納米技術(shù)與納米材料

1、納米技術(shù)與納米材料納米技術(shù)是近十年來蓬勃興起的新科技，納米技術(shù)是一種在納米尺度空間內(nèi)的生產(chǎn)方式和工作方式。納米技術(shù)的內(nèi)涵非常廣泛，它包括納米材料的制造技術(shù)，納米材料向各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)（含高科技領(lǐng)域），在納米空間構(gòu)筑一個(gè)器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)原子、分子的翻切、操作以及在納米微區(qū)內(nèi)對(duì)物質(zhì)傳輸和能量傳輸新規(guī)律的認(rèn)識(shí)等等。納米技術(shù)作為一門嶄新的、面向21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù),它已滲透于精細(xì)化工的方方面面，逐步形成納米精細(xì)化工學(xué)，可以預(yù)言，隨著納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，會(huì)有越來越多的新型納米材料在精細(xì)化工方面得到廣泛的應(yīng)用，精細(xì)化工學(xué)也會(huì)發(fā)生巨大的變革。第一節(jié)概述一、納米技術(shù)與納米材料的概念1納米技術(shù)納米科學(xué)技術(shù)是研究

2、在千萬分之一米（10-8）到億分之一米（10-9米）內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問；在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工稱為納米技術(shù)。我國(guó)納米科學(xué)家，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）納米材料和納米結(jié)構(gòu)項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所張立德研究員作了總結(jié)性的定義：“納米科技是研究由尺寸在0.1lOOnm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)”。納米技術(shù)包括的內(nèi)容有：創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料；設(shè)計(jì)、制備各種納米器件和裝置；探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。2納米材料納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)（10-9米）的超細(xì)材料。它

3、的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為0.1102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子，二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長(zhǎng)程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長(zhǎng)程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級(jí)，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。納米材料跟普通的金屬、陶瓷和其它固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些原子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或

4、結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm,包含的原子不到幾萬個(gè)。一個(gè)直徑為3nm的原子團(tuán)包含大約900個(gè)原子，幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長(zhǎng)的帆船跟整個(gè)地球的比例。二、納米材料的特性納米材料是指物質(zhì)的顆粒尺寸vlOOnm的超微粉末,它的比表面積很大，晶界處的原子數(shù)比率高達(dá)15%50%,些科學(xué)家認(rèn)為，納米材料不同于晶態(tài)與非晶態(tài)，是物質(zhì)的第三態(tài)固體材料，其種類很多，可分為金屬、陶瓷、有機(jī)與無機(jī)、復(fù)合納米材料等。納米材料的特殊性能是由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生四大效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)（含宏觀量子隧道效應(yīng)）、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材

5、料所不具備的物理、化學(xué)性能。納米材料的表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如圖10-1所示：比例慶表面原千敷相對(duì)總原子頻圖10-1表面原子數(shù)與粒徑的關(guān)系從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到lnm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識(shí)地控

6、制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于1

7、%,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27C,2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327C左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670C，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100C。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚

8、均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1%0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000C降低到12001300C，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為210-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材

9、料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到210-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于610-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新

10、奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的，呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。量子尺寸效應(yīng)各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出

11、發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)是量子

12、力學(xué)中的微觀粒子所具有的特性，即在電子能量低于它要穿過的勢(shì)壘高度時(shí)，由于電子具有波動(dòng)性而具有穿過勢(shì)壘的幾率。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者說它確立了現(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)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件

13、。三、幾種典型的納米材料納米材料按照材料的形態(tài)，可將其分為四種。分別是納米顆粒型材料、納米固體材料、納米膜材料、納米磁性液體材料。納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料。被稱為第四代催化劑的超微顆粒催化劑，利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率，例如，以粒徑小于0.3微米的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要成分制成的催化劑可使有機(jī)物氯化的效率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍；超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水，超細(xì)鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用，從而生成碳纖維。錄音帶、錄像帶和磁盤等都是采用磁性顆粒作為磁記錄介質(zhì)。隨著社會(huì)的信息化，要求信息儲(chǔ)存量大、信息

14、處理速度高，推動(dòng)著磁記錄密度日益提高，促使磁記錄用的磁性顆粒尺寸趨于超微化。目前用金屬磁粉（20納米左右的超微磁性顆粒）制成的金屬磁帶、磁盤，國(guó)外已經(jīng)商品化，其記錄密度可達(dá)4X1064X107位/厘米（107108位/英寸），即每厘米可記錄4百萬至4千萬的信息單元，與普通磁帶相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。超細(xì)的銀粉、鎳粉輕燒結(jié)體作為化學(xué)電池、燃料電池和光化學(xué)電池中的電極，可以增大與液體或氣體之間的接觸面積，增加電池效率，有利于電池的小型化。超微顆粒的輕燒結(jié)體可以生成微孔過濾器。例如，超微鎳顆粒所制成的微孔過濾器平均孔徑可達(dá)10納米，從而可用于氣體同位素、混合稀有氣體、有機(jī)化合物的

