納米材料的性能、制備、表征及應(yīng)用方面的進(jìn)展(材料0707李龍飛)

1、納米材料的性能、應(yīng)用、制備方法及表征方法中南大學(xué)材料院材料0707班李龍飛【摘要】本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究工作，簡(jiǎn)要介紹納米材料的一些基本的性能，重點(diǎn)介紹納米材料的制備方法，以及在現(xiàn)實(shí)過(guò)程中的一些制備技術(shù)，再深入的介紹納米材料的表征和應(yīng)用方面?！娟P(guān)鍵詞】納米材料性能應(yīng)用制備方法表征方法1、前言1992年國(guó)際納米材料會(huì)議對(duì)納米材料定義如下：一相任一維的尺寸達(dá)到100nm 以下的材料為納米材料1。因此，納米材料是由尺度在1100nm的微小顆粒組成的體系，由于獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和奇異性能，納米材料引起了科學(xué)界的極大關(guān)注，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其領(lǐng)域涉及物理、化學(xué)、生物、微電子等諸多學(xué)科。近十幾年來(lái)，

2、隨著高尖端技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于高性能新型納米材料的開(kāi)發(fā)促使人們對(duì)固體微粒的制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛深入的研究隨著物質(zhì)的超微化，納米材料表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的四大效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，使得其具有傳統(tǒng)材料所不具備的一系列優(yōu)異的力、磁、電、光學(xué)和化學(xué)等宏觀特性，從而使其作為一種新型材料在宇航、電子、冶金、化工、生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，因而使得納米材料的研究成為當(dāng)今世界材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)等領(lǐng)域中的一個(gè)熱門(mén)課題2-5。經(jīng)過(guò)最近十多年的研究與探索，現(xiàn)已在納米材料的制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物理和化學(xué)性能、實(shí)際應(yīng)用等方面取得

3、顯著進(jìn)展。納米材料的研究范圍不斷拓寬，研究成果更是日新月異，本文僅對(duì)納米材料的性能，制備、表征和應(yīng)用方面的進(jìn)展作簡(jiǎn)要介紹。2、納米材料的性能納米材料指的是顆粒尺寸為1100nm 的粒子組成的新型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效應(yīng)，它具有常規(guī)粗晶材料不具備的特殊性能。2.1 小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等待性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。例如:光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無(wú)序態(tài)的轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相

4、向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等6。22 表面效應(yīng)：納米微粒尺寸小,表面能高,位于表面原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小,表面積急劇變大所致。由于表面原子數(shù)增多,原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。例如：金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒，無(wú)機(jī)的納米?？兆颖┞对诳諝庵袝?huì)吸附并與氣體進(jìn)行反應(yīng)7。2.3 量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低軌道能級(jí)而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)直接解釋了納米粒子

5、特別的熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量以及超導(dǎo)態(tài)的凝聚能等一系列的與宏觀特性有著顯著不同的特性8。2.4 宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)了一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng),稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限9。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí),必須要考慮上述的量子效應(yīng)10。2.5 納米材料奇特的物理性能：2.5.1 奇特的光學(xué)特性：一是寬

6、頻帶強(qiáng)吸收：納米粒子對(duì)光的反射率很低，吸收率很強(qiáng)導(dǎo)致粒子變黑。二是藍(lán)移現(xiàn)象：納米微粒的吸收帶普遍向短波方向移動(dòng)。三是納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料不出現(xiàn)的新的發(fā)光現(xiàn)象11。2.5.2 擴(kuò)散及燒結(jié)性能：由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。因此，與單晶材料相比，納米結(jié)構(gòu)具有較高的擴(kuò)散率。較高的擴(kuò)散率對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響，同時(shí)可以在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜，可以在較低溫度使不混溶金屬形成新的合金相。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力產(chǎn)生的另一個(gè)結(jié)果是可以使納米材料的燒結(jié)溫度大大降低12。納米微粒物性的一個(gè)最大特點(diǎn)是與顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。由于納米微粒的小尺寸使其具有了一系列

