走進納米材料的世界

納米材料概述

一、納米科技的誕生

著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德●費曼憧憬說：“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子，將會產(chǎn)生怎樣的奇跡？”——小尺寸大世界

費曼預(yù)言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿逐個地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。

1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用35個氙(xian)原子排出“IBM”。

中國科學(xué)院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。

C₆₀

1985年Smalley(2005.10去世)與英國的Kroto等人在瑞斯（Rice）大學(xué)的實驗室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來收集碳團簇、通稱為C₆₀。

二、納米材料的概念

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料的單晶體或多晶體，由于晶粒細小，使其晶界上的原子數(shù)多于晶粒內(nèi)部，產(chǎn)生高濃度的晶界。

三、納米科技研究的重要性

納米科學(xué)和納米技術(shù)是21世紀最具發(fā)展前景和國際競爭力的高新產(chǎn)業(yè)之一，在21世紀將改變幾乎每一件人造物體的特性。材料性能的重大改變和制造模式方法的改變，將引發(fā)一場工業(yè)革命。

它從誕生起就迅速引起世界各國尤其是大國的重視和投資研究。

納米技術(shù)是跨世紀的新學(xué)科，是國際科學(xué)界工程技術(shù)界關(guān)注的熱點，是20世紀末興起的一個高科技領(lǐng)域。

納米技術(shù)將對面向21世紀的信息技術(shù)、生命科學(xué)、分子生物學(xué)、新材料等領(lǐng)域具有重大意義，它將會是一項重大的技術(shù)革命，必將引起21世紀的又一次產(chǎn)業(yè)革命。

納米科技的戰(zhàn)略地位

制定階段

美國：1998，克林頓總經(jīng)主持內(nèi)閣會議，訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃;

日本：1999，森喜朗首相主持內(nèi)閣會議，訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃;

中國：2000，朱镕基總理召見中科院副院長白春禮院士，成立國家納米發(fā)展協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組。

實施階段

90年代初期，美國正式把納米技術(shù)列為“國家關(guān)鍵技術(shù)”，新世紀伊始，又發(fā)布了《納米技術(shù)：要引發(fā)下一場工業(yè)革命》。在其后的十年間相繼成功研發(fā)了各種新型納米粉體、納米芯片、納米傳感器等眾多具有代表性的產(chǎn)品;

歐洲在1993年提出的9項未來發(fā)展關(guān)鍵中，4項涉及納米技術(shù);

日本也在大力積極參與到納米研究中，提出納米技術(shù)將作為重振日本經(jīng)濟的“立國之本”。

中國作為國際上為數(shù)不多的率先開展納米技術(shù)研究的國家，在納米領(lǐng)域取得了許多舉世矚目的成就。2001年，我國制定了《納米產(chǎn)品標準及技術(shù)標準》，2005年批準并發(fā)布了七項納米技術(shù)標準。一項項的成果表明我國納米技術(shù)的研究和發(fā)展均處于世界前列，這也為我國納米技術(shù)的后續(xù)研究發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

四、納米材料的分類

按結(jié)構(gòu)可分為

（1）零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料，如納米粒子、原子團簇等。

（2）一維納米材料：有一維處于納米尺度的材料，如納米線、納米管。

（3）二維納米材料：在三維空間有二維在納米尺度的材料，如超薄膜。

（4）三維納米材料：納米固體材料，超微顆粒，組裝納米材料。

奇妙的碳納米管

這是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強度可以超過鋼絲強度，它還有其他材料所不具備的性能：非常了的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。

碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的1萬倍，它的強度是鋼的100倍而重量只有鋼的六分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。

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納米材料的結(jié)構(gòu)

一、表面效應(yīng)

定義

固體表面原子和內(nèi)部原子多處于不同環(huán)境下，當粒子直徑比原子直徑大時，表面能可以忽略，當粒子直徑逐漸接近原子直徑時，表面原子的數(shù)目及作用不能忽略，這時粒子的比表面積、表面能、表面結(jié)合能都發(fā)生很大的變化。由此引起的種種特殊效應(yīng)稱為表面效應(yīng)。

特性

粒子小，比表面積急速變化增大，表面原子數(shù)增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不穩(wěn)定，易結(jié)合。

納米顆粒的表面效應(yīng)——活性

高活性

      超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中有些金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。

應(yīng)用

      用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。

二、小尺寸效應(yīng)

（條件）當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或者透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，（現(xiàn)象）晶體周期性的邊界條件將被破壞;非晶態(tài)納米顆粒表面層附近原子密度減小，（結(jié)果）導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。

小尺寸效應(yīng)的體現(xiàn)

特殊的光學(xué)性質(zhì)——顏色加深

超微納米顆粒的不穩(wěn)定性

納米微粒的熔點降低

三、量子尺寸效應(yīng)