15、分離和濃縮，也可用于發(fā)酵、醫(yī)藥和生物技術(shù)中。磁性超細(xì)微粒作為藥劑的載體，在外磁場(chǎng)的引導(dǎo)下集中于病患部位，利于提高藥效，這方面的研究國(guó)內(nèi)外均在積極地進(jìn)行。采用超微金顆粒制成金溶膠，接上抗原或抗體就能進(jìn)行免疫學(xué)的間接凝集試驗(yàn)，可用于快速診斷。有一種超微顆粒乳劑載體，極易和游散于人體內(nèi)的癌細(xì)胞溶合，若用它來包裹抗癌藥物，可望制成克癌“導(dǎo)彈”。在化學(xué)纖維制造工序中摻入銅、鎳等超微金屬顆粒，可以合成導(dǎo)電性的纖維，從而制成防電磁輻射的纖維制品或電熱纖維，亦可與橡膠、塑料合成導(dǎo)電復(fù)合體。1991年春的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)執(zhí)行空襲任務(wù)的F-117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)，其機(jī)身外表所包覆的紅外與微波隱身材料中亦包含有多種超微

16、顆粒，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力。在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加1%重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加1倍。此外，超細(xì)、高純陶瓷超微顆粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微顆粒在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。納米固體材料：納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個(gè)晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高10141016倍，從而使得納米材料具有高韌性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難以加

17、工等缺點(diǎn)，納米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性，改善脆性。如將納米陶瓷退火使晶粒長(zhǎng)大到微米量級(jí)，又將恢復(fù)通常陶瓷的特性，因此可以利用納米陶瓷的特性對(duì)陶瓷進(jìn)行擠壓與軋制加工，隨后進(jìn)行熱處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔＬ沾?，或進(jìn)行表面熱處理，使材料內(nèi)部保持韌性，但表面卻顯示出高硬度、高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發(fā)展的趨勢(shì)是超薄型（厚度僅為幾微米），為了保證均質(zhì)性，組成的粒子直徑應(yīng)為厚度的1%左右，因此需用超微顆粒為原材料。隨著集成電路、微型組件與大功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，對(duì)高熱導(dǎo)率的陶瓷基片的需求量日益增長(zhǎng)，高熱導(dǎo)率的陶瓷材料有金剛石、碳化硅、氮化鋁等，用超微氮化鋁所制成的致密燒結(jié)體的導(dǎo)熱系數(shù)為100220瓦

18、/（K米），較通常產(chǎn)品高2.55.5倍。用超微顆粒制成的精細(xì)陶瓷有可能用于陶瓷絕熱渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)，陶瓷渦輪機(jī)，耐高溫、耐腐蝕軸承及滾球等。顆粒膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當(dāng)兩組份的比例大致相當(dāng)時(shí)。就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變?cè)及胁闹袃煞N組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。對(duì)金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。顆粒膜材料有諸多應(yīng)用。例如作為光的傳感器，金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內(nèi)，光的吸收效率與波長(zhǎng)的依賴性甚小，從而可作為紅外

19、線傳感元件。鉻-三氧化二鉻顆粒膜對(duì)太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用，可以有效地將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谎趸a顆粒膜可制成氣體-濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測(cè)多種氣體。顆粒膜傳感器的優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度、高響應(yīng)速度、高精度、低能耗和小型化，通常用作傳感器的膜重量?jī)H為0.5微克，因此單位成本很低。超微顆粒雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但在工業(yè)上尚未形成較大的規(guī)模，其主要原因是價(jià)格較高，而顆粒膜的應(yīng)用則不受價(jià)格因素的影響，這是超微顆粒實(shí)用化的很重要方向。4.納米磁性液體材料磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具

20、有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng)，因此具有其它液體所沒有的磁控特性。常用的磁性液體采用鐵氧體微顆粒制成，它的飽和磁化強(qiáng)度大致上低于0.4特。目前研制成功的由金屬磁性微粒制成的磁性液體，其飽和磁化強(qiáng)度可比前者高4倍。國(guó)外磁性液體已商品化，美、日、英等國(guó)均有磁性液體公司，供應(yīng)各種用途的磁性液體及其器件。磁性液體的用途十分廣泛。第二節(jié)納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖?、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用

