纳米材料的结构性能与应用

纳米材料的结构性能与应用

一：纳米材料的发展史

材料是划分时代的标志，是高新技术发展以及现代文明的重要物质基础之一。 随着现代科学技术的迅速发展，对各类材料的要求愈来愈高，纳米材料就是在这种高技术需求的背景下产生的[1 ]。1959年，诺贝尔物理奖获得者费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学会年会上做了题为《 在底部还有很大空间 》的演讲。他从“由下而上的方法”出发，提出了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的扩充我们获得物性的范围”。他所说的物体就是现在的纳米，这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志，可是费曼并不知道怎么去实现纳米技术。20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，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。20世纪70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。纳米科技的迅速发展是在80年代末90年代初。80年代初德国材料科学家格莱特教授利用惰性气体凝集的方法制备出纳米颗粒，并用射线衍射等测试其内部结构，对纳米材料的结构和性能作了综合报道，提出了纳米晶体的概念，成为了纳米材料的创始者。1982年，科学家发明了研究纳米的重要工具—扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。随后，美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料，开始了纳米材料及技术的研究时代。为了总结和交流纳米材料的研究成果，推动纳米技术的发展，1990年7月在美国召开了“第一届纳米科学与技术讨论会”，这是纳米材料发展的一个里程碑。之后，各国科学家积极参与了对纳米材料物理和化学性能的研究，不断地发现纳米材料的特殊性能，使之成为材料科学领域研究的热点。纳米材料对新材料的设计和发展以及人们对固体材料本质结构性能的认识都具有十分重要的价值，因此被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”[3]。事实上，世界上早就有纳米材料存在，天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。而浩瀚的海洋则是一个庞大超微粒的聚集场所。据研究认为中国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚的了解而已。到80年代科学家才惊奇地发现，由几个到几千个原子组成的纳米颗粒既不同于宏观的大块物体，也不同于单个的原子和分子，而是一个颇具“个性”的奇特的群体。

二：纳米材料的微观结构

纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。因此，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶界缺陷所占的体积比也相当大，尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的

界面原子组成的界面，其原子排列方式均不同。因此，在整体上构成了一种与晶态和玻璃态均有较大差别的、崭新的微观结构[7]。由于纳米粒子的这种特殊类型的结构，导致纳米材料具有一系列新异的物理、化学特性，而且这些特性是其他固体材料或常规材料根本所不具有的特性。

三：纳米材料的特性

3.1尺寸效应

当超细微粒子尺寸与光波波长及传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏从而产生一系列新奇的性质。

3.1.1特殊的光学性质

纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于1%，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米 SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光具有很强的吸收性。

3.1.2 热学性质的改变

固态物质超细微化后其熔点显著降低.当颗粒小于 1 Onm 数量级时尤为显著

C,当颗粒尺寸减小到2nm尺寸时熔点仅为327C左例如,金的常规熔点为1064

右；银的常规熔点为 670C,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。

3．2 表面与界面效应

与宏观物体相比，纳米粒子因为表面原子数目增多，比表面积增大。这会导致无序度增加，同时晶体的对称性变差，其部分能带被破坏， 因而出现了界面应

[9]。较大的比表面积和小尺寸的纳米粒子，导致位于表面的原子占有相当大的比例 ， 原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键，表面能高，因而这些表面原子具有高的活性。纳米材料较高的化学活性，使其具有了较大的扩散系数，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。这种表

面原子的活性就是表面效应。纳米粒子的表面界面效应，主要表现为：(1) 熔点降低，这是由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减小；(2) 比热增大。

3.3 宏观量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。近年来，发现一些宏观量(如微颗粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等)也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础，或者说它确立了现

存微电子器件进一步微型化的极限。如在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近波长时，电子借助隧道效应而溢出器件，器件便无法工作。经典电路的物理 极限尺寸大约为0.25um。

3.4介电限域效应

随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对于裸露在半导体纳米材料周围的其他介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它与裸露纳米材料的光学性质相比发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，使产生明显的介电限域效应。纳米材料与介质的介电常数相关越大，介电限域效应就越明显，在光学性质上就表现为明显的红移现象。同时介电限域效应越明显，吸收光谱的红移也就越大。

