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1、纳米材料概论【摘要】人类对客观世界的认识已远远超出直接用肉眼观察的范围，并逐渐发 展为两个层次：一是以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大 的宇宙天体的宏观领域；二是以分子、原子为最大起点，下限是无限的微观领域。然而，在宏观领域和微观领域之间，还存在这一块几年来才引起人们极大兴趣和 有待开拓的“处女地”，即所谓的介观领域。在这个不同于宏观和微观的“介观 领域”，由于物质小到1至100纳米，使其量子效应、物质的局限性、巨大的表 面及界面效应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同与宏观物体，也 不同于单个孤立原子的奇异现象，从而开辟了人类认识世界的新层次。这标志着 人类的科学技
2、术进入了一个新时代，即纳米科技时代。【关键字】纳米材料 制备 应用 发展一、纳米材料的起源与发展纳米是英文namometer的译音，是一个度量单位，1nm=10-9n,即万分之一头 发丝粗细。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔获得 者理查德费曼。1959年他在一次著名的演讲中预言：如果人类能够在原子/分 子的尺度上来加工材料、制备装置，将有许多激动人心的新发现。此外，他还指 出，人们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学将变 成根据人们意志逐个地准确放置原子的问题。早在1000多年前，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成炭黑，作为墨的 原料或着色染料，科
3、学家们誉其为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层 是由SnO2颗粒构成的薄膜，然而当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法 看到的纳米尺度小颗粒构成的。直至20世纪80年代初，扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等 微观测量表征和操纵技术的发明对纳米科技的发展起到了积极地推动作用。1990年7月，第一届国际科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议 同时在美国巴尔的摩举办，纳米技术与纳米生物学这两种国际性专业期 刊也相继问世。从此，一门崭新的科学技术一纳米科技得到了科技界的广泛关注。美国IBM公司首席科学家阿姆斯壮（John Armstrong）预测：“正像20世纪 70年代微
4、电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时 代的核心”。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500 亿美元。在世界范围内，无论是发达国家还是发展中国家，各国政府都已认识到 纳米科技的发展将成为21世纪经济增长的新动力，因而不断加强对纳米科技研 发的投入。同时一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战 略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研 发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的 核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增 加到2001年的4.9
5、7亿美元。根据第三世界科学院在2005年7月发表的报告显 示，美国、日本和欧盟这三大世界经济实体计划在2005-2008年对纳米科技的 投入分别达到37亿、30亿和17亿美元以上，项目覆盖了能源、药物、微电子 工业、材料、环境等众多领域。面对如火如荼的纳米研究热，我国政府也同样相 当重视和支持纳米技术的发展研究。如，在2006年初国务院制定的20062020 年国家中长期科学和技术发展规划中将纳米科学列入了这段时期内基础科学研 究的四个主要方向之一，将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。二、纳米材料的研究内容“纳米材料”的命名出现在20世纪80年代，它是指三维空间中至少有一维 处于1
6、100nm或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料又称为超微颗粒材 料，有纳米粒子组成。这样的纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧 道效应。按传统的材料学科体系划分，纳米材料又可进一步分为纳米金属材料、 纳米陶瓷材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。按应用目的分类，可分为纳米 电子材料、纳米磁性材料、纳米隐形材料、纳米生物材料等。狭义上的纳米材料也指有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米 碳管和纳米固体材料的总称。现从狭义的角度加以介绍。1. 原子团簇原子团是由多个原子组成的小粒子，原子团簇的尺寸一般小于20nm，约含 几个到105个原子。原子团簇具有很多独特性质：具有硕大的比表
7、积而呈现出 表面或界面效应；幻数效应（形状和对称性多种多样）；原子团尺寸小于临 界值时的“库仑爆炸”（自旋状态改变，库仑排斥力增强）；原子团逸出功的振 荡行为等。2 .纳米颗粒纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大于原子团簇，小 于通常的微粉，一般在1100nm之间。它与原子团簇不同，一般不具有幻数效 应，但具有量子效应、表面效应和分形聚集特性等。纳米颗粒的应用前景，除了 光、电、磁、敏感和催化特性外，就是由550nm的纳米颗粒在高真空下原位压 制纳米材料，或制作纳米颗粒涂层，或根据纳米颗粒的特性设计紫外反射涂层、 红外吸收涂层、微波隐身涂层，以及其他的纳米功能薄膜。3. 纳米碳