21、前景。現(xiàn)將納米材料和納米技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域歸納如下。一、陶瓷增韌納米微粒顆粒小，比表面大并有高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化的速度快，還可以降低燒結(jié)溫度，目前材料科學(xué)工作者都把發(fā)展納米高效陶瓷作為主要的奮斗目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室已獲得一些結(jié)果。從應(yīng)用的角度發(fā)展高性能納米陶瓷最重要的是降低納米粉體的成本，在制備納米粉體的工藝上，除了保證納米粉體的質(zhì)量，做到尺寸和分布可控，無團(tuán)聚，能控制顆粒的形狀，還要求生產(chǎn)量大，這將為發(fā)展新型納米陶瓷奠定良好的基礎(chǔ)。近兩年來，科學(xué)工作者為了擴(kuò)大納米粉體在陶瓷改性中的應(yīng)用，提出了納米添加使常規(guī)陶瓷綜合性能得到改善的想法。二、磁性材料方面的應(yīng)用1.巨磁電阻材料磁

22、性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。巨磁電阻效應(yīng)是近10年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。2新型的磁性液體和磁記錄材料1963年，美國(guó)國(guó)家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的Fe3O4微顆粒上（直徑約為10nm）,并高度彌散于煤油（基液）中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒帶動(dòng)著被表面活性劑所包裹著的液體一起運(yùn)動(dòng)，因此，好像整個(gè)液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件是強(qiáng)磁性顆粒要

23、足夠小，以致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。例如對(duì)鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為10nm，對(duì)金屬微顆粒，通常大于6nm。在這樣小的尺寸下，強(qiáng)磁性顆粒已喪失了大塊材料的鐵磁或亞鐵磁性能，而呈現(xiàn)沒有磁滯現(xiàn)象的超順磁狀態(tài)，其磁化曲線是可逆的。為了防止顆粒間由于靜磁與電偶矩的相互作用而聚集成團(tuán)，產(chǎn)生沉積，每個(gè)磁性微顆粒的表面必需化學(xué)吸附一層長(zhǎng)鏈的高分子（稱為表面活性劑），高分子的鏈要足夠長(zhǎng)，以致顆粒接近時(shí)排斥力應(yīng)大于吸引力。此外，鏈的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生化學(xué)吸附，另一端應(yīng)和基液親和，分散于基液中。由于基液不同，可生成不同性能、不同應(yīng)用領(lǐng)域的磁性液體，如水基、煤油基、短基、二

24、醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。磁性液體的主要特點(diǎn)是在磁場(chǎng)作用下可以被磁化，可以在磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)它又是液體，具有液體的流動(dòng)性。在靜磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒將沿著外磁場(chǎng)方向形成一定有序排列的團(tuán)鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(shí)（如同在各向異性的晶體中傳播一樣），會(huì)產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外，磁性液體在靜磁場(chǎng)作用下，介電性質(zhì)亦會(huì)呈現(xiàn)各向異性。這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場(chǎng)分布，從而可將磁性液體約束

25、在磁場(chǎng)之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)，且沒有磨損，可以做到長(zhǎng)壽命的動(dòng)態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。此外，在電子計(jì)算機(jī)中為防止塵埃進(jìn)入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。在精密儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空密封，大功率激光器件的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，甚至機(jī)械人的活動(dòng)部件亦采用磁性液體密封法。此外，單晶爐提拉部位、真空加熱爐等有關(guān)部件的密封等，磁性液體是較為理想動(dòng)態(tài)密封方式之一。通常潤(rùn)滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10nm，因此，不會(huì)損壞軸承，而基液亦可用潤(rùn)滑油，只要采用合適的磁場(chǎng)就可以將磁性潤(rùn)滑油約束在所需的部位。增進(jìn)揚(yáng)聲器功

26、率。在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高56倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。磁性液體的添加對(duì)頻響曲線的低頻部分影響較大，通常根據(jù)揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)，選用合適粘滯性的磁性液體，可使揚(yáng)聲器具有較佳的頻響曲線。作阻尼器件。磁性液體具有一定的粘滯性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振蕩模式。例如，步進(jìn)電機(jī)是用來將電脈沖轉(zhuǎn)換為精確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是迅速地被加速或減速，因此，常導(dǎo)致系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài)。為了消除振蕩而變?yōu)槠交倪\(yùn)動(dòng)，僅需將少量磁性液體注入磁極的間隙中，在磁場(chǎng)作用下磁性液體自然地定位于轉(zhuǎn)動(dòng)部位。磁性液體被磁化后相當(dāng)于增加磁壓力，以致在磁性液體中的物體將會(huì)浮起，

27、好像磁性液體的視密度在隨著磁場(chǎng)增加而增大。利用此原理可以設(shè)計(jì)出磁性液體比重計(jì)，磁性液體對(duì)不同比重的物體進(jìn)行比重分離，控制合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可以用于礦物分離。例如，使高密度的金與低密度的砂石分離，亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離。磁性液體還有其它許多用途，如儀器儀表中的阻尼器、無聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機(jī)、醫(yī)療中的造影劑等等，不再一一例舉，今后還可開拓出更多的用途。用作磁記錄材料。近年來各種信息量飛速增加，需要記錄的信息量也不斷增加，要求記錄材料高性能化，特別是記錄高密度化。高記錄密度的記錄材料與超微粒有密切的關(guān)系。例如，要求每1cm

