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什么是纳米材料?纳米材料有什么特性?

发布时间:2017-08-30 09:49:01

什么是纳米材料?

纳米材料如今已逐渐渗透到我们的生活中,对于纳米材料,普通大众都尚没有较深入的认识和了解,然而纳米材料的应用已经不足为奇,比如纳米涂料、纳米洗护用品、纳米防水剂等等。

什么是纳米材料

那么什么是纳米材料呢?纳米级结构的材料简称为纳米材料,由于纳米材料是近几年开始被关注和应用的材料,所以也理解为纳米结构的新材料,广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。

根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义,纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料,这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间,并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。

纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。


纳米材料的结构

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造的一种新体系。

纳米阵列体系

已有的研究结果对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。

二维纳米材料阵列

介孔组装体系

纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性,以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应,也使其成为了研究热点,按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类,按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。

介孔组装纳米材料

薄膜嵌镶体系

在薄膜嵌镶体系中,对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”,这种索具有金属特性,室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上,在X射线照射下具有光电导性能,利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

纳米薄膜



纳米材料的特性与应用


表面与界面效应

指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表现为直径减少,表面原子数量增多。

纳米材料表面原子直径越小则数量越多

超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。  


小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出“新奇”的现象。随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下性质: 

1、特殊的光学性质

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,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。

金属超微颗粒状态都呈现黑色

金属在超微颗粒状态都呈现为黑色


由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料,以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

2、特殊的热学性质

固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。  

3、特殊的磁学性质  

在研究纳米材料过程中科学家发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。

磁性纳米材料

小尺寸的磁性超微颗粒与大块材料显著不同。大块的纯铁矫顽力约为 80安/米,而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时,其矫顽力可增加1000倍。若进一步减小其尺寸,大约小于 6×10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。

利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高储存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

4、特殊的力学性质

美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。金属—陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。  
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

碳纳米管强度是钢材的300倍

碳纳米管是一种新型的超级材料,它的强度可以达到钢材的300倍


量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,会出现纳米材料的量子效应,从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

费米能级结构

能级结构

量子尺寸效应: 当粒子的尺寸下降到某个值时,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分子轨道能级之间的能隙变宽现象。

纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。 


宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应,它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化,这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

宏观量子隧道效应

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通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。


上述的小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米微粒和纳米固体的基本特征,这一系列效应导致了纳米材料在熔点﹑蒸气压﹑光学性质﹑化学反应性﹑磁性﹑超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理﹑化学性质。

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