7、的奇特的物理性質(zhì)，從而給納米材料的應(yīng)用打開(kāi)了一個(gè)廣闊的天地13。3納米材料的制備3.1納米材料制備方法的現(xiàn)狀自從Gleiter等（1981）首次應(yīng)用惰性氣體凝聚（IGC）結(jié)合原位冷壓成型法在實(shí)驗(yàn)室制備出納米晶體樣品以來(lái)，又新提出和發(fā)展了機(jī)械研磨法，非晶態(tài)晶化法，電沉積法等許多種制備方法。納米材料的制備及合成方法一直是納米材料研究領(lǐng)域的一個(gè)很重要的課題。因?yàn)橹苽涔に嚭瓦^(guò)程的研究與控制對(duì)超微粒的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能具有重要的影響，所以納米超微粒的制備技術(shù)成為關(guān)鍵制備納米超微粒的途徑大致有兩種：一是粉碎法,即通過(guò)機(jī)械作用將粗顆粒物質(zhì)逐步粉碎而得；另一種是造粉法，即利用原子、離子或分子通過(guò)成核和長(zhǎng)大兩個(gè)

8、階段合成而得。以物料狀態(tài)來(lái)分則可歸納為三類：氣相法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、微波等離子體、濺射法等； 液相法包括化學(xué)沉積、溶膠一凝膠過(guò)程、凝膠一燃燒法、溶液的熱分解和沉淀、快速凝固、電沉積法等；固相法包括非晶態(tài)晶化、高能機(jī)械球磨、嚴(yán)重塑性變形、等槽角壓、高能粒子輻照和火花蝕刻等。其中，以惰性氣體冷凝法最具有代表性14。3.2 新型納米材料制備方法實(shí)例3.2.1氧化鋅二氧化錫復(fù)合材料制備制備氧化鋅二氧化錫復(fù)合材料一般采用共沉淀法，該法需要高溫煅燒處理才能得到結(jié)晶性好的復(fù)合材料，而在較高溫度下會(huì)形成錫酸鋅。2007年中科院上海硅酸鹽研究所朱英杰課題組開(kāi)發(fā)出制備氧化鋅二氧化錫復(fù)合氧化物納米材料

9、的簡(jiǎn)單方法。該法采用氧化鋅納米棒、四氯化錫和氫氧化鈉水溶液作為反應(yīng)體系，可在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)二種氧化物的復(fù)合及形貌控制?？蒲腥藛T通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，成功制備出氧化鋅二氧化錫復(fù)合氧化物納米結(jié)構(gòu)空心球和由納米片組裝的多級(jí)納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)復(fù)合氧化物納米材料的形成機(jī)理進(jìn)行了探索。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)新型制備方法制備的氧化鋅二氧化錫復(fù)合氧化物納米結(jié)構(gòu)空心球和由納米片組裝的多級(jí)結(jié)構(gòu)可顯著提高有機(jī)偶氮染料的降解效率，與單相的氧化鋅納米棒和二氧化錫相比，具有更高的活性。3.2.2新型ZnO一維納米材料的制備制備ZnO一維納米材料通常采用汽固(VS)、汽液固(VLS)等蒸發(fā)傳質(zhì)法：在水平放置的鋁管管式爐中加熱原材料(ZnO

10、粉體)使之氣化，通入運(yùn)載氣體(Xr)流使ZnO隨運(yùn)載氣體運(yùn)載到低溫區(qū)，由于溫度的降低，ZnO在底襯(鋁板)上沉積并生長(zhǎng)得到一維ZnO納米材料。但是取向生長(zhǎng)ZnO納米線在場(chǎng)電子發(fā)射器、新型太陽(yáng)能電池、紫外激光器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于這些應(yīng)用與ZnO納米線生長(zhǎng)的空間方向、晶面取向以及ZnO納米線在納米線陣列中的密度緊密相關(guān)，因此制備方向、取向、密度可控的ZnO納米線是當(dāng)今一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。所以為了制備新型ZnO一維納米材料采用金屬納米粉體或納米簇為催化劑，配合傳統(tǒng)汽一液一固(VLS)法在襯底上則可生長(zhǎng)出ZnO納米線，這是典型的合成位置、取向、密度可控ZnO的新方法15。3.3 納米材料制備的發(fā)展趨勢(shì)

11、由于納米材料在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用都十分廣泛，必然會(huì)不斷涌現(xiàn)出更新更好的制備方法，希望能在結(jié)構(gòu)、組成、排布、尺寸、取相等方面有更大的突破，制備出更適合各領(lǐng)域發(fā)展需要，具有更多預(yù)期功能的納米材料。本課題組的主要目的是找到一種滿意的氣敏材料，制作出選擇性、穩(wěn)定性非常好的氣體傳感器。因?yàn)槌叽绲淖兓瘜?duì)材料的透氣率有很大的影響，如果能夠在制備納米材料時(shí)能更好按照研究人員的意愿控制微粒的尺寸，就可以大大的提高氣敏材料的選擇性及穩(wěn)定性，因此納米材料制備方法發(fā)展的一個(gè)重要方向就是提高粒度的控制能力16。4、納米復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)展納米復(fù)合材料是由Roy和Komameni等于1984年首次提出，由于平均粒徑小(處于