28、2可記錄1000萬條以上信息，那么，一條信息要求被記錄在110mm2中，至少具有300階段分層次的記錄，在110mm2中至少必須要有300個(gè)記錄單位。若以超微粒作記錄單元，會(huì)使記錄密度大大提高。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信噪比、改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求：顆粒的長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)小于記錄波長(zhǎng)；粒子的寬度（如可能，長(zhǎng)度也包括在內(nèi)）應(yīng)該遠(yuǎn)小于記錄深度；一個(gè)單位的記錄體積中，盡可能有更多的磁性粒子。磁性納米微粒除了上述應(yīng)用外，還可作光快門、光調(diào)節(jié)器（改變外磁場(chǎng)，控制透光量）、激光磁艾滋病毒檢測(cè)儀等儀器儀表、抗癌藥物磁性

29、載體、細(xì)胞磁分離介質(zhì)材料、復(fù)印機(jī)墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等。三、納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。最近，關(guān)于納米微粒表面形態(tài)的研究指出，隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凸凹不平的原子臺(tái)階，這就增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。有人預(yù)計(jì)超微粒子催化劑在21世紀(jì)很可能成為催化反應(yīng)的主要角色。盡管納米級(jí)的催化劑還主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但是它的應(yīng)用前途方興未艾。催化劑的作用主要可歸結(jié)為三個(gè)方面：一是提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)效率；二是決

30、定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性，例如只進(jìn)行氫化、脫氫反應(yīng)，不發(fā)生氫化分解和脫水反應(yīng)；三是降低反應(yīng)溫度。納米粒子作為催化劑必須滿足上述的條件。近年來科學(xué)工作者在納米微粒催化劑的研究方面已取得一些成果，顯示了納米粒子催化劑的優(yōu)越性。高鉻酸鉀粉可以作為炸藥的有效催化劑，以粒徑小于0.3mm的Ni和Cu-Zn合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機(jī)物氫化的效率是傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍，超細(xì)Pt粉、WC粉是高效的氫化催化劑。超細(xì)的Fe、Ni與Y-Fe2O3混合輕燒結(jié)體可以代替貴金屬而作為汽車尾氣凈化劑；超細(xì)Ag粉，可以作為乙烯氧化的催化劑；超細(xì)Fe粉，可在QH6氣相熱分解(100011000C)中起成核

31、的作用而生成碳纖維。Au超微粒子固載在Fe2O3、Co3O4、NiO中，在70C時(shí)就具有較高的催化氧化活性。近年來發(fā)現(xiàn)一系列金屬超微顆粒沉積在冷凍的饒腔基質(zhì)上，特殊處理后將具有斷裂C-C鍵或加成到C-H鍵之間的能力。例如Fe和Ni微顆粒可生成Mx-CyHz組成的準(zhǔn)金屬有機(jī)粉末，該粉末對(duì)催化氫化具有極高的活性。納米Ti在可見光的照射下對(duì)碳?xì)浠衔镆灿写呋饔?，利用這樣一個(gè)效應(yīng)可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層，有很好的保潔作用，日本東京已有人在實(shí)驗(yàn)室研制成功自潔玻璃和自潔瓷磚。這種新產(chǎn)品的表面有一薄層納米TiO2，在光的照射下任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌在光的照射下由

32、納米TiO2的催化作用，使這些碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)進(jìn)一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。納米TiO2光致催化作用給人們帶來了福音，高層建筑的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚的保潔都可以很容易地進(jìn)行。日本已經(jīng)制備出保潔瓷磚，裝飾了一家醫(yī)院的墻壁，經(jīng)使用證明，這種保潔瓷磚有明顯的殺菌作用。目前，關(guān)于納米粒子的催化劑有以下幾種，即金屬納米粒子催化劑，主要以貴金屬為主，如Pt、Rh、Ag、Pd，非貴金屬還有Ni、Fe、Co等。第二種以氧化物為載體，把粒徑為110nm的金屬粒子分散到這種多孔的襯底上。襯底的種類很多，有氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、沸石等。第二種是碳化鎢、Y-A12O3、Y-Fe2O3等納米粒聚

33、合體或者是分散于載體上。1金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上，例如納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團(tuán)，致使雙鍵很難打開，若加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開雙鍵變得容易，使氫化反應(yīng)順利進(jìn)行。2帶有襯底的金屬納米粒子催化劑這種類型催化劑用途比較廣泛，一般采取化學(xué)制備法，概括起來有以下幾種：浸入法。將金屬的納米粒子(2nm)均勻分散到溶劑中，再將多孔的氧化物襯底浸入該溶劑中使金屬納米粒子沉積在上面，然后取出。這種方法僅適用于襯底上含有少量納米粒子的情況。例如用這種方法制備的n-RhA12O3中銠的

