納米材料綜述

1、納米材料綜述摘要納米技術(shù)、納米材料在21世紀(jì)將扮演重要角色，納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)之一。 本文綜述了納米材料的定義、歷史、特性、目前應(yīng)用狀況和應(yīng)用前景等方面，并對目前國際上對研究納米 材料研究進(jìn)行分析。Abstract nanotechnology, nanomaterials in twenty-first Century will play an important role, nanotechnology is one of the worlds most promising decisive technology nowadays. This paper reviews

2、 the definition, history, characteristics of nanometer materials, the current application status and application prospects, and analysis of the current international research on research of nanometer materials.關(guān)鍵字納米材料；定義；發(fā)展歷史；性能；應(yīng)用；前景Keywords nanometer materials;definition; development history; prop

3、erties; application; prospect1.1納米材料的定義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，這 大約相當(dāng)于10100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。2.1發(fā)展歷史納米材料發(fā)展有三個(gè)階段：第一階段（1990年以前）：主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研 究評估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能;研究對象一般局限在單一材料和單相材料， 國際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。第二階段（19901994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納

4、米復(fù) 合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新 熱點(diǎn)。國際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以 及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。3納米材料的性能3.1力學(xué)性能許多納米金屬的室溫硬度比相應(yīng)粗晶高27倍；納米材料具有更高的強(qiáng)度，例如，6nm的納米鐵晶體的強(qiáng) 度比多晶鐵提高12倍，硬度提高了 2- 3個(gè)數(shù)量級；韌性更大，如美國Argonnel實(shí)驗(yàn)室制成的納米CsF2陶 瓷晶體在室溫下可

5、彎曲100%。室溫下的納米TiO2陶瓷晶體表現(xiàn)出很高的韌性，壓縮至原長度的1/4仍不 破碎。3.2熱學(xué)性能一般納米金屬材料的熱容是傳統(tǒng)金屬的2倍；直徑為10nm的Fe、Au和Al熔點(diǎn)分別由其粗晶熔點(diǎn)的 1540 C、1063 C和660 C降到33 C、27 C和18 C。2nm的金的顆粒熔點(diǎn)僅為330 C ,比通 常金的熔點(diǎn)低700 C以上，而納米銀粉的熔點(diǎn)僅為100 C ;此外，納米材料的熱膨脹可調(diào)，可用于具 有不同熱膨脹系數(shù)的材料的連接。3.3磁學(xué)性能當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級時(shí)，晶粒之間的鐵磁相，互作用開始對材料的宏觀磁性有重要影響，使得納米 材料具有高磁化率和高矯頑力，低飽和磁矩和低磁耗

6、納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和 磁矩是普通金屬的1/2。3.4光學(xué)性能各種納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率將顯著降低，一般低于1%。粒度越細(xì)，光的吸收越 強(qiáng)烈，利用這一特性，納米金屬有可能用于制作紅外線檢測元件、隱身飛機(jī)上的雷達(dá)波吸收材料。35電學(xué)性能電導(dǎo)率低，納米固體中的量子隧道效應(yīng)使電子運(yùn)輸表現(xiàn)出反?，F(xiàn)象，例如，納米硅氫合金中的氫含量大 于5% （原子分?jǐn)?shù)）時(shí)，電導(dǎo)率下降2個(gè)數(shù)量級，并出現(xiàn)通道電阻效應(yīng)。納米材料的電導(dǎo)率隨顆粒尺寸的 減小而下降。3.6高擴(kuò)散性納米晶體的自擴(kuò)散速率為傳統(tǒng)晶體的1016至1019倍，是晶界擴(kuò)散的100倍。高的擴(kuò)散速率使納米材料 的固態(tài)反

7、應(yīng)可在室溫或低溫下進(jìn)行。3.7表面活性隨著納米微粒粒徑減小，比表面積增大，表面原子數(shù)增多及表面原子配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸鍵和不 飽和鍵等，使得納米微粒具有高的表面活性，適于作催化劑和貯氫材料4納米材料目前應(yīng)用4.1在光電領(lǐng)域的應(yīng)用在光電信息傳輸、儲存、處理、運(yùn)算和顯示的方面，納米技術(shù)使光學(xué)器件的性能大大提高。將納米技術(shù) 運(yùn)用到現(xiàn)有的雷達(dá)信息處理上，可是其能力提高到10倍至幾百倍。4.2在靜電屏蔽方面的應(yīng)用納米氧化物粒子具有半導(dǎo)體效應(yīng)，在常溫下起導(dǎo)電性比常規(guī)氧化物高。具有良好的靜電屏蔽作用化纖衣 服和化纖地毯由于靜電效應(yīng)，容易吸附灰塵，危害人體健康。在其中加入金屬納米微粒，就會使靜電效應(yīng) 大大

