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1、专题五 纳米材料 一、纳米化学发展历程 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德 费曼在一次演讲中说到，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。这是关于纳米技术最早 的梦想。 直到1982年科学家发明研究纳米 的重要工具扫描隧道显微镜 ，才为我们揭示一个可见的原子 、分子世界，这对纳米科技发展 产生了积极的促进作用。 图2-69 扫描隧道显微镜 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔 的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积 的钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究 的热点。单层碳纳米管多层碳纳米
2、管 1993年，继美国斯坦福大学搬动原子团“写”下斯坦福 大学英文、美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子 排出“”之后，中国科学院北京真空物理实验室自 如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着我国开始开 始在国际纳米科技领域占有一席之地； 图2-70 在镍表面用36个氙原 子排出的“” 二、纳米材料及其分类 （一）纳米材料定义当物质加工到100纳米以下时，往往产生既不同于微 观原子、分子，又不同于宏观物质的超常规特性，具有 这种特性的材料称为纳米材料。 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 （二）纳米材料分类 纳米材料大致可分为:1、一维纳米材料（纳米微粒）；2、二维纳米材料（
3、纳米涂层和纳米管）；3、三维纳米材料（纳米陶瓷）；4、纳米催化剂三、几种重要的纳米材料 （一）纳米微粒 纳米微粒又称纳米粉末、超微粒子。其实就是普通 金属或金属化合物的粒子，不过更细小而已。比如蒸馒 头用的面粉可以说是很细的粉末了，而超微粒子比面粉 还细得多，其粒子直径仅为纳米级别，必须用电子显微 镜才能看到它的真面目。图2-71 显微镜下的纳米微粒 纳米微粒的出色本领来自本身的结构特点。 1由于它的颗粒非常小，就决定了表面积特点大。1 克纳米微粒的表面积的总和可达几千甚至几万平方米，这 就为它进行磁化、加速化学反应等提供了充分的用武之地 。 2它的表面承受的拉力特别大，从而使它的性格非常 活
4、泼，喜欢与其他物质进行化学反应。 3它的熔点低，这就有可能在很低的温度下对金属、 合金等的粒子进行冶炼和烧结。例如：银的熔点为960摄氏 度，而它的纳米微粒的熔点却只有100摄氏度，用开水就能 将它熔化。 4纳米微粒的耐热、耐腐蚀性好，所以常用来制造火 箭发动机的喷气口。 5可作为良好的导热材料。 （二）二维纳米材料 新型纳米复合涂层具有多方面的应用：（1） 纳米材料涂层可以提高基体的防腐蚀能力，达 到表面修饰、装饰目的。 在油漆或涂料中加入纳米颗粒， 可进一步提高其防护能力，能够耐大气、紫外线 侵害，从 而实现防降解、防变色等功效；另外，还可以在建材产品 ，如卫生洁具、 内墙、用具等中运用纳
5、米材料涂层，产生 杀菌、保洁效果。（2）纳米材料涂层具有多种优良的光学性能。纳米多层组 合涂层经过处理后 在可见光范围内出现荧光，用于多种光 学应用需要，如传感器等器件.改变纳米涂层的组成和特性 ， 即具有光致变色、温致变色、电致变色等效应，可作为 特殊的防伪、识别手段。（3）经过纳米复合的涂 层具有优异的电磁性能， 利用纳米粒子涂料形成的 涂层具有良好的吸波能力 ，能用于隐身涂层。 图2-72 纳米涂层使镜子不结雾 2.纳米管 纳米管是原子的二维晶体线片。最早的纳米管是1991 年日本科学家发现的碳纳米管，它揭开了纳米管研究 的序幕。这次制得的碳纳米管是由 石墨碳原子层卷曲而成的碳 管，像铁
6、丝网卷成的一个空 心圆柱状“笼形管”。它非 常微小，5万个并排起来才有 人的一根头发丝宽，实际上 是长度和直径之比很高的纤 维。 图2-73碳纳米管实物 图2-74 碳纳米管模型 这个像用铁丝网卷成的空心 圆柱就是碳纳米管。它的质量 是相同体积的钢的六分之一， 而强度却是钢的10倍，抗拉强 度和韧性也是目前材料中最强 的。碳纳米管中空的结构可以 存储高密度的氢气，为未来环 保汽车提供源源不断的清洁能 源。 （三）纳米陶瓷 1纳米陶瓷的定义 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺 度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相 分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平（1100nm） 上。
7、这使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克 服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热 学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷 的应用开拓了新领域。 图2-75 纳米陶瓷粉末扫描电镜图片 图2-76 纳米陶瓷 2纳米陶瓷的特性及应用 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米 陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。其优良的 室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切 削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的 应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其 他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。 （四）纳米催化剂 纳米催化剂被称为第四代催化剂，是催化剂领
8、域 未来主要发展趋势之一。 纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大 ，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配 位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了 作为催化剂的基本条件。 纳米粒子常作光催化剂，它有着许多优点。首先是粒径 小，比表面积大,光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电 子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电 子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次 ，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手 段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级 结构与表面态密度的影响。目前，工业上利用纳米二氧化钛 三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或 Cr2O72-体系），已经取得了很好的效果。
