納米材料的基本效應(yīng)及應(yīng)用-供參考

1、納米材料的特異效應(yīng)及應(yīng)用摘 要：介紹了納米材料所獨(dú)有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效以及介電限域效應(yīng)，這些效應(yīng)使得它們?cè)诖?、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性。綜述了納米材料在催化、傳感、磁性、食品、化妝品、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用，敘述了納米材料在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步中所起到的重要作用，并說(shuō)明了它還將有更廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：納米材料；基本效應(yīng)；應(yīng)用Nanostructured materials special effects and its applicationsAbstract：The particular small size effect，surfa

2、ce effect， quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects， nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ，optics ，electronic

3、s ，and sensitivity，ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ，sensitivity ，magnetics，food ,cosmetics and biomedicine，and so on are summarized . And the important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The applicat

4、ion prospect of nanometer materials is also illustrated.Key words ：nanometer materials ；basic effect ；application1984年德國(guó)科學(xué)家Gleiter首先制成了金屬納米材料，同年在柏林召開(kāi)了第二屆國(guó)際納米粒子和等離子簇會(huì)議，使納米材料成為世界性的熱點(diǎn)之一；1990年在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)的第一屆NST會(huì)議，標(biāo)志著納米科技的正式誕生；1994年在德國(guó)斯圖加特舉行的第二屆NST會(huì)議，表明納米材料已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的焦點(diǎn)。納米材料是指由納米粒子構(gòu)成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多

5、不超過(guò)100nm，在通常情況下，應(yīng)不超過(guò)l0nm。即這種材料是指其基本顆粒在l100nm范圍內(nèi)的材料。納米粒子是處在原子簇和宏觀物質(zhì)交界的過(guò)渡區(qū)域，是一種典型的介觀系統(tǒng)，包括金屬、非金屬、有機(jī)、無(wú)機(jī)和生物等多種顆粒材料。隨著物質(zhì)的超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物質(zhì)材料所不具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)，從而使超細(xì)粉末與常規(guī)顆粒材料相比較具有一系列特異的物理、化學(xué)性質(zhì)，使之作為一種新材料在國(guó)防、電子、化工、輕工、航天航空、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中開(kāi)拓了廣闊的應(yīng)用前景。納米材料的特異效應(yīng)1.1小尺寸效應(yīng)由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化

6、稱為小尺寸效應(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)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。這種特異效應(yīng)為納米材料的應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊的新領(lǐng)域。例如，隨著納米材料粒徑的變小，其熔點(diǎn)不斷降低，燒結(jié)溫度也顯著下降，從而為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝；而金屬超微顆粒對(duì)光的反射率通常低于1%，且尺寸越小，金屬顏色越黑，利用該特性可作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能?.2表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑

7、的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。或者說(shuō)，表面效應(yīng)是指表面原子占總原子數(shù)的百分?jǐn)?shù)隨粒子半徑的變化而變化，造成納米粒子性質(zhì)的變化。由圖1可見(jiàn)，隨著粒子半徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加，這是由于粒子粒徑的減小，粒子的表面積急劇增大所造成。表面原子或分子的比例大致和a/r成正比（a 為原子半徑，r 為粒子半徑）。如圖1所示，10nm的粒子表面原子占原子總數(shù)20%，2nm時(shí)占80%，1nm時(shí)占90%。由于表面原子增多，原子配位不足及高的表面能，使表面原子有很高的化學(xué)活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。配位越不足的原子，越不穩(wěn)定，極易轉(zhuǎn)移到配位數(shù)多的位置上，表面原子遇到其他原子很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化

8、,這就是活性原因。這種表面原子的活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性。例如，金屬納米粒子在空氣中會(huì)燃燒；暴露的無(wú)機(jī)納米粒子會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。1.3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)，納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占分子軌道和最低末被占分子軌道能級(jí)，以及能隙變寬等現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米微粒的光、電、磁、力、熱、聲以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有顯著的不同。例如，納米微粒對(duì)于紅外吸收表現(xiàn)出靈敏的量子尺寸效應(yīng)；共振吸收的峰比普通材料尖銳得多；比熱容與溫度的關(guān)系也呈非線性關(guān)系；金屬普遍是良導(dǎo)體，而納米金屬

9、在低溫下都是呈現(xiàn)電絕緣體。1.4宏觀量子隧穿效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等宏觀量也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。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)，它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。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)。1.5介電限域效應(yīng)隨著粒徑的不斷減小，其比表面積不斷增大，微粒的性質(zhì)將受到表面狀態(tài)的強(qiáng)烈影響。當(dāng)在半導(dǎo)體超微粒表面上修飾某種介電常數(shù)較小的材料時(shí)，他們的光學(xué)性質(zhì)與裸露的超微粒相比，發(fā)生了較大的變化，這種差別就來(lái)

10、自介電限域效應(yīng)。這種效應(yīng)使屏蔽效應(yīng)減弱，同時(shí)帶電粒子間的庫(kù)侖作用力增強(qiáng)，結(jié)果增強(qiáng)了粒子的結(jié)合能和振子強(qiáng)度。2 納米材料的應(yīng)用2.1在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用由于納米粒子尺寸小、表面占有的體積百分?jǐn)?shù)較大、表面原子配位不全導(dǎo)致表面的活化中心增多，這就提供了其作為催化劑的必要條件。納米粒子作為催化劑可大大提高反應(yīng)速度和反應(yīng)效率；決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性；降低反應(yīng)溫度。納米材料稀土氧化物/氧化鋅可作為二氧化碳選擇性氧化乙烷制乙烯的催化劑。它是以為載體擔(dān)載稀土氧化物作為活性組分，載體ZnO是平均粒度為5-80nm的超細(xì)納米粒子，所用稀土氧化物為鑭、鈰、釤等稀土元素中的一種或幾種混合氧化物，含量為10%-80