12、宏觀與微觀的過(guò)渡區(qū))、表面原子多、比表面積大，使得納米復(fù)合材料較常規(guī)復(fù)合材料具有更優(yōu)異的物理與力學(xué)性能，在電、磁、光、聲、熱力學(xué)、催化和生物等方面呈現(xiàn)出其特有的性能，被稱為是“21世紀(jì)最有前途的材料”之一?？茖W(xué)家們希望利用納米材料已經(jīng)挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)制備高性能的納米復(fù)合材料，基體材料包括聚合物、陶瓷和金屬等。納米材料作為一種新型的材料，已經(jīng)展示了良好的應(yīng)用前景，目前其應(yīng)用已涉及到物理、化學(xué)、化工、材料等眾多領(lǐng)域。4.1納米復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例4.1.1 高硬度、耐磨WC- Co 納米復(fù)合材料納米結(jié)構(gòu)的WC-Co 已經(jīng)用作保護(hù)涂層和切削工具。這是因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)的WC-Co 在

13、硬度、耐磨性和韌性等方面明顯優(yōu)于普通的粗晶材料。其中，力學(xué)性能提高約一個(gè)量級(jí)，還可能進(jìn)一步提高。高能球磨或者化學(xué)合成WC-Co納米合金已經(jīng)工業(yè)化。化學(xué)合成包括三個(gè)主要步驟：起始溶液的制備與混和；噴霧干燥形成化學(xué)性均勻的原粉末；再經(jīng)流床熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成為納米晶WC-Co粉末。噴霧干燥和流床轉(zhuǎn)化已經(jīng)用來(lái)批量生產(chǎn)金屬碳化物粉末。WC-Co 粉末可在真空或氫氣氛下液相燒結(jié)成塊體材料。VC或Cr3C2 等碳化物相的摻雜，可以抑制燒結(jié)過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大。4.1.2 納米結(jié)構(gòu)軟磁材料Finemet 族合金已經(jīng)由日本的Hitachi Special Metals，德國(guó)的Vacuumschmelze GmbH和法國(guó)的

14、Imply 等公司推向市場(chǎng)，已制造銷售許多用途特殊的小型鐵芯產(chǎn)品。日本的AlpsElectric Co一直在開(kāi)發(fā)Nanoperm族合金，該公司與用戶合作，不斷擴(kuò)展納米晶Fe-Zr-B 合金的應(yīng)用領(lǐng)域。4.1.3 電沉積納米晶體Ni電沉積薄膜具有典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，但可以用脈沖電流將其破碎。精心地控制溫度、pH值和鍍池的成份，電沉積的Ni 晶粒尺寸可達(dá)10nm。但它在350K 時(shí)就發(fā)生反常的晶粒長(zhǎng)大，添加溶質(zhì)并使其偏析在晶界上，以使之產(chǎn)生溶質(zhì)拖拽和Zener 粒子打軋效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。4.1.4 Al基納米復(fù)合材料Al基納米復(fù)合材料以其超高強(qiáng)度（可達(dá)到1.6GPa）為人們所關(guān)注。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是

15、在非晶基體上彌散分布著納米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和過(guò)渡族金屬（如Fe、Ni）。通常必須用快速凝固技術(shù)（直接淬火或由初始非晶態(tài)通火）獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。但這只能得到條帶或霧化粉末。納米復(fù)合材料的力學(xué)行為與晶化后的非晶合金相類似，即室溫下超常的高屈服應(yīng)力和加工軟化（導(dǎo)致拉神狀態(tài)下的塑性不穩(wěn)定性）。這類納米材料（或非晶）可以固結(jié)成塊材。4.1.5、細(xì)菌纖維素納米復(fù)合材料17細(xì)菌纖維素是一種新型微生物合成材料，與植物纖維素相比，無(wú)木質(zhì)素和半纖維素等伴生產(chǎn)物，同時(shí)具有高結(jié)晶度和高聚合度、超精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、極高的抗張強(qiáng)度和優(yōu)異的生物相容性，在食品、醫(yī)藥、紡織、化工等方面有著巨大的

