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1、新材料概论期末作业浅谈纳米材料的性质及其应用前景院 系： 生命科学与技术学院专 业： 生物技术年 级： 2010级学生姓名： 朱俊学 号： 201013050338导师及职称： 易中周（教授） 2011年6月18日浅谈纳米材料的性质及其应用前景摘要：纳米材料被誉为 2 1 世纪的新材料 它包括纳米、纳米多 孔材料 和纳米致密材料。1nm= 10纳米微粒是构成纳米材料的重要原料,通常是指粒尺 寸 l00nm 的粉末 ,它比可见光波还短 ,与病毒大小相当甚至还 要小。1 9 8 4 年,德国 教授 G l e i t e r用惰性气体凝聚的方法制备出了具有清洁界 面的维块状试样纳米晶体把、铜、铁等
2、 ,成为纳米材料创始者1。 纳米微粒因其独 特的小尺 寸效应 表面界面效应、量子尺寸效应 、宏观量子隧道效应和介电限域效应等特性2而呈现出许多奇特的物理化学性质,因而受到众多学科领域专家的重视,世界各国都相继投人大量的人力、财力,并制定 了长远 的发展计划,我国也将纳米材料的研究列人攀登计划 、863计划、攻关计划、火炬计划等,迄今 ,他们已取得了一些令人惊奇的成果 ,收到了良好的 经济效益和 社会效益。关键词：纳米材料 性质 应用1. 纳米材料的性质1.1 光学性质 3 金属超微颗粒一般呈黑色 ,说明它们对光具有完全光吸收性。这一吸 收来源于粒子载体界面三个因素。由于粒子中的传导电子往往凝聚
3、成很窄的能带,因而造成窄的吸收带。对于红外吸收,粒子表现出更为灵敏的量子尺寸效应。颗粒越小,越分散,共振吸收峰越锐。半导体硅是一种间接带隙半导体材料,通常情况下发光效率很弱 ,但当硅晶粒尺寸减小到 5 以下时,其能带结构发生了变化,带边向高能带迁移,观察到了很强的可见光发射,4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射1.2热学性质超微颗粒与块状物质的热学性质的区别来源于其表面效应或量子尺寸效应 ,超微颗粒的热导有奇异的特性 ,多孔状超微颗粒集合体在低温或超低温下的热阻趋近于零,相应的比热容与热力学温度呈非线性关系。通常,超微颗粒的熔点均低于同种材质的块状物质的熔点,从而使纳米结构材料的烧结温
4、度大大降低。以 TiO2为例,不需任何助剂,12nm的TiO2粉可以在低于常规烧结温度400到600下进行烧结 4 。1.3催化性质金属类超微颗粒在适当条件下可以催化断裂H - H 、C H 、C一C和C一O键 ,由于其较强的表面活性 ,存在于表面的活性中心数增多而使反应速度增大。这种颗粒没有孔隙,可避免由于反应物向内孔的扩散缓慢而引起的某些副反应。且这类催化剂不必要附着在惰性载体上使用,可直接放人液相反应体系中。有人预计,纳米颗粒催化剂在本世纪很有可能成为催化反应的主要角色。例如,以粒径小于 100nm的镍和铜一锌合金的纳米颗粒为主要成分制成的催化剂,可使有机物氢化的效率达到传统镍催化剂的1
5、 0倍囚 ,纳米的从Q 3C以玉化合物可以代替贵金属而成为汽车尾气净化的催化剂 5 。此外还有很多物质 ,只要实现颗粒的微细化,就可以实现理想的催化效果6。1.4光催化性质纳米材料吸收光能后,原有的束缚态电子一空穴对变为激发态电子、空穴并向纳米晶粒表面扩散。电子、空穴到达表面的数量多,则光催化效率高,反应活性高,反应速度快。其次,超微颗粒分散在介质中,往往有透明性 ,容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、光生载流子移动与再结合规律,多电子反应活化。超微颗粒作光催化剂比普通粉末样品的活性高很多,并且由于超微颗粒表面活性中心数多 ,易于形成表面态 ,因此受氧化、还原处理 影响不大 7 。近
6、年来 ,利 用太阳能催化使H2O、CO2、N2转化成有用物质的研究很多。例如 ,国外有人研究出用TiO2半导体吸附纳米晶粒Pt作催化剂 ,在待分解的水中加人甲醉 ,其分解产物H2的产率有了很大提高。1.5力学性能总体来说,硬度随着粒径的减少而上升,但减少到一定程度时 ,硬度与粒径的关系表现出反Hall一Petch关系,发生转变的临界粒径依材料而定,所以纳米材料的硬化机制与传统的粗晶材料将有很大不 同。超塑性是指材料在断裂前前产生很大的伸长量 ,这种现象通常发生在经历中温( 0.5Tm )、中等到较低的应变速率( 10 一 1 0/ s )条件下的细晶材料中。最近研究发现,随着粒径的减少,纳米
7、TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高。普通陶瓷材料只有在 1000以上温度下、反应速率小于10/ s时才表现出塑性,而纳米TiO2陶瓷在室温下就可发生塑性变形 ,在 8 0下塑性变形可达100 % ,在1 2 5 0 下呈现 出超塑性 8 。不久前 ,中科院卢柯小组首次发现了纳米金属的超塑延性一纳米铜在室温下竟可延伸 50 多倍而 不折不挠。1.6其他性能超导电性超微颗粒的超导电性早就引起人们的关注。对于某些金属超微颗粒,当尺寸下降时 ,相应的超导转变温度Tc值提高。实验表明,由于磁场穿透效应 ,颗粒的抗磁性也随粒子尺寸减少而下降。颗粒 尺寸减少还使在 Tc处所有物理变化被展宽 ,临界磁