四：纳米材料的应用

1.纳米材料在建设方面的应用:水泥广泛应用于建设中，而耐久性是评价水泥 的一个重要指标。实验证明水泥基复合材料由于掺入硅质纳米颗粒，从而改善高速公路路面及路缘石高耐久性，抗冻性提高20倍，耐钢筋锈蚀提高10倍，耐除 冰盐侵蚀能力提高8倍以上。

2.纳米材料在计算机方面的应用：用纳米材料可制成1000 G B容量的小而轻 的储存组件，其功能将超过目前千倍。同样用纳米材料可制造体积小、质量轻、 省能源特征的积体纳米传感器系统，其具有收集、处理、通讯大量信息的功能 。

3. 纳米材料在日常生活中的应用：日常生活离不开家用电器，而家用电器外壳多数是由树脂加碳黑的涂料喷涂成的光滑表面，由于有导电作用，因而其表面 的涂层就有静电屏蔽作用。如果不能进行静电屏蔽，电器的信号就会受到外部静 电的严重干扰。采用纳米材料家用电器有良好的静电屏蔽特性，而且克服了碳黑 静电屏蔽涂料只有同一颜色的单调性。

4. 纳米材料在农业方面的应用:生命的基本元素，如蛋白质、核酸、脂质等，皆因其在纳米尺度上的大小 形态的不同具有独特的性质。而纳米材料对农业发 展上的直接帮助有：纳米分子工程化合物可滋养农作物及防虫、动植物的基本改 质工程、动物内基因及药物传，纳米数值的D N A检测科技。

5.纳米材料在医疗方面的应用：美国能源部运用激光纳米技术研制出癌症智能 手术刀，每秒扫描10万个细胞，将信息输入计算机，把“错 杀”健康细胞的数 量减到最小。德国科学家用分子医学纳米技术，发明新抗癌疗法，通电后肿瘤部 位的温度达47℃，在杀死癌细胞的同时不损害健康细胞。

6. 纳米材料在消防方面的应用：纳米材料在消防领域也具有美好的应用前 景。科学家研究发现有些纳米材料具有阻止燃烧的性能，如将它们作为阻燃剂加入到可燃材料中，可改变可燃材料的燃烧性能 ，使之成为具有防火性能的材料。塑料、橡胶、纤维等有机合成材料，虽然给我们的生活带来了很大方便，但由于 其燃烧速度快，释放热量高，而且燃烧时产生大量烟雾及有毒气体，因此具有较 高的火灾危险性。如果采用纳米材料对这些有机合成材料进行阻燃处理，则可以提高这些材料的防火性能。

7. 纳米材料在环保方面的应用：环境保护是当今人们的一 个重要话题，特别是 由人类制造出的大量有机物垃圾如塑料制品、 方便盒等如不进行特殊处理则

需 几十年甚至上百年才能分解，运用纳米技术在塑料制品以及泡沫盒中掺入一定 的纳米材料可大大减少其降解时间。工厂、小区的污水处理亦可采用纳米光催功 能降解污水中的有机物。

8. 纳米材料在国防方面的应用：纳米粒子具有比值(表面积／体积)较大，从而可 增加化学反应的接触面这一特性被广泛用作催化剂。纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，可使燃烧率提高100倍； 纳米炸药比常规炸药性能提高千百 倍； 纳米材料制成的燃油添加剂，可节省燃油，降低尾气排放。

五：总结

21世纪将是纳米技术的时代，纳米科学是一门将应用科学和基础科学集于一体的新兴科学。纳米材料在光学、机械、磁电子、化学和生物学等各个领域有着广阔的应用前景。信息产业纳米化：纳米微粒尺寸小，比表面积大，因此在电子信息应用产业方面具有独特的优势。环境产业中纳米化：纳米技术在环境净化方面有不可取代的作用，纳米材料在环境污染物中的降解范围20nm 一200nm。 能源产业纳米化：随着我国能源结构的调整，当前我国能源发展的两大方向为合理利用传统能源以及开发新能源。制药业纳米化：目前，国际医药行业面临新的决策，就是纳米生物医药，纳米生物医药主要涉及以下方面：在提高药物的吸收利用方面，就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，以求增加药物的比表面积，促进了药物的溶解，最大限度发挥药效。