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1、纳米材料的发展和应用 摘要:纳米技术是当令世界最有前途的决定性技术之一。对近年来国内外纳米技术和纳米材料的研究及发展情况进行概述,从纳米材料的定义开始,简单介绍了纳米材料的主要性能及其具体应用并探讨纳米技术和纳米材料的应用及其发展前景。 关键词:纳米技术;纳米材料;应用;进展引言：科学界普遍认为,纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机,其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌,纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。因此,近几年来,纳米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青睐。1. 纳米材料的定义纳米是长度单位,相对于宏观物质而言,纳米是一个很小的
2、单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约是10个原子并列的宽度。举例说明更加形象,例如,人的头发直径一般为7000 n m一8000 n m,人体红细胞的直径一般为3000 n m一5 000 n m,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。由此可见一斑。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1 n m一100 n m)或由它们作为基本单元构成
3、的材料,这大概相当于10一100个原子紧密排列在一起的尺度纳米材料分为纳米微粒和纳米固体,纳米微粒指单个纳米尺寸的超微粒子,纳米微粒的集合体称为纳米粉末或超微粉。纳米固体是由纳米微粒聚集而成的新型凝聚体,它包括二维的纳米薄膜和三维的纳米块体。物质的颗粒尺寸小于100 nm的超微粉末,它的比表面积很大,晶界处的原子数比率高达15%50%,这样的物质就可被称为纳米材料。纳米材料研究的内容包括两个方面1,2:(1)系统地研究纳米材料的性能、微观结构和波谱特性。通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论,发展完善纳米材料科学体系。(2)发展新型纳米材料。纳米尺寸
4、的合成为发展新材料提供了新途径,这就大大地丰富了纳米材料制备科学。2. 2.纳米材料的应用性能纳米材料包括纳米颗粒材料、纳米晶粒材料、纳米复合材料，其研究内容包括纳米材料的特性、制备及应用。在纳米材料中,纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。高浓度晶界及晶界原子的特殊结构将导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的显著改变。2.1表面效应众所周知,固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时,表面原子可以忽略;但当粒径逐渐接近于原子直径时,表面原子的数目及其作用就不能忽略,这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等急剧增加引起的种种特异
5、效应统称为表面效应、。由于纳米粒子表面原子数增多,其配位数不足和高的表面能,这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。例如,金属纳米粒子在空气中会燃烧,非金属纳米粒子在大气中会吸附气体并与气体进行反应。2.2体积效应由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少,相应的质量极小,因此,许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性等都有很大变化。其中有名的久保(Kubo)理论就是体积效应的典型例子。2.3量子尺寸效应当
6、纳米粒子的尺寸下降到某个阈值时,金属费米面附近电子能级将由准连续变为离散能级。半导体中将出现不连续的最高被占据的分子轨道能级,和最低未被占据的分子轨道能级,使得价带和导带之间的能隙增大,此种处于分离的量子化能级中的电子的波动性将发生突变而产生一系列特殊性质,这就是纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质,如高的光学非线性、特异的催化性质等。2.4力学性能效应由于纳米粒子细化,晶界或相界数量大幅度地增加,可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒,使得纳米材料在宏观上显示出
7、许多奇妙的特性。例如,纳米相铜强度比普通铜高5倍;纳米陶瓷、纳米金属间化合物的韧性极高,甚至已达到常规金属材料的水平,这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。此外,纳米材料还具有特殊的光学性质、电磁性质、化学和催化性能、热性质等效应。目前,世界上的材料有100万余种,而天然的材料只占约5%。这就是说人工合成材料在材料科学发展中占有重要地位。纳米尺度的合成为人们设计新型材料尤其是合成复合材料打开了大门。领域纳米微粒的特性,人们可以采用纳米微粒和纳米微粒的复合(0-0复合);纳米微粒与常规块体材料的复合(0-3复合);纳米微粒与纳米薄膜的复合(0-2复合)。这样人们可以把过去难以实现的有序相与无序相、
8、晶体与金属玻璃、铁磁相与反铁磁相、铁电相与顺电相结合在一起,制成有特殊性能的新型材料。纳米材料的发现者是著名的美国物理学家、两次诺贝尔奖金获得者R ichard Feynm en。他在60年代曾经预言:如果我们能控制物体微小规模上的排序,将获得很多具有特殊性能的物质。纳米材料的特殊结构使纳米材料的特殊性能产生四大效应:即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能,主要表现在具有极佳的力学性能,如高强、高硬和良好的塑性及韧性。另外纳米材料的(表面积g体积)比值很大,因此它具有相当高的化学活性,在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。
