，這些品內(nèi)的深色顆粒像一顆顆釘子，抑制裂紋擴散，起到對陶瓷材料的增強和增韌作用。+_Ae-XATAf3H%TA[0aApAAqAP$T6KAC*m0圖三：二氧化鈦納米顆粒的透射電鏡照片。可以看出二氧化鈦僅為7納米左右。人們不僅要問：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？如此小的品粒用肉眼是看不到的，可以借助于電子顯微鏡來看。由于這些品粒聚集在一起，我們可以看到聚集后的粉體，