8、降低。4.3在信息科技領(lǐng)域的應(yīng)用磁性納米微粒由于尺寸小，具有但磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性，用它制造磁記錄材料可以提高信噪比， 改善圖像質(zhì)量，還可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等。4.4產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用微電子器件當(dāng)電子器件進(jìn)入納米級尺寸時(shí)，量子效應(yīng)就十分明顯，納米材料應(yīng)用到電子器件上時(shí)就會產(chǎn)生普通元件所 沒有的效果。在信息領(lǐng)域，20世紀(jì)的微電子材料要轉(zhuǎn)化為21世紀(jì)的納米電子材料，這方面的研究將會是 重點(diǎn)。傳感器方面納米粒子的比表面積高，活性高，時(shí)期在傳感器方面成為最具前景的材料。20世紀(jì)80年代初，日本已研 制出SnO2納米薄膜傳感器。電器領(lǐng)域納米材料的應(yīng)用可以使許多產(chǎn)品改頭換面，比如可以改變傳

9、統(tǒng)的靜電屏蔽材料只能使用單一的黑色，這樣 像彩電就可以使用不同的外包裝材料。汽車制造業(yè)中，車身若采用納米復(fù)合材料，則車身的抗沖擊強(qiáng)度和 安全系數(shù)比不同鋼板車高出幾倍。4.5納米生物學(xué)納米生物學(xué)的產(chǎn)生是與SPM的發(fā)明和在生命科學(xué)中的應(yīng)用分不開的。生命過程是已知的物理、化學(xué)過程中 最復(fù)雜的事情。不同于宏觀生物學(xué)，納米生物學(xué)是從微觀的角度來觀察生命現(xiàn)象、并以對分子的操縱和改 性為目標(biāo)的。納米生物學(xué)發(fā)展時(shí)間不長就已經(jīng)取得了可喜的成績。生物科學(xué)家在納米生物學(xué)領(lǐng)域提出了許 多富有挑戰(zhàn)性的新觀念。4.6生物導(dǎo)彈生物導(dǎo)彈”是免疫導(dǎo)向藥物的形象稱呼，它由單克隆抗體與藥物、酶或放射性同位素配合而成。單克隆抗體 而

10、能自動導(dǎo)向，在生物體內(nèi)與特定目標(biāo)細(xì)胞或組織結(jié)合，并由其攜帶的藥物產(chǎn)生治療作用。單克隆抗體具有高度專一性，能夠識別細(xì)胞表面抗原、各種受體、各種體液成分及細(xì)胞內(nèi)和組織內(nèi)的各種成分，能 精確地瞄準(zhǔn)和捕獲靶細(xì)胞，特異性地與靶目標(biāo)發(fā)生反應(yīng)，因而有“生物導(dǎo)彈”之稱。它正越來越廣泛地在人 類疑難疾病的診斷中，發(fā)揮其他常規(guī)藥物無法達(dá)到的獨(dú)特和卓越效能。4.7納米醫(yī)用機(jī)器人納米機(jī)器人”的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)制造可對納米 空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象， 研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。合成生物

11、學(xué)對細(xì)胞信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì)，開發(fā)“在 體”（in vivo）或“濕”的生物計(jì)算機(jī)或細(xì)胞機(jī)器人，從而產(chǎn)生了另種方式的納米機(jī)器人技術(shù)。4.8在醫(yī)療工業(yè)中的應(yīng)用將納米顆粒壓成薄片制成過濾器，其過濾孔徑為納米級，在醫(yī)療工業(yè)中可用于血清消毒。納米材料具有良 好的吸附性，可用于制作生物吸附和選擇分離材料。可以將中藥材制成易于口服的膠囊，或制成中藥膏直 接貼于患處，納米粒子經(jīng)皮膚直接被吸收。在制藥方面，納米技術(shù)使其越來越精細(xì)，甚至可以再納米尺度 上直接排列原子，分子來制成具有特定功能的藥品。4.9解決能源問題納米半導(dǎo)體材料在納米半導(dǎo)體材料上附帶貴金屬、金屬氧化物或在半導(dǎo)體表面修飾染料、導(dǎo)電高聚物

12、等可使光分解水的效 率大大提升，將對光化學(xué)的太陽能存儲起到巨大的推動作用。4.10軍事領(lǐng)域的應(yīng)用納米材料作為一種新興的材料，它在以高科技為主的軍事上有巨大的應(yīng)用前景。納米碳管防彈衣、微型機(jī)器人、納米衛(wèi)星、微型飛機(jī)、間諜草、隱形材料等4.11石化領(lǐng)域的應(yīng)用加入納米材料可以使傳統(tǒng)涂料產(chǎn)生更強(qiáng)的防護(hù)力，實(shí)現(xiàn)防紫外線輻射、耐大氣侵害和抗降解、變色等。在 催化劑中，由于納米材料的表面活性高，可以使放映的速率大大提高。4.12納米材料在紡織品上的應(yīng)用納米材料在紡織上的應(yīng)用方式主要可分為兩大類，一是通過纖維改性功能化來實(shí)現(xiàn)，二是通過后整理技術(shù) 對織物進(jìn)行功能化整理。4.13其他方面納米材料在生活中，文物保護(hù)

13、中都有應(yīng)用。由于納米材料的特異性能，使其受到廣泛推崇。5納米材料的應(yīng)用前景展望納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、 納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng) 域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的 誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是 能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問題。21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料 和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的 新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將 成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕 重的作用。隨著其制備和改性技