16、應(yīng)用潛力。利用細(xì)菌纖維素的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)彈性模量等特點(diǎn)可以用于增強(qiáng)聚合物基體，制備無(wú)機(jī)納米粒子的模板、分散載體以及用于制備透明增強(qiáng)復(fù)合材料。細(xì)菌纖維素有許多獨(dú)特的性質(zhì)：具有高化學(xué)純度和高結(jié)晶度，沒(méi)有木質(zhì)素、果膠和半纖維素等伴生產(chǎn)物；具有很強(qiáng)的持水能力，未經(jīng)干燥的細(xì)菌纖維素持水能力達(dá)1000以上，冷凍干燥后持水能力仍達(dá)600；具有較高的生物相容性和生物可降解性；纖維直徑在0.010.1um之間，彈性模量為一般植物纖維的數(shù)倍至十倍以上，并且抗拉強(qiáng)度高；細(xì)菌纖維素生物合成時(shí)具有可調(diào)控性。由于細(xì)菌纖維素具有以上優(yōu)異的特性，故其在造紙、食品工業(yè)、醫(yī)藥、生物醫(yī)學(xué)工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)商品化

17、的產(chǎn)品主要有用作外科和齒科材料的細(xì)菌纖維素產(chǎn)品Biofill、Gengiflex和BASYC。對(duì)于二級(jí)和三級(jí)燒傷、潰瘍等，Biofill已被成功用作人造皮膚的臨時(shí)替代品18，Geniflex已用于齒根膜組織的恢復(fù)19；基于細(xì)菌纖維素的原位可塑性設(shè)計(jì)出的BASYC可望在顯微外科中用作小尺寸人造血管20。4.2納米材料應(yīng)用展望科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年內(nèi)，汽車、因特網(wǎng)、通訊和納米醫(yī)藥將隨著納米技術(shù)的發(fā)展而發(fā)生重大變化。隨心所欲地摁一下電鈕，就可以改變服裝和汽車的顏色；靠陽(yáng)光充電的電瓶；直接進(jìn)入癌癥患者腫瘤細(xì)胞的藥物輸送技術(shù)；體積更小、運(yùn)算速度更快的單電子計(jì)算機(jī)等，也許用不了多久就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。納米技術(shù)在不

18、久的將來(lái)將深刻影響與人類生活、經(jīng)濟(jì)相關(guān)的重要領(lǐng)域。4.3納米材料應(yīng)用進(jìn)展實(shí)例4.3.1從太陽(yáng)中吸取能量油價(jià)的提升和全球變暖的恐懼重新點(diǎn)燃了可替代能源的尋找工作。Konarka of Lowell 推出“roll- toroll”太陽(yáng)能電池技術(shù), 就是以含納米粒子的薄膜制造。該電池與傳統(tǒng)電池效能不同, 它們是用更便宜的工藝制作的。低價(jià)且靈活的電池, 使太陽(yáng)能可在更多場(chǎng)合使用, 包括建筑窗戶和帳篷、手提包的纖維等。另外, 還有利用納米線獲取太陽(yáng)能的報(bào)道, 這將比廉價(jià)電池的效率更高。4.3.2鋰經(jīng)濟(jì)輕質(zhì)鋰電池不適宜聚集在一起用于高能場(chǎng)合, 例如無(wú)電線鉆井和混合汽車?，F(xiàn)在, 由于計(jì)算機(jī)模型可確定有希望

19、的新型電池材料, 所以我們看到了鋰離子電池堆用于無(wú)電工具, 在未來(lái), 其將帶來(lái)更多應(yīng)用, 并朝著更輕、更強(qiáng)有力的混合汽車前進(jìn)。此外, 鋰電池由于不存在氫的供給問(wèn)題, 在未來(lái)的汽車工業(yè)中將與燃料電池有著激烈競(jìng)爭(zhēng)。4.3.3自組裝設(shè)備納米技術(shù)的夢(mèng)想是“一罐”合成: 組合原始材料、混合、加熱, 以及納米部件的工作設(shè)備。由于今天的半導(dǎo)體工業(yè)中的高溫反應(yīng), 這樣的合成不需要更多的能源, 還能減少有害溶劑使用, 并且價(jià)格比較低廉。麻省理工學(xué)院的Angela Belcher直接進(jìn)化病毒并發(fā)酵, 使自組裝成為可能。在2005 年12 月/ 2006年1 月的技術(shù)評(píng)論雜志上, 還有使用納米機(jī)械組裝單分子存儲(chǔ)設(shè)備

