纳米材料综述[1]

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1、 1 / 7纳米材料综述纳米材料综述田力田力 学号：学号：2008308100820083081008 指导老师：唐世洪指导老师：唐世洪 ( (吉首大学凝聚态物理研究所吉首大学凝聚态物理研究所 416000)416000)【摘要摘要】 本文综述了纳米材料的发展、种类、结构特性、目前应用状况和相关的应用前景，并对我国和国际目前的研究水平和投入做了对比分析。【关键词关键词】 纳米、纳米技术、纳米材料、纳米结构【AbstractAbstract】This paper reported the development of nano-materials, the type of them and th

2、e characteristic of structure, the foresight development and applications are illustrate. Finally, we make a comparative analysis between our research and internationals in level and the input.【KeyKey WordsWords】nanometer, nanotechnology, nano-materials, nanostructure.1 1 引言引言著名科学家费曼于 1959 年所作的在底部还有

3、很大空间的演讲中，以 “由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组 装，以达到设计要求。他说道， “至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子 一个原子地制造物品的可能性。 ”并预言， “当我们对细微尺寸的物体加以控制 的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。 ”1 1974 年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982 年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气 和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展 产生了积极促进作用。 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴 尔的摩举

4、办，标志着纳米科学技术的正式诞生。22 2 纳米知识介绍纳米知识介绍2.12.1 纳米纳米 纳米（Nanometer） ，是一种长度单位，即 1 米的十亿分之一，单位符号为 nm。2.22.2 纳米技术纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互 作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最 终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能 的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为 3 个阶段：第一阶段(1990 年即在召开“Nano 1”以前)主要是在

5、实验室探索各种纳米 粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米2 / 7材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990 年1994 年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： 纳米微粒与纳米微粒复合(0-0 复合)， 纳米微粒与常规块体复合(0-3 复合)， 纳米复合薄膜(0-2 复合)。 第三阶段(从 1994 年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结 构的体系的研究。2.32.3 纳米材料纳米材料 用纳米这么小的微粒制成的材料就是纳米材料。和宏观材料迥然不同

6、，它 具有奇特的光、电、磁、热和力、化学等方面的性质。图 1 纳米颗粒材料 SEM 图对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，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；二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料 的纳米修饰与改性。目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在 大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化 。2.42.4 纳米结构纳米结构以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的新体系。它不仅 具有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性

7、。 Gleiter 认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合， 纳米材料具有大量界面，晶界原子达 15%一 50%。可以利用 TEM、X 射线、中子 衍射和一些其它方法来表征纳米材料及其结构。对于纳米材料晶界的结构有三 种不同的理论: （1） Gleiter 的完全无序说。3这种假说认为纳米晶粒间界具有较为 开 放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序，3 / 7又无短程有序。 （2）Seagel 的有序说。4有序说认为晶粒间界处含有短程有序 的结构单元，晶粒间界处原子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能 量的最低状态;（3）叶恒强、吴希俊

8、的有序无序说。5该理论认为纳米材料晶 界结构受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化。6-93 3 目前应用目前应用3.13.1 碳纳米管碳纳米管 1991 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强 度却是钢的 10 成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为， 纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关 以及纳米级电子线路等。10-11图 2 聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸盐（PAH/PSS）纳米管 SEM 和 TEM 图3.23.2 碳纳米秤碳纳米秤 1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世

9、 界上最小的 “秤” ，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重 量。 其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。在这个例子中，弹簧 就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米 管自由端顶部的微小质量 。4 / 7图 3 碳纳米秤3.33.3 纳米发电机纳米发电机 2004 年 2 月欧洲科学院院士，国际固体微结构分析与信息功能材料方面的 著名专家王中林，和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单晶 体纳米带环绕而形成的封闭式环形纳米结构，成果发表在科学杂志。 2005 年 9 月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结 构，开拓

10、功能氧化物钠米结构研究与应用的新领域。 2006 年 4 月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换 成电能，研制出世界上最小的发电机纳米发电机。12-13图 4 （ A）在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。 （B）在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。 （C）当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放形成的三维电压/电流信号图。5 / 74 4 国际纳米材料发展投入和国内水平的对比国际纳米材料发展投入和国内水平的对比纳米科学与技术在二十世纪九十年代初期在世界发达国家蓬勃发展，西方 发达国家对纳米科学与技术的研发投入逐年增加，竞争