34、含量?jī)H占1。離子交換法這種方法的基本過程是將襯底(沸石、SiO2等)表面處理使活性極強(qiáng)的陽離子(如H+、Na+等)附著在表面上，再將襯底放入含有復(fù)合離子的溶液中。復(fù)合陽離子有Pt(NH3)24+，Rh(NH3)5C12+等，由于發(fā)生了置換反應(yīng)，即襯底上的活性陽離子取代了復(fù)合陽離子中的貴金屬離子，這樣在襯底的表面上形成了貴金屬的納米粒子。吸附法把襯底放入含有Rb6(CO)6、Ru3(CO)l2等聚合體的有機(jī)溶劑中，將吸附在襯底上的聚合體進(jìn)行分解，還原處理，就在襯底上形成了粒徑約lnm的金屬納米粒子。蒸發(fā)法這種方法是將純金屬在惰性氣體中加熱蒸發(fā)，形成納米粒子，直接附著在催化劑襯底上。此方法的優(yōu)點(diǎn)是

35、純度高、尺寸可控。醇鹽法將金屬的乙二醇鹽與含有襯底元素的醇鹽混合，首先形成溶膠，然后使其凝膠化、熔燒、還原形成了金屬納米粒子，并分散在襯底材料中。這里還應(yīng)指出的是，有的納米粒子合金的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)催化劑的活性,它們對(duì)高分子的氫化還原和聚合反應(yīng)有良好的催化作用。例如:n-Co-Mn/SiO2,對(duì)乙烯的氫化反應(yīng)顯示出高活性，n-Pt-Mo/沸石在丁烷氫化分解反應(yīng)中其催化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)催化劑。金屬納米粒子催化劑還有一個(gè)使用壽命問題，特別是在工業(yè)生產(chǎn)上要求催化劑能重復(fù)使用，因此催化劑的穩(wěn)定性尤為重要。在這方面金屬納米粒子催化劑目前還不能滿足上述要求，如何避免金屬納米粒子在反應(yīng)過程中由于溫度的升高、

36、顆粒長(zhǎng)大還有待進(jìn)行研究。3半導(dǎo)體納米粒子的光催化半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的重視，原因在于這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。近年來，人們一直致力于尋找光活性好、光催化效率高、經(jīng)濟(jì)價(jià)廉的材料，特別是對(duì)太陽敏感的材料，以便利用光催化開發(fā)新產(chǎn)品，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。所謂半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指：在光的照射下，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的孔穴把周圍環(huán)境中的羥基電子奪過來，短基變成自由基，作為強(qiáng)氧化劑將物質(zhì)氧化，變化如下：酯醇醛酸CO2,完成了對(duì)有機(jī)物的降解。具有這種光催化半導(dǎo)體的能隙既不能太寬，也不能太窄，對(duì)太陽光敏感的具有光催化特性的半導(dǎo)體能隙一般為1.93.

37、1eV。納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多，原因在于：由于量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)變成分立能級(jí)，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負(fù)，而價(jià)帶電位變得更正。這意味著納米半導(dǎo)體粒子具有更強(qiáng)的氧化和還原能力。納米半導(dǎo)體粒子的粒徑小，比粗顆粒更容易通過擴(kuò)散從粒子內(nèi)遷移到表面，有利于得或失電子，促進(jìn)氧化和還原反應(yīng)。常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利太陽光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國(guó)、日本利用這種方法對(duì)海上石油泄露造成的污染進(jìn)行處理。采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷

38、釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。鉛化的TiO2納米粒子的光催化可以使丙炔與水蒸氣反應(yīng)，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；鉑化的TiO2納米粒子，通過光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。還有一個(gè)重要的應(yīng)用是，納米TiO2光催化效應(yīng)可以用來從甲醇水溶液中提取H2。4納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。為了提高熱燃

39、燒效率，將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。四、納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。1紅外反射材料納米微粒用于紅外反射材料上主要制成薄膜和多層膜來使

40、用。結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)電膜最簡(jiǎn)單，為單層膜，成本低。金屬-電介質(zhì)復(fù)合膜和電介質(zhì)多層膜均屬于層膜，成本稍高。在性能上，金屬-電介質(zhì)復(fù)合膜紅外反射性能最好，耐熱度在2000C以下。電介質(zhì)多層膜紅外反射性良好并且可在很高的溫度下使用(900C)。導(dǎo)電膜雖然有較好的耐熱性能，但其紅外反射性能稍差。納米微粒的膜材料在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景。高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問題提供

41、了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力。有人估計(jì)這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí)，可節(jié)省約15的電。2優(yōu)異的光吸收材料納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個(gè)特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜這種膜對(duì)紫外有吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對(duì)紫外吸收好的幾種材料有：3040nm的TiO2納米粒子的樹