20、的報(bào)道。4.3.4納米醫(yī)藥2006 年在靈敏納米傳感器方面具有突破, 納米傳感器還能夠使疾病在治療的初期就被檢測(cè)出來(lái)。哈佛化學(xué)教授Char les Lieber 和Xiaowei Zhuang 描述了納米線能用于檢測(cè)單濾過(guò)性病毒粒子。這種檢測(cè)器在一次檢測(cè)中可立刻篩選出100 種不同病毒。納米傳感器還能發(fā)現(xiàn)早期癌癥,比現(xiàn)有的測(cè)試更精確。高靈敏度意味著只需要一小滴血樣本, 只相當(dāng)于糖尿病人戳指檢測(cè)葡萄糖水平的量。無(wú)論是快速確定其治療的需要還是放松病人的精神, 這種測(cè)試對(duì)于具有家族病史的人來(lái)說(shuō), 可以認(rèn)為是無(wú)價(jià)的新方法。而且這種測(cè)試本身非常便宜,并可以在藥店柜臺(tái)買到, 方便使用。納米級(jí)粒子可作為癌癥

21、檢測(cè)、成像、靶向和個(gè)性化處理的核心傳輸設(shè)備, 其還具有潛在的轉(zhuǎn)換癌治療, 可殺死癌細(xì)胞, 同時(shí)消除常規(guī)化學(xué)療法和放射療法的副作用。Michigan 大學(xué)的James Baker 教授已發(fā)明了一種傳輸系統(tǒng), 將于明年進(jìn)行人體試驗(yàn)。4.3.5通用存儲(chǔ)器當(dāng)自組裝能轉(zhuǎn)變計(jì)算機(jī)生產(chǎn)時(shí),早期應(yīng)用是將新的納米粒子和現(xiàn)存制造工藝相結(jié)合的混合方法。這條工藝路徑是由Nantero（一家制造通用存儲(chǔ)器的公司）所開(kāi)發(fā)的。這種型號(hào)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器不需要連續(xù)能源, 也能存儲(chǔ)信息, 類似于數(shù)碼相機(jī)的閃卡,同時(shí)存儲(chǔ)快速, 就像PC 里的存儲(chǔ)器。Nantero 技術(shù)將納米管結(jié)合進(jìn)傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝中, 實(shí)際產(chǎn)品于2006 年問(wèn)世

22、。4.3.6納米和環(huán)境問(wèn)題納米技術(shù)跨越了技術(shù)障礙, 但最終它的成功與否還取決于是否能被消費(fèi)者接受。這就是說(shuō)要使公眾確信納米材料是安全的。使納米科技如此吸引人的地方在于: 在納米級(jí)上出現(xiàn)的新性質(zhì)和巧妙改進(jìn)這種性質(zhì)的能力,而帶來(lái)的結(jié)果是如果消除這種新物質(zhì)對(duì)環(huán)境、以及人體帶來(lái)的影響。今年, 對(duì)納米材料對(duì)環(huán)境和健康的作用已有了更廣泛的研究。許多納米科技支持者認(rèn)為, 來(lái)年研究者和工業(yè)界將需認(rèn)真考慮安全問(wèn)題21。5、納米材料的表征方法 5.1廣角X射線衍射廣角X射線衍射(Wide-angle X-ray diffraction，WAXRD)技術(shù)作為材料的物相組成、晶體的結(jié)構(gòu)類型和晶體學(xué)數(shù)據(jù)的重要方法之一，

23、被廣泛地應(yīng)用在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析之中。其基本原理是：將一束電子在高壓下加速，使其轟擊金屬靶(如Cu靶)。高能電子使靶中原子的內(nèi)殼層電子(K電子)激發(fā)，處在外軌道上的電子便會(huì)躍遷到該軌道，同時(shí)輻射出特征X射線。經(jīng)濾波之后的X射線照射在樣品上，當(dāng)X射線的波長(zhǎng)入和樣品晶面間距相近時(shí)便發(fā)生衍射。5.2振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrating Sample Magnetometer，VSM）是基于電磁感應(yīng)原理制成的儀器。它是測(cè)量磁性材料性能的重要儀器。它能給出一些重要的磁性參數(shù)，例如矯頑力Hc、飽和磁化強(qiáng)度M和剩余磁化強(qiáng)度B等，由電磁鐵、振動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)組成。樣品置于單一磁場(chǎng)中會(huì)被感應(yīng)出磁矩。而將