11、%。用這種納米催化劑，乙烷和二氧化碳反應(yīng)可高選擇性地轉(zhuǎn)化為乙烯，乙烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)60%，乙烯選擇性可達(dá)90%。2.2在傳感器方面的應(yīng)用由于納米材料具有大的比表面積，高的表面活性及與氣體相互作用強(qiáng)等原因，納米微粒對(duì)周圍環(huán)境十分敏感，如光、溫、氣氛、濕度等，因此可用作各種傳感器，如溫度、氣體、光、濕度等傳感器。用納米金沉積在基板上形成的膜可用作紅外線傳感器。金納米薄膜的特點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)光到紅外光整個(gè)范圍的光吸收率很高，當(dāng)薄膜厚度達(dá)500 g/cm2以上時(shí)，可吸收95%的光。大量紅外線被金膜吸收后轉(zhuǎn)變成熱，由膜與冷接點(diǎn)之間的溫差可測(cè)出其溫差勢(shì)電勢(shì)，據(jù)此就可制成輻射熱測(cè)量?jī)x。2.3在磁性材料中的應(yīng)用磁記錄是

12、信息儲(chǔ)存與處理的重要手段，隨著信息化的高速發(fā)展，要求記錄密度日益提高磁性納米材料因具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，故用它作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖象質(zhì)量。晶粒尺寸為30-80nm的Fe、Co、Ni磁性合金可用于制造高速視頻磁帶復(fù)制裝置用的原版磁帶和計(jì)算機(jī)用磁帶，其壽命約為-Fe203磁帶的兩倍。高矯頑力的強(qiáng)磁性納米材料還可以制成磁性信用卡、磁性票證及磁性鑰匙等。將磁性納米微粉通過(guò)界面活性劑均勻分散于溶液中制成的磁流體，在宇航、磁制冷、顯示及醫(yī)藥中已廣泛應(yīng)用。2.4在食品及化妝品中的應(yīng)用將天然花粉超細(xì)粉碎后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以釋放，作為添加劑可以制成高價(jià)值保健品。被廢棄的蝦蟹殼、蛋殼及各類動(dòng)物骨頭

13、等超細(xì)粉碎后，是良好的有機(jī)鈣添加劑。在防曬護(hù)膚品中添加納米級(jí)ZnO、TiO2有很好的護(hù)膚美容作用，其防紫外線效果優(yōu)于有機(jī)防曬劑。目前日本已開(kāi)發(fā)出了化妝品用紫外線屏蔽劑；用Ag等納米粒子制成的抗菌、除臭復(fù)合劑粉，具有光譜殺菌、除臭功能，并可長(zhǎng)時(shí)間使用。2.5在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米微粒尺寸與生物體內(nèi)細(xì)胞、紅血球相近，從而為生物醫(yī)學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑?？蓪⒓{米機(jī)器人注入人體血管內(nèi)，隨血液流動(dòng)可對(duì)人體各部位進(jìn)行全身健康檢查，例如，疏通血管中的血栓，清除動(dòng)脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞等。還可以和機(jī)器人進(jìn)行對(duì)話，使其能按人們的意圖去進(jìn)行基因的裝配，對(duì)人體器官進(jìn)行修復(fù)。納米Fe粒子作為顯影劑可

14、發(fā)現(xiàn)微小癌變，有利于癌癥的早期診斷和治療。磁性超微粒子還可用于癌細(xì)胞分離技術(shù)，如英國(guó)倫敦的兒科醫(yī)院已利用磁性超微粒子分離癌細(xì)胞，成功地進(jìn)行了人體骨髓液癌變細(xì)胞的分離。一些具有生物活性的納米材料，還可用于人造骨、人造牙、人造人體器官等。除上述用途外，納米材料在光學(xué)材料、工程材料、潤(rùn)滑技術(shù)、紡織領(lǐng)域等方面的應(yīng)用也有良好的發(fā)展前景。3 結(jié)語(yǔ)納米材料是上世紀(jì)80 年代中期發(fā)展起來(lái)的新型材料，它所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使它顯示出獨(dú)特而優(yōu)異的性能。科學(xué)家預(yù)言，納米時(shí)代的到來(lái)不會(huì)太久，它在未來(lái)的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算機(jī)工業(yè)，并成為未來(lái)信息時(shí)代的核心。盡管納米材料的研究已取得了很大的的進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步探索和

15、解決。如納米材料的微觀結(jié)構(gòu)特征還需深入細(xì)致的研究與確證；納米材料制備過(guò)程中的結(jié)構(gòu)控制及其性能穩(wěn)定方面也有許多工作要做，這些都是納米材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)?？梢韵嘈牛{米材料作為一門(mén)新興的科學(xué)，必將對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn):1孫麗麗，蓋軻.納米材料的特性及用途期刊論文-錦州師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2002，23（3）2高新，李穩(wěn)宏，王鋒，楊清翠.納米材料的性能及其應(yīng)用領(lǐng)域期刊論文-石化技術(shù)與應(yīng)用.2002，20（3）3張敬暢，劉慷，曹維良.納米粒子的特性、應(yīng)用及制備方法期刊論文- 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào).2001，14（3）4王天赤，路嬪，車丕智，辛顯雙，周百斌.納米材料的特性及其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用期刊論文- 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2003，1