42、脂膜；Fe2O3納米微粒的聚酯樹脂膜。前者對(duì)400nm波長(zhǎng)以下的紫外光有極強(qiáng)的吸收能力，后者對(duì)600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過濾器。最近發(fā)現(xiàn)，納米A12O3粉體對(duì)250nm以下的紫外光有很強(qiáng)的吸收能力，這一特性可用于提高日光燈管使用壽命上。我們知道，日光燈管是利用水銀的紫外譜線來激發(fā)燈管壁的熒光粉導(dǎo)致高亮度照明。一般來說，185nm的短波紫外光對(duì)燈管的壽命有影響，而且燈管的紫外線泄漏對(duì)人體有損害，這一關(guān)鍵問題一直是困擾日光燈管工業(yè)的主要問題。如果把幾個(gè)納米的A12O3粉摻合到稀土熒光粉中，利用納米紫外吸收的藍(lán)移現(xiàn)象有可能吸收掉這種有害的紫外光，而且不降低熒光粉的發(fā)

43、光效率，在這方面的試驗(yàn)工作正在進(jìn)行。目前，用納米微粒與樹脂結(jié)合用于紫外吸收的例子是很多的。例如，防曬油、化妝品中普遍加入納米微粒。我們知道，大氣中的紫外線主要是在300400nm波段，太陽光對(duì)人體有傷害的紫外線也是在此波段。防曬油和化妝品中就是要選擇對(duì)這個(gè)波段有強(qiáng)吸收的納米微粒。最近研究表明，納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2、納米A12O3、納米云母都有在這個(gè)波段吸收紫外光的特征。這里還需要強(qiáng)調(diào)一下，納米添加時(shí)顆粒的粒徑不能太小，否則會(huì)將汗毛孔堵死，不利于身體健康。而粒徑太大，紫外吸收又會(huì)偏離這個(gè)波段。為了解決這個(gè)問題，應(yīng)該在具有強(qiáng)紫外吸收的納米微粒表面包敷一層對(duì)身體無害的高聚物，將這種

44、復(fù)合體加入防曬油和化妝品中，既發(fā)揮了納米顆粒的作用，又改善了防曬油的性能。塑料制品在紫外線照射下很容易老化變脆，如果在塑料表面涂上一層含有納米微粒的透明涂層，這種涂層對(duì)300400nm范圍有較強(qiáng)的紫外吸收性能，這樣就可以防止塑料老化。汽車、艦船的表面上都需涂上油漆，特別是底漆主要是由氯丁橡膠、雙酚樹脂或者環(huán)氧樹脂為主要原料，這些樹脂和橡膠類的高聚物在陽光的紫外線照射下很容易老化變脆，致使油漆脫落，如果在面漆中加入能強(qiáng)烈吸收紫外線的納米微粒就可起到保護(hù)底漆的作用。因此研究添加納米微粒使之具有紫外吸收功能的油漆是十分重要的。紅外吸收材料在日常生活和國(guó)防上都有重要的應(yīng)用前景。一些經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家已

45、經(jīng)開始用具有紅外吸收功能的纖維制成軍服供部隊(duì)使用，這種纖維對(duì)人體釋放的紅外線有很好的屏蔽作用。眾所周知，人體釋放的紅外線大致在46mm的中紅外頻段，如果不對(duì)這個(gè)頻段的紅外線進(jìn)行屏蔽，很容易被非常靈敏的中紅外探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)，尤其是在夜間人身安全將受到威脅，從這個(gè)意義上來說，研制具有對(duì)人體紅外線進(jìn)行屏蔽的衣服是很有必要的。而納米微粒小，很容易填充到纖維中，在拉纖維時(shí)不會(huì)堵噴頭，而且某些納米微粒具有很強(qiáng)的吸收中紅外頻段的特性。納米A12O3、納米TiO2、納米SiO2和納米Fe2O3的復(fù)合粉就具有這種功能。納米添加的纖維還有一個(gè)特性，就是對(duì)人體紅外線有強(qiáng)吸收作用，這就可以增加保暖作用，減輕衣服的重量。

46、有人估計(jì)用添加紅外吸收納米粉的纖維做成的衣服，其重量可以減輕30。3.隱身材料“隱身”這個(gè)名詞，顧名思義就是隱蔽的意思。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種探測(cè)手段越來越先進(jìn)。例如，用雷達(dá)發(fā)射電磁波可以探測(cè)飛機(jī)；利用紅外探測(cè)器也可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線的物體。當(dāng)前，世界各國(guó)為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，提高在軍事對(duì)抗中的實(shí)力，也將隱身技術(shù)作為一個(gè)重要研究對(duì)象，其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要的地位。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)第一天出動(dòng)的戰(zhàn)斗機(jī)就躲過了伊拉克嚴(yán)密的雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)，迅速到達(dá)首都巴格達(dá)上空，直接摧毀了電報(bào)大樓和其它軍事目標(biāo)，在歷時(shí)42天的戰(zhàn)斗中，執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)達(dá)1270架次，使伊軍95的重要軍事目標(biāo)被