24、樣品置于振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的拾取線圈中，作正弦振動(dòng)時(shí)，由于通過(guò)樣品的磁通量的變化，在檢測(cè)線圈中便會(huì)感應(yīng)出電壓信號(hào)。該信號(hào)與磁矩成比例，所以振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)可以用來(lái)測(cè)量材料的磁特性。磁場(chǎng)可以由電磁鐵或超導(dǎo)磁體產(chǎn)生，所以磁矩和磁化強(qiáng)度可以作為磁場(chǎng)的參數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。選用鐵磁材料時(shí)，主要決定于它們的磁化強(qiáng)度和磁滯回線，所以VSM系統(tǒng)的常用功能是測(cè)量鐵磁材料的磁特性。5.3掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)是介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。其基本原理是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)

25、掃描成像，成像信號(hào)可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。SEM的優(yōu)點(diǎn)是：（1）有較高的放大倍數(shù)，觀察倍數(shù)可從極低倍率（5倍）到高倍率（30萬(wàn)倍）之間連續(xù)可調(diào)；（2）有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；（3）電子束對(duì)樣品的損傷與污染程度較小等。利用SEM可直接觀測(cè)晶體的形貌、大小、均一程度等微觀細(xì)節(jié)20。5.4傅立葉變換紅外光譜傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared，F(xiàn)T-IR）是利用一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外線照射一物質(zhì)，該物質(zhì)將吸收一部分光能，把它轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝?dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能。根據(jù)紅外吸收光譜中吸收峰的位置和形狀可以推斷

26、出未知物的結(jié)構(gòu)；根據(jù)吸收峰的強(qiáng)度可測(cè)定未知物的含量。此外，應(yīng)用紅外吸收光譜還可以測(cè)定分子的鍵長(zhǎng)、鍵角、并進(jìn)而推斷出分子的立體構(gòu)型等。紅外光譜方法具有用量少、樣品處理簡(jiǎn)單、操作方便快速等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)、分析化學(xué)中最常用和不可或缺的工具。5.5熱重差示掃描量熱熱重差示掃描量熱（Thermogravimetry-differential scanning calorimetry，TG-DSC）技術(shù)是在DTA基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種熱分析技術(shù)，但DSC熱效應(yīng)變化量的測(cè)定比DTA更準(zhǔn)確。TG與DSC聯(lián)用能夠更好地了解催化劑材料的含量、熱穩(wěn)定性以及相應(yīng)物理性質(zhì)的變化。此外，將XRD與TG-DSC相結(jié)

27、合，幫助人們研究催化劑材料在焙燒過(guò)程中結(jié)構(gòu)與化學(xué)行為的變化，從而確定樣品焙燒的最佳溫度點(diǎn)。5、結(jié)束語(yǔ)：在過(guò)去十多年里，盡管納米材料的研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但許多重要問(wèn)題仍有待探索和解決。這些基本問(wèn)題是進(jìn)一步深入研究納米材料及其實(shí)用化的關(guān)鍵，也是納米材料研究被稱為“高風(fēng)險(xiǎn)與高回報(bào)并存”的原因。我國(guó)系統(tǒng)開(kāi)展納米材料的科學(xué)研究始于20 世紀(jì)80 年代末，經(jīng)過(guò)近十年的努力，已經(jīng)做出了一些高水平、有國(guó)際影響的工作。整體水平和實(shí)力緊步美、日、德等主要西方國(guó)家之后，受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度重視。然而，在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下，急需以現(xiàn)有工作為基礎(chǔ)，以若干學(xué)科為突破目標(biāo)，集中人力、物力、財(cái)力的投入，使我國(guó)在這一領(lǐng)

28、域的研究水平上一個(gè)新臺(tái)階。參考文獻(xiàn)：1.周彥豪，納米科技與橡膠工業(yè)的發(fā)展J.中國(guó)橡膠,2002.18(21):23。2.盧柯,徐堅(jiān)。納米金屬材料：進(jìn)展和挑戰(zhàn), 見(jiàn)：李桓德編。98中國(guó)材料研討會(huì)論文集, 重慶市, 1998。北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999。8892。3.盧柯, 周飛。納米晶體材料的研究現(xiàn)狀。金屬學(xué)報(bào)，1997，23（1）:99106。4.吳?？? 趙明文, 汪良主, 張鴻飛。納米固體材料的性能與界面微觀結(jié)構(gòu)。原子與分子物理學(xué)報(bào),1997，14（2）：148152。5.王廣厚, 韓民。納米微晶材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。物理學(xué)進(jìn)展1990，10（2）：248289。6.張立德，納米材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2000