定義

      當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。

例：粗晶下的難以發(fā)光的間隙半導(dǎo)體材料Si、Ge等，粒徑減小到納米級時表現(xiàn)出明顯的發(fā)光現(xiàn)象，粒徑越小光強越強。

細晶強化效應(yīng) 材料硬度和強度隨著晶粒尺寸的減小而增大，導(dǎo)電性改變。

四、宏觀量子隧道效應(yīng)

定義

宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁能量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。

納米材料的性能

一、力學(xué)性能

力學(xué)性能

（1）晶界結(jié)構(gòu)缺陷、晶界滑移、位錯運動

（2）楊氏模量減小，硬度提高

納米材料晶界原子間隙的增加，使其楊氏模量減小，硬度提高（楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或者抗壓的物理量，在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比值被稱為材料的楊氏模量）。

（3）強度和硬度高

晶粒減小到納米級，材料的強度和硬度比粗晶材料提高4-5倍。

二、電學(xué)性能

晶界上原子體積分數(shù)增加，納米材料的電阻高于同類粗晶材料。

納米材料在磁場中材料電阻減小的現(xiàn)象十分明顯。磁場中粗晶電阻僅下降1%-2%，納米材料可達50%-80%，這個性質(zhì)很重要。

三、磁學(xué)性能

超順磁狀態(tài)

納米粒子尺寸小到一定臨界值時，進入超順磁狀態(tài)。

例如：20nm的純鐵粒子的矯頑力是大塊鐵的1000倍;但當尺寸再減小時，其矯頑力而有時下降到零，表現(xiàn)出超順磁性。

納米材料隨著晶粒尺寸的減小，樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生改變。粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當顆粒尺寸小于某一臨界值時，矯頑力趨向于0，轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)。

這是由于納米材料中晶粒取向是無規(guī)則的，因此，各個晶粒的磁距也是混亂排列的，當小晶粒的磁各向異性能減小到與熱運動能基本相等時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向而作無規(guī)律變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。

磁熱性質(zhì)

在非磁或者弱磁基體中包含很小的磁微粒。當其處于磁場中，微粒的磁旋方向與磁場相匹配，增加了磁有序性，降低了系統(tǒng)的熵，若過程絕熱，樣品溫度將升高。

比熱大

納米材料中，界面原子排列混亂，原子密度低，原子間耦合較弱，導(dǎo)致納米材料的比熱比粗晶大。

納米微粒的熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度比常規(guī)粉體低得多（納米材料的表面性質(zhì)決定）。

例如：通常大尺寸金屬的熔點是固定的，超細化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點顯著降低，當顆粒小于10nm量級時尤為顯著。

化學(xué)活性高

納米材料比表面積大，界面原子數(shù)多，界面原子區(qū)域原子擴散系數(shù)高，原子配位不飽和性，使得納米材料具有較高的化學(xué)活性。

催化活性提高到幾十倍到上百倍。

納米材料的應(yīng)用

一、納米二氧化鈦及其復(fù)合氧化物

應(yīng)用

（1）光催化劑：TiO2/SnO2復(fù)合氧化物較單一級線TiO2 有較高的光催化活性。

（2）紫外吸收劑（化妝品）

（3）其他用途（光過濾等）

（4）環(huán)境保護（降解有機物、農(nóng)藥、垃圾）

二、納米二氧化硅

1、優(yōu)勢

納米二氧化硅是極其重要的高科技超微細無機新材料之一，因其粒徑很小，比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學(xué)純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和解變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨具特性，有著不可取代的作用。

2、應(yīng)用

納米二氧化硅俗稱“超微細白炭黑”，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域。

芯片制作過程中制作晶片的第一步是在晶圓上沉積一層不導(dǎo)電的SiO2。在晶片的后續(xù)制作過程中，二氧化硅層的成長、沉積會進行很多次。

三、納米氧化鋅

1、優(yōu)勢

納米氧化鋅（ZnO）粒徑介于1-100nm之間，是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產(chǎn)品，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等。

2、應(yīng)用

利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。

四、納米碳化硅

應(yīng)用

碳化硅纖維與金屬或陶瓷制成的復(fù)合材料

（1）用作航天工業(yè)材料。碳化硅纖維復(fù)合樹脂用于制作飛機的主體和機翼，其重量減輕2/3;用于制作火箭的外殼，不僅重量輕、強度高，而且熱膨脹系數(shù)也大大減小。

（2）用作體育器材。由于該材料質(zhì)輕、強度高、耐熱性能好，可以廣泛用于制造賽艇、寬車、摩托車和輕快自行車;也可制造網(wǎng)球拍、跳桿等。

（3）用作醫(yī)療器材。由于該材料的X射線透過性強、材質(zhì)強度高，用于制造X光機的部件和人造關(guān)節(jié)。

（4）用于特殊的地下電纜、輸水管道、橋梁等的工程材料。

（5）用于高科技領(lǐng)域。