11、也进入白热化。以高新 技术为导向的美国正是看到了纳米材料的无限潜力，近年将纳米科学技术的研 发作为科技政策的重点，于 2000 年宣布实施“国家纳米计划” ，每年的纳米科 技研发投入都在增长，截至 2007 年初共投入五十六亿美元用于纳米科学技术的 研发。14-15 日本通产省实施为期年的“纳米材料工程”计划，每年投资达亿日 元。日本科技厅设立“纳米材料研究中心” ，集中数百名专家进行研究开发。日 本文部科学省也实施“纳米技术综合支援计划” ，以最大限度发挥各科研机构开 发纳米技术的能力。日本每年用于纳米技术研发的投资大约 5 亿美元。 欧盟近年也将纳米科学技术作为重点研究领域之一，从 200

12、2 至 2006 年间 为纳米技术研究拨款 1 3 亿欧元，并于 2003 年建立纳米技术工业平台，推动纳 米技术的应用。法国于 2003 年动用 5000 万欧元建立法国最大的电子纳米技术 中心“联盟克洛尔” ，并在 2005 年该中心又投入亿美元，建成了 世界上规模最大的纳米芯片生产基地。 在纳米科技领域，我国在“十五” 、 “十一五”期间取得了一批重要的研究 成果，在部分领域已达到国际先进水平。但从以上我国的纳米材料成果可以看 出，与发达国家相比，我国纳米材料和技术的发展水平与发达国家还存在着不 小的差距。 首先，发达国家自上世纪 90 年代以来，一直把纳米科技作为发展的长远战 略目标，

13、不断强化基础和应用技术开发，积极推动科技成果产业化，抢占战略 制高点，企图垄断知识产权和国际市场。近一年来，纳米科技取得了多方面的 重要研究成果和突破，主要表现在下列几个领域：纳米量子器件及其集成关键 技术；纳米信息获取技术及器件；纳米光电子材料及器件；纳米级高密度信息 储存技术及器件，生物医学纳米器件；纳米金属材料；纳米非金属材料；纳米 材料应用技术开发；纳米材料的结构设计与模拟；纳米结构的检测与表征方法； 与纳米科技相关仪器的设计与开发。而我国纳米科技的大部分研究工作主要集 中在硬件条件要求不太高的基础研究领域，涉及纳米主流技术高、精、尖的研 究内容不多，特别是一些具有重要应用前景的技术研

14、究比较薄弱，在纳米材料、 纳米结构的设计、制造和控制以及实用化方面与国际先进水平存在着较大的差 距。 其次，我国纳米技术研究目前主要集中在部分高等院校和中科院的一些研 究所，覆盖领域狭窄，多学科交叉融合程度不够，技术创新主体企业参与 力度低，缺乏统筹规划与协调。在全国 100 多家从事纳米材料和技术研发单位 中，大多数的研发内容都集中在与传统技术的改性和纳米粉体制备技术上，与 “在原子和分子水平上操纵物质” 、 “设计、制造和控制纳米结构”的纳米主流 技术差距较大。 第三，纳米材料与技术，是一个典型的新兴高技术领域，需要大批高技术 人才和先进、昂贵的实验装备。在过去的近十年中，国家对纳米科技的

15、总投入 为 8500 万元，仅为日本的 1/30、德国的 1/10、美国的 1/7，还略低于印度的6 / 7投入强度，急需改善硬件环境、添置一批必要的共用性强的先进设备和测试仪 器。16-195 5 结束语结束语第一、纳米科技是一个新兴的多学科交叉领域，涉及的知识面和应用领域 十分广泛，任何一个国家和单位都无法覆盖全部领域，也不可能在短期内实现 对技术和市场的垄断。应当制定我国纳米科技中、长期发展战略，合理使用有 限的资源和经费，大力发展那些对 21 世纪科学技术与国家安全有重大促进作用 的领域和关键技术；积极引导和鼓励跨部门、多学科交叉联合研究与开发。 第二、政府应加大投入，引导和支持企业界

16、共同合作研究开发。根据我国 人力资源结构和科技研发水平，尽快规划出若干个研发方向，从而配备先进的 科研设备和建立技术研究开发中心。要避免研究方向过于分散，另外，还要坚 决抵制低水平重复建设、研究的弊病。 第三、充分认识纳米结构和纳米材料是纳米科技的核心。加强纳米科技的 基础性开发研究，我们要充分认识它的困难程度和目前仅处于研究的初期阶段 的基本情况，其核心技术的规模应用还需相当长的时间；加强国内外学术交流， 密切跟踪纳米科技研究前沿的新成果、新动向，不断提高研究水平，及时修正 研究方向，使我国纳米科技健康、持久、有序地发展。参考文献1孙红庆.科技天地计划与市场探索M,2001/052肖建中材料科学导论M北京：中国电力出版社,2001，4 35 0.3 GleiterH.，Prog.Mater.Sci.，1989;33:2234 EppersonJ.，SiegelR，Mater