47、毀，而美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)卻無一架受損。這場(chǎng)高技術(shù)的戰(zhàn)爭(zhēng)一度使世界震驚。為什么伊拉克的雷達(dá)防御系統(tǒng)對(duì)美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)束手無策？為什么美國(guó)的導(dǎo)彈擊中伊拉克的軍事目標(biāo)如此準(zhǔn)確？空對(duì)地導(dǎo)彈擊中伊拉克的坦克為什么有極高命中率？一個(gè)重要的原因就是美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)F-117A型機(jī)身表面包覆了紅外與微波隱身材料，它具有優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達(dá)的監(jiān)視。而伊拉克的軍事目標(biāo)和坦克等武器沒有防御紅外線探測(cè)的隱身材料很容易被美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)上靈敏紅外線探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)，通過先進(jìn)的激光制導(dǎo)武器很準(zhǔn)確地?fù)糁心繕?biāo)。美國(guó)F-117A型飛機(jī)蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力。為什么超微粒子，特別是納米粒子

48、對(duì)紅外和電磁波有隱身作用呢？主要原因有兩點(diǎn)：一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。目前，隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景，但當(dāng)前真正發(fā)揮作用的隱身材料大多使用在航空航天與軍事有密切關(guān)系的部件上。對(duì)于上天的材料有一個(gè)要求是重量輕，在這方面納米材料是有

49、優(yōu)勢(shì)的，特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身材料方面應(yīng)用十分廣泛。有幾種納米微粒很可能在隱身材料上發(fā)揮作用，例如納米氧化鋁、氧化鐵、氧化硅和氧化鈦的復(fù)合粉體與高分子纖維結(jié)合，對(duì)中紅外波段有很強(qiáng)的吸收性能，這種復(fù)合體對(duì)這個(gè)波段的紅外探測(cè)器有很好的屏蔽作用。納米磁性材料，特別是類似鐵氧體的納米磁性材料放入涂料中，既有優(yōu)良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散紅外線的性能，加之比重輕，在隱身方面的應(yīng)用上有明顯的優(yōu)越性。另外，這種材料還可以與駕駛艙內(nèi)信號(hào)控制裝置相配合，通過開關(guān)發(fā)出干擾，改變雷達(dá)波的反射信號(hào)，使波形畸變，或者使波形變化不定，能有效地干擾、迷惑雷達(dá)操縱員，達(dá)到隱身目的。納米級(jí)的硼化物、碳化物

50、，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用也將大有作為。五、納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的作用1納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用大氣污染一直是各國(guó)政府需要解決的難題，空氣中超標(biāo)的二氧化硫(S02)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用能夠最終解決產(chǎn)生這些氣體的污染源問題。工業(yè)生產(chǎn)中使用的汽油、柴油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生SO2氣體，這是SO2的最大污染源。所以石油提煉工業(yè)中有一道脫硫工藝以降低其硫的含量。納米鈦酸鉆(CoTiO3)是一種非常好的石油脫硫催化劑。以55-70nm的鈦酸鉆作為催化載體一多

51、孔硅膠或A12O3陶瓷作為載體的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01，達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)生產(chǎn)中使用的煤燃燒也會(huì)產(chǎn)生SO2氣體，如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級(jí)助燒催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，提高能源利用率，而且會(huì)使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物，而不產(chǎn)生二氧化硫氣體，從而杜絕有害氣體的產(chǎn)生。最新研究成果表明，復(fù)合稀土化物的納米級(jí)粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能，這是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染問題。以活性碳作為載體、納米Zr0.5Ce0.5O2粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其

52、表面存在Zr4+/Zr3+及Cr4+/Cr3+,電子可以在其三價(jià)和四價(jià)離子之間傳遞，因此具有極強(qiáng)的電子得失能力和氧化還原性，再加上納米材料比表面大、吸附能力強(qiáng)，因此它在氧化一氧化碳的同時(shí)還原氮氧化物，使它們轉(zhuǎn)化為對(duì)人體和環(huán)境無害的氣體二氧化碳和氮?dú)?。而更新一代的納米催化劑，將在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸里發(fā)揮催化作用，使汽油在燃燒時(shí)就不產(chǎn)生CO和NOx，無需進(jìn)行尾氣凈化處理。2納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展

53、和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的1020倍。因此它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭的凈化裝置，能有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等污染物。經(jīng)前二道凈化工序后，水體清澈，沒有異味，口感也較好。再經(jīng)過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以將水中的細(xì)菌、病毒100去除，得到高