9、纳米材料的电学性能主要用于电极、导电浆料、量子器件、超导体、非线性电阻、压敏电阻、静电屏蔽等。3. 纳米材料的制备方法纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要的研究课题。它包括粉体、固体(含块体及薄膜)的制备。目前纳米材料的制备方法,以物料状态来分可归纳为固相法、液相法和气相法三大类。固相法中热分解法制备的产物易固结,需再次粉碎,成本较高;物理粉碎法及机械合金化法工艺简单、产量高,但制备过程中易引入杂质;气相法可制备出纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄而细的纳米微粒。20世纪80年代以来,开始采用不需要复杂仪器的液相法。目前纳米粉体材料的主要制备方法有:化学制备法(包括化学沉淀法、化学还
10、原法、溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热合成法、微乳液法、高温燃烧合成法、模板合成法、电解法等);化学物理合成法(包括喷雾法、化学气相沉积法、爆炸反应法、冷冻-干燥法、反应性球磨法、超临界流体干燥法、射线辐照还原法、微波辐照法、紫外红外光辐照分解法等);物理方法(包括蒸发冷凝法、激光聚集原子沉积法、非晶晶化法、机械球磨法、原子法等)。常见的纳米固体材料的制备方法有沉积法、镶嵌法、电镀法、粉末冶金法等。已用这些方法制备出纳米颗粒铜膜、稀土化合物荧光材料Y2O3Eu、有机高分子材料复合纳米材料、YF3-玻璃氟化物荧光玻璃等。近期又出现了一些新的制备方法,如溶剂热合成法、氢电弧法等我国用这些方法已制造出纳
11、米铜粉、纳米级金刚石微粉等。4. 纳米材料的发现及发展和应用前景世界各国纳米材料的发展前景：美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划(NN I),其宗旨是整合联邦各机构的力量,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月,美国国会又通过了21世纪纳米技术研究开发法案,这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划,从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域,并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源(人才、
12、资金、设备)的落实。为了推动纳米技术的发展,德国已建立起一个网络,将220个研究中心和大学研究所、450个中小企业以及114个大型企业连接在一起。德国工程师协会纳米专家巴赫曼评价道:“德国纳米技术研究在欧洲处于明显领先地位,并且具有很大潜力。”该协会的一份研究报告指出,在未来,除光学技术之外,纳米技术将是德国工业最关键的领域,它将使德国技术产品的出口更具竞争力。欧盟在20022007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域,有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳
13、米技术战略,目前,已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施:增加研发投入,形成势头;加强研发基础设施;从质和量方面扩大人才资源;重视工业创新,将知识转化为产品和服务;考虑社会因素,趋利避险。中国政府在2001年7月就发布了国家纳米科技发展纲要,并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图,确定中国在目前和中长期的研发任务,以便在国家层面上进行指导与协调,集中力量、发挥优势,争取在几个方面取得重要突破。186 1年,胶体化学的建立,对直径为1 n m一100 n m的粒子体系的研究工作已经在科
14、学界展开。1959年,理查德一费曼在美国物理学会会议上介绍了纳米技术的基本概念,会上,查德一费曼做了题为“在底部有很多空间”的演讲,虽未正式提出并使用“纳米”一词,但实质上已经涉及到了纳米的基本概念。20世纪60年代,对分立的纳米粒子进行研究正式开始。至19 63年,u yed制作出了金属纳米微粒,并对这一微粒进行了电镜和电子衍射研究。1974年,“纳米”正式被提出。提出这一概念的是日本教授谷口纪男,他在一篇题为:“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了纳米这一概念及解释。1982年,扫描隧道显微镜问世,扫描隧道显微镜是科学家发明研究纳米的重要工具,向世界展示了一个可见的原子、分子世界,扫描
15、隧道显微镜的出现,大大推动了纳米科技的发展。1984年,Glecter采用气体冷凝方法,制备成功铁纳米微粉。1990年7月,第一届国际纳米科技技术会议在在美国召开,这次大会正式宣布了纳米材料科学为材料科学的一个新分支。进入90年代后,许多国家先后投入巨资组织力量加强纳米科技研究。美国自1991年开始,把纳米技术列入“政府关键技术”,每年为此拨款3500万美元。19 91年,碳纳米管被美国科学家成功合成,碳纳米管被发现,其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,碳纳米管又被称作超级纤维,这一发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。欧盟在1995年发表的一份研究报告预测,今后10年内,纳
16、米技术的开发将成为仅次于计算机集成电路芯片制造的第二制造业。199 9年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。我国在90年代开始,科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院将纳米技术列入了重点研究计划。纳米技术就是在纳米尺度内,通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊性能,并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。当前纳米技术的研究领域集中在三个方面:第一,具有特殊性能的纳米材料和纳米结构研究,以及在改善传统材料综合性能方面的应用技术研究,如以纳米技术为依托,开发比现有的钢材强度高十倍,而比重大大低于钢材的新材料;第二,设计、制造新型纳米结构和器件以推动信息、能源、环境、医疗、农业以及航天技术的革新和发展,如信息技术中的新型存储、显示和运算器件;第三,纳米加工和纳米探测技术的实践应用,如能探测只有几个癌变细胞的手段等。由于纳米科技的一个重要特点,就是可以在纳米尺寸下对物质的分子、原子进行加工,所得到的纳米材料,将具备