8、场随之上升。磁学性质当汀占时 ,超微颗粒的自旋顺磁性呈现出明显奇偶性 ,即含偶数个电子和奇数个电子的粒子具有不同的行为;随着颗粒尺寸下降,过渡金属铁磁性超微颗粒的矫顽力值上升,且存在超顺磁转变。日本松下电器公司已制成纳米级微粉录音带,它具有图象清晰、噪比高、失真十分小的特点。化学反应性超微颗粒随粒径减少反应显著增强 ,新制备的金属超微粒子接触空气时 ,能进行剧烈氧化反应或发生燃烧。因此 ,金属超微颗粒在接触空气之前,需预先对超微颗粒表面进行处理 。金属超微颗粒容易被氧化,甚至连氮化物这种耐 热耐蚀材料颗粒微细化后 ,也极不稳定。TiN纳米晶粒在空气中加热即燃烧成为白色的TiO2纳米晶粒。暴露在
9、大气中的无机纳米材料会吸附气体,形成吸附层 ,正是利用这一性质,人们做成了气敏元件,以便对不同气体进行检测。2. 纳米材料的应用前景作为面向21世纪的科学与技术,纳米材料在信息 、通讯、微电子 、环境、医药等研究领域已取得重大突破与进展。2.1环境科学领域许多研究者在光催化有机废水 、大气的有机污染物方面进行了大量的研究工作,发现 TiO2作为光催化剂可以处理卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、酚类、硝基芳烃、取代苯胺等以及空气中的诸如甲醇、丙酮等有害污染物。国内一些研究机构正在与相关企业合作,力图使其产业化。某些功能独特的纳米膜能够探测到由化学和生物造成 的污染 ,并能够对这些制剂进行过滤 ,从
10、而消除污染。2.2电子领域电子领域 可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投人生产。纳米管材料研究已成为当今基础研究和应用研究的热点 ,纳米碳管具有许多新颖的特性 ,如极高的拉伸强度 ,其导电性能既可能类似金属性 ,又可能类似半导体。中科院解思深小组在 1995一1998年之间完成了大面积定向碳管阵裂合成和超长纳米碳管制备研究 ,发展了利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术。最近瑞士的de Heer等人利用已制备好的取向排列的纳米管膜成功地制成了场发射电子源,它的出现为制备平面薄形荧光屏提供了新的选择 。2.3医学与生物工程领域纳米颗粒在医学上
11、已用于细胞内染色剂(妊娠试剂用的 A n )、药物载体(磁铁矿 )、药速速度调节剂(S i )、人造红血球 (氟碳化合物)等9。2.4 材料工程领域纳米材料的诞生也为常规的复合材料的研究增添了新的内容。如纳米AL2O3粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性 ,放人金属或合金中可以使晶粒细化,大大改替力学性能。弥散到透明的玻璃中既不影响透 明度又提高了高温冲击韧性,放入有机玻璃中表现出良好的宽频带红外吸收性能等。2.5 国防高科技领域纳米颗粒个有特异的电、磁、光性能。当它们的颗粒细化到一定程序时,光的反射率显著降低,一般低于1% ,而吸收效应则强烈。近年来,利用上述性质已经开展红外检测元件、红
12、外吸收材料和雷达波吸收材料方面的新探索,用于各类飞行器、导弹和战舰等。在未来战场上将出现各式各样的袖珍侦察机、战斗机等武器。目前 ,美 、日 、英、德等国在各波段吸波材料、量子器件、DNA形态及复制过程控制等方面都取得了突破性的研究成果。2.6 日常生活领域纳米技术也大大提高了我们的生活质量。目前日本出现许多抗菌的日常用品就是将抗菌物质进行纳米化处理后加进去 ,在玻璃表面涂一层渗有纳米TiO2的涂料可具有自清洁功能而不用人工擦洗。化纤布料制成的衣服虽然艳丽,但因摩擦易产生静电 ,在生产时加人少量的金属纳米微粒就可摆脱这烦人的现象,用米纳复合材料制成的洗衣机内筒也可起到抗菌作用。而一些固体加工成
13、纳米化微粒后 ,不仅可使粘附力增强还新添了对紫外线的吸收性质,除了可制成抗掉色的 口红还可开发出防灼的高级化妆品。纳米生活离我们越来越近了。参考文献：1Suryanarayana.Inter.Revj.1995.40(2):412史金花等、纳米材料及其理化性质j化学工程师,1999.33曹茂盛 超微颗粒制备科学与技术M 、哈尔滨工业大学出版社.1998.1 24王宏志等.纳米结构材料j.硅酸盆通报.1999.1 :3 15吴润等.粉状纳米材料的表面究进展与展望J .材料导报2000.10:43_476晋传贵.铁酸锌纳米晶体材料的制备 J .新技术新工艺,1999.2 :24一2 57钟俊辉.纳米粉末的制取方法 J .粉末冶金技术.1995.18田明原等.纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末J .9吴国润等电化学J 19844313 3