54、質(zhì)量的純凈水，完全可以飲用。這是因?yàn)榧?xì)菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時(shí)，就會(huì)被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域血透中已開始應(yīng)用，有“體外腎臟”之稱。肝、腎功能衰竭者飲用這種水后，會(huì)大大減輕肝、腎臟的負(fù)擔(dān)。3納米TiO2與環(huán)境保護(hù)由于納米TiO2除了具有納米材料的特點(diǎn)外，還具有光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。（1）降解空氣中的有害有機(jī)物近年來，隨著室內(nèi)裝潢涂料油漆用量的增加，室內(nèi)空氣污染越來越受到人們的重視。調(diào)查表明，新裝修的房間內(nèi)空氣中有機(jī)物濃度高于室外，甚至高于工業(yè)區(qū)。目前已從空氣中鑒定出幾百種有機(jī)物質(zhì)，

55、其中有許多物質(zhì)對(duì)人體有害，有些是致癌物。對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結(jié)果表明，光催化劑可以很好地降解這些物質(zhì)，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100。其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。（2）降解有機(jī)磷農(nóng)藥有機(jī)磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來的農(nóng)藥品種，占我國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)量的80，它的生產(chǎn)和使用會(huì)造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。（3）處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機(jī)物完

56、全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用前景。（4）解決石油污染問題在石油開采運(yùn)輸和使用過程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。6）高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的

57、病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場(chǎng)所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。（7）自潔作用納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。如將TiO2玻璃鍍膜置于水蒸氣中，玻璃表面會(huì)附著水霧，紫外線光照射后，表面水霧消失，玻璃重又變得透明。在汽車擋風(fēng)玻璃、后視鏡表面鍍上TiO2薄膜，可防止鏡面結(jié)霧。實(shí)驗(yàn)表明，鍍有納米TiO2薄膜的表面與未鍍TiO2薄膜的表面相比，前者顯示出高度的自清潔效應(yīng)。一旦這些表面被油污等污染，因其表面具有超親水性，污染不易在表面附著，附著的少量污物在外部風(fēng)力、水淋沖力、自重等作用下，也會(huì)自動(dòng)從TiO2表面剝

58、離下來，陽光中的紫外線足以維持TiO2的薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長(zhǎng)期的自潔去污效應(yīng)。這一特性的開發(fā)利用將改變?nèi)藗儗?duì)涂層功能的認(rèn)識(shí)，從而給涂層材料帶來新的革命。今后將廣泛應(yīng)用于汽車表面涂層、建筑物玻璃外墻等。由于納米TiO2光催化劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨損性能好、成本低、制備的薄膜透明等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最引人注目的環(huán)境凈化材料，更重要的是能直接利用太陽光、太陽能、普通光源來凈化環(huán)境?？傊?，隨著納米材料和納米技術(shù)基礎(chǔ)研究的深入和實(shí)用化進(jìn)程的發(fā)展，特別是納米技術(shù)與環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合，許多環(huán)保難題諸如大氣污染、污水處理、城市垃圾等將會(huì)得到解決。我們將充分享受納米技術(shù)給人類

59、帶來的潔凈環(huán)境。六、納米材料在其它方面的應(yīng)用納米材料在其它方面也有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已制備成功納米拋光液，并有商品出售。常規(guī)的拋光液是將不同粒徑的無機(jī)小顆粒放入基液制成拋光劑，廣泛用于金相拋光、高級(jí)照像鏡頭拋光、高級(jí)晶體拋光以及巖石拋光等。最細(xì)的顆粒尺寸一般在微米到亞微米級(jí)。隨著高技術(shù)的飛快發(fā)展，要求晶體的表面有更高的光潔度，這就要求拋光劑中的無機(jī)小顆粒越來越細(xì)，分布越來越窄。納米微粒為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)提供了基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道，目前已成功制備出納米A103,納米CrO3、納米SiO2的懸浮液，并用于高級(jí)光學(xué)玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光，納米拋光液發(fā)展的前景方興未艾。納米靜電屏蔽材料用于家

60、用電器和其他電器的靜電屏蔽具有良好的作用。一般的電器外殼都是由樹脂加碳黑的涂料噴涂而形成的一個(gè)光滑表面，由于碳黑有導(dǎo)電作用，因而表面的涂層就有靜電屏蔽作用。如果不能進(jìn)行靜電屏蔽，電器的信號(hào)就會(huì)受到外部靜電的嚴(yán)重干擾。例如，人體接近屏蔽效果不好的電視機(jī)時(shí)，人體的靜電就會(huì)對(duì)電視圖像產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。為了改善靜電屏蔽涂料的性能，日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，同時(shí)氧化物納米微粒的顏色不同，TiO2、SiO2納米粒子為白色，Cr