8、球纳米碳球的主要代表是C60。由此可见，60个C原子组成封闭的球形，是32 面体，即由20个六边形（类似苯环）和12个五边形构成一个完整C60。这种结 构与常规的同素异形体金刚石和石墨层状结构完全不同，物理化学性质非常奇 特，如电学性质、光学性质和超导性质。4 .纳米碳管它由纯碳元素组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物，管子两端 一般含由五边形的半球面网格封口。纳米碳管直径一般在120nm之间，长度可 以从纳米至微米量级。纳米管有许多特性，有强烈的应用背景，预测它们在超细 高强纤维、复合材料、大规模集成电路、超导线材和多相催化方面有着广泛应用。5. 纳米薄膜与纳米涂层这种薄膜具有纳米结
9、构的特殊性质，目前可以分为两类：含有纳米颗粒与 原子团簇一基质薄膜；纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近电子自由程和德布罗 意长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如，纳 米磁性多层膜具有典型的周期性调制解构，导致磁性材料的饱和磁化强度的减小 或增强。6. 纳米固体材料具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。例如，由纳米颗粒压制烧 结而成的三维固体，结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团甬高速高压气流带 动等。其中，有原子团簇堆压成的纳米金属材料具有很大的强度和稳定性，并具 有很强的导电能力，这类材料存在大量品界，呈现出特殊的机械、电、磁、光和 化学性质。已经发现，由纳米硅
10、晶粒和晶界组成的纳米固体材料，其晶粒和边界 几乎各占体积一半，具有比本征品体硅高的导电率和载流子迁移率，电导率的温 度系数很小，这些特殊性正在被进一步研究。7. 纳米复合材料增强相为纳米颗粒、纳米品须、纳米晶片、纳米纤维的复合材料称为纳米复 合材料。增强相必须是纳米级；基体可以是常规材料。纳米第二相的加入，可提 高基体的活性。纳米复合材料包括金属基、陶瓷基和高分子基纳米复合材料。复 合方式有：品内型、品间型、品内一晶间混合型、纳米一纳米型。三、纳米材料的制备方法主要从物理方法和化学方法两类来讲。（1）物理方法气体冷凝法，包括电阻加热法、高频感压加热法、等离子体加热法、电子 束加热法、激光加热法
11、、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法；球磨法；溅射 法。（2）化学方法化学沉淀法，有共沉淀、均相沉淀、金属醇盐水解法；溶胶一凝胶法； 微乳液法；高温高压溶剂热法，有水热法和有机溶剂热法两种；燃烧合成 法，包括低温高温两类；模板合成法；电解法。四、纳米材料的应用目前，利用纳米材料特殊的磁学、光学、电学、力学、热学以及生物学等特 性，已设计和构筑了各种性能优异和功能奇特的新型材料和元器件，许多纳米产 品也已在电子信息、生物医药、国防和航天等领域得到应用，并以衍生出新兴的 高科技产业群。与此同时，纳米材料日益广泛的应用也将对传统的产业，如能源、 环境、化工、建材、纺织等工业群产生重大影响，带动这些传统产
12、业跳跃式发展， 加速完成传统产业的改造和升级换代。1. 在纺织印染工业中的应用纳米材料可用于防辐射（防紫外）功能纺织品中，应用方式有两个途径：一 是通过纤维改性使其功能化来实现，二是通过后整理技术对织物进行功能化整 理。纳米抗菌材料是将纳米材料和抗菌技术结合起来开发的一类新型保健抗菌材 料，而其应用主要是抗菌、除臭纤维及纺织品2. 纳米材料在环保中的应用由于纳米材料具有常规材料所不具备的奇异特性，使其在各领域的应用研究 发展迅速，特别是纳米材料在环境保护方面的应用，给我国乃至全世界在治理环 境污染方面带来了新的契机。主要体现在纳米过滤材料、纳米光催化材料、纳 米吸附材料在废水治理方面的应用；在
13、气体净化方面的应用；处理固体垃圾。3. 在光学方面的应用目前在这方面的应用主要是红外反射材料、光吸收材料、隐身材料。4. 在磁性材料方面的应用纳米磁性材料无论在纳米材料共有的基本特性方面，还是在磁性材料特有的 若干方面，都有与块状材料不同的特性。其原因是关联与磁相关的特征物理长度 恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用尺度等。 主要应用在磁记录材料、巨磁电阻材料、磁性液体材料、软磁铁材料。5. 在催化方面的应用纳米粒子催化剂是一个新的领域，国际称它为第四代催化剂。主要有以下两 方面用途；金属纳米粒子的催化作用；半导体纳米粒子的光催化作用。6. 在精细化工方面的应用主要用
14、途有：陶瓷增韧；纳米复合涂料；在胶黏剂工业的应用；在 化妆品方面的应用；在化工助剂中的应用。此外，纳米材料也广泛用于电子信息、生物医学、生物能源等领域。五、纳米材料的发展展望目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但显示了巨大的商业前景。据统计: 2004年全球纳米技术的年产值已达500亿美元，2010年将达到14400亿美元。 为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都加紧采取措施，促进 产业化进程。纳米技术的开发和产业化还需要很长一段时间，但我们深信纳米的 商业化将给世界经济注入新的活力，将给人类带来更美好的生活水准。【参考文献】1. 倪星元等.纳米材料制备技术.北京：化学工业出版社，2008.2. 烨子.纳米世界.北京：中国艺术文化出版社，2004.3. 卫英慧主编.纳米材料概论.北京；化学工业出版社，2009.9.4. 徐云龙等编著.纳米材料学概论.上海；华东理工大学出版社，2008.5. 李群主编.纳米材料的制备与应用.北京；化学工业出版社，2008.7.
