走进纳米材料的世界

纳米材料概述

一、纳米科技的诞生

著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德●费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”——小尺寸大世界

费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。

1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙(xian)原子排出“IBM”。

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，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

C₆₀

1985年Smalley(2005.10去世)与英国的Kroto等人在瑞斯（Rice）大学的实验室采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、通称为C₆₀。

二、纳米材料的概念

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料的单晶体或多晶体，由于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒内部，产生高浓度的晶界。

三、纳米科技研究的重要性

纳米科学和纳米技术是21世纪最具发展前景和国际竞争力的高新产业之一，在21世纪将改变几乎每一件人造物体的特性。材料性能的重大改变和制造模式方法的改变，将引发一场工业革命。

它从诞生起就迅速引起世界各国尤其是大国的重视和投资研究。

纳米技术是跨世纪的新学科，是国际科学界工程技术界关注的热点，是20世纪末兴起的一个高科技领域。

纳米技术将对面向21世纪的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等领域具有重大意义，它将会是一项重大的技术革命，必将引起21世纪的又一次产业革命。

纳米科技的战略地位

制定阶段

美国：1998，克林顿总经主持内阁会议，订立国家纳米发展规划;

日本：1999，森喜朗首相主持内阁会议，订立国家纳米发展规划;

中国：2000，朱镕基总理召见中科院副院长白春礼院士，成立国家纳米发展协调领导小组。

实施阶段

90年代初期，美国正式把纳米技术列为“国家关键技术”，新世纪伊始，又发布了《纳米技术：要引发下一场工业革命》。在其后的十年间相继成功研发了各种新型纳米粉体、纳米芯片、纳米传感器等众多具有代表性的产品;

欧洲在1993年提出的9项未来发展关键中，4项涉及纳米技术;

日本也在大力积极参与到纳米研究中，提出纳米技术将作为重振日本经济的“立国之本”。

中国作为国际上为数不多的率先开展纳米技术研究的国家，在纳米领域取得了许多举世瞩目的成就。2001年，我国制定了《纳米产品标准及技术标准》，2005年批准并发布了七项纳米技术标准。一项项的成果表明我国纳米技术的研究和发展均处于世界前列，这也为我国纳米技术的后续研究发展奠定了坚实的基础。

四、纳米材料的分类

按结构可分为

（1）零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等。

（2）一维纳米材料：有一维处于纳米尺度的材料，如纳米线、纳米管。

（3）二维纳米材料：在三维空间有二维在纳米尺度的材料，如超薄膜。

（4）三维纳米材料：纳米固体材料，超微颗粒，组装纳米材料。

奇妙的碳纳米管

这是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。

碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常了的导电性能、导热性能和电性能。

碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的六分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。

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纳米材料的结构

一、表面效应

定义

固体表面原子和内部原子多处于不同环境下，当粒子直径比原子直径大时，表面能可以忽略，当粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用不能忽略，这时粒子的比表面积、表面能、表面结合能都发生很大的变化。由此引起的种种特殊效应称为表面效应。

特性

粒子小，比表面积急速变化增大，表面原子数增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不稳定，易结合。

纳米颗粒的表面效应——活性

高活性

      超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中有些金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。

应用

      用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。

二、小尺寸效应

（条件）当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或者透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，（现象）晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米颗粒表面层附近原子密度减小，（结果）导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。

小尺寸效应的体现

特殊的光学性质——颜色加深

超微纳米颗粒的不稳定性

纳米微粒的熔点降低

三、量子尺寸效应

定义

      当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

例：粗晶下的难以发光的间隙半导体材料Si、Ge等，粒径减小到纳米级时表现出明显的发光现象，粒径越小光强越强。

细晶强化效应 材料硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，导电性改变。

四、宏观量子隧道效应

定义

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁能量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

纳米材料的性能

一、力学性能

力学性能

（1）晶界结构缺陷、晶界滑移、位错运动

（2）杨氏模量减小，硬度提高

纳米材料晶界原子间隙的增加，使其杨氏模量减小，硬度提高（杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或者抗压的物理量，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量）。

（3）强度和硬度高

晶粒减小到纳米级，材料的强度和硬度比粗晶材料提高4-5倍。

二、电学性能

晶界上原子体积分数增加，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。

纳米材料在磁场中材料电阻减小的现象十分明显。磁场中粗晶电阻仅下降1%-2%，纳米材料可达50%-80%，这个性质很重要。

三、磁学性能

超顺磁状态

纳米粒子尺寸小到一定临界值时，进入超顺磁状态。

例如：20nm的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的1000倍;但当尺寸再减小时，其矫顽力而有时下降到零，表现出超顺磁性。

纳米材料随着晶粒尺寸的减小，样品的磁有序状态将发生改变。粗晶状态下为铁磁性的材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时，矫顽力趋向于0，转变为超顺磁状态。

这是由于纳米材料中晶粒取向是无规则的，因此，各个晶粒的磁距也是混乱排列的，当小晶粒的磁各向异性能减小到与热运动能基本相等时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向而作无规律变化，结果导致超顺磁性的出现。

磁热性质

在非磁或者弱磁基体中包含很小的磁微粒。当其处于磁场中，微粒的磁旋方向与磁场相匹配，增加了磁有序性，降低了系统的熵，若过程绝热，样品温度将升高。

比热大

纳米材料中，界面原子排列混乱，原子密度低，原子间耦合较弱，导致纳米材料的比热比粗晶大。

纳米微粒的熔点、烧结温度、晶化温度比常规粉体低得多（纳米材料的表面性质决定）。

例如：通常大尺寸金属的熔点是固定的，超细化后却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。

化学活性高

纳米材料比表面积大，界面原子数多，界面原子区域原子扩散系数高，原子配位不饱和性，使得纳米材料具有较高的化学活性。

催化活性提高到几十倍到上百倍。

纳米材料的应用

一、纳米二氧化钛及其复合氧化物

应用

（1）光催化剂：TiO2/SnO2复合氧化物较单一级线TiO2 有较高的光催化活性。

（2）紫外吸收剂（化妆品）

（3）其他用途（光过滤等）

（4）环境保护（降解有机物、农药、垃圾）

二、纳米二氧化硅

1、优势

纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和解变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。

2、应用

纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。

芯片制作过程中制作晶片的第一步是在晶圆上沉积一层不导电的SiO2。在晶片的后续制作过程中，二氧化硅层的成长、沉积会进行很多次。

三、纳米氧化锌

1、优势

纳米氧化锌（ZnO）粒径介于1-100nm之间，是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出许多特殊的性质，如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等。

2、应用

利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。

四、纳米碳化硅

应用

碳化硅纤维与金属或陶瓷制成的复合材料

（1）用作航天工业材料。碳化硅纤维复合树脂用于制作飞机的主体和机翼，其重量减轻2/3;用于制作火箭的外壳，不仅重量轻、强度高，而且热膨胀系数也大大减小。

（2）用作体育器材。由于该材料质轻、强度高、耐热性能好，可以广泛用于制造赛艇、宽车、摩托车和轻快自行车;也可制造网球拍、跳杆等。

（3）用作医疗器材。由于该材料的X射线透过性强、材质强度高，用于制造X光机的部件和人造关节。

（4）用于特殊的地下电缆、输水管道、桥梁等的工程材料。

（5）用于高科技领域。