神奇的納米世界

神奇的納米世界第一頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三納米科學(xué)技術(shù)（nanotechnology）：納米科學(xué)技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材科學(xué)、納機(jī)械學(xué)等。納米科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是世紀(jì)之交出現(xiàn)的一項(xiàng)高科技。

第二頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三納米材料(nanomaterial)與納米粒子(nanoparticle)：納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。第三頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三表面效應(yīng)

球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積／體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加，假如原子間距為3′10-4微米，表面原子僅占一層，粗略地估算表面原子所占的百分?jǐn)?shù)見下表。

超微顆粒表面原子百分?jǐn)?shù)與顆粒直徑的關(guān)系直徑（′10-4微米）10501001000質(zhì)子總數(shù)

304′1033′1043′106表面質(zhì)子百分?jǐn)?shù)

100

40

20

2納米材料的奇異特性：第四頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三由上表可見，對(duì)直徑大于0．1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米2，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒（直徑為2′10-3微米）進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多李晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了"沸騰"狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

第五頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三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。

②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)

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?？傻陀趌％，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(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

第六頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三（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。（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。人們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。

第七頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三（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3～5倍。至于金屬一陶瓷等復(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。

第八頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三③宏觀量子隧道效應(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(wú)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)。電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)，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)。第九頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三納米材料的用途納米材料的用途很廣，主要用途有：

醫(yī)藥使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。

家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

第十頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三環(huán)境保護(hù)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。

紡織工業(yè)在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

機(jī)械工業(yè)采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

第十一頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

制備硅納米晶體新的有效方法美國(guó)Minnesota大學(xué)的工程人員發(fā)明了一種室溫下在等離子體中制造硅納米顆粒的新方法。新方法解決了現(xiàn)有的基于等離子體的制備方法中的問題，可以制造出尺寸相同的納米顆粒。研究人員說這種晶體顆?？梢杂玫叫碌碾娮悠骷衅┤缯f

單個(gè)納米顆粒晶體管。相對(duì)于非晶態(tài)（無(wú)定型）硅來(lái)說，晶態(tài)硅有許多好的特性，可以用于高速電子學(xué)中，不過現(xiàn)有的等離子體合成技術(shù)總是得到非晶態(tài)（無(wú)定型）硅。并且得到的納米顆粒或者存在很多缺陷，或者尺寸變化范圍很大。UweKortshagen和他的同事們所發(fā)展的新技術(shù)沒有這些缺點(diǎn)，可以得到真正意義上的無(wú)缺陷晶態(tài)納米顆粒，并且顆粒的尺寸只在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化。

第十二頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三純碳納米管能成為超強(qiáng)材料

以色列和美國(guó)的材料學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的強(qiáng)度大約比其他纖維的強(qiáng)度高200倍，原因是碳納米管可以經(jīng)受約100萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力而不破裂，這一結(jié)果比類似的纖維高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致利用碳納米管作為加強(qiáng)材料制造強(qiáng)度更高的復(fù)合材料，屆時(shí)，人們將可利用這種復(fù)合材料生產(chǎn)輕便且刀槍不入的防彈背心或服裝。

碳納米管是由60個(gè)碳原子組成的一種足球狀分子的變種，之所以強(qiáng)度極高，是因?yàn)樘技{米管中的碳－碳鍵非常穩(wěn)定和細(xì)管中存在少量缺陷。研究人員希望將碳納米管作為復(fù)合材料的加強(qiáng)材料，目前有待解決的問題是碳納米管的尺寸太小，難以直接測(cè)量其結(jié)構(gòu)性能。

第十三頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三用空氣氧化法高效純化炭納米管

使用堿對(duì)炭納米管進(jìn)行了預(yù)處理，由于堿是一種分散劑，可以加強(qiáng)炭納米顆粒和氧化劑的反應(yīng)，使炭納米管和其它形式的炭相分離。以下是有關(guān)此實(shí)驗(yàn)的幾張圖片。在純化過程中，我們采用了NaOH溶液對(duì)炭納米管進(jìn)行了預(yù)處理，堿主要是和粗品炭納米管中的有機(jī)官能團(tuán)反應(yīng)而將有機(jī)官能團(tuán)溶解掉。圖1陰極沉積物的掃描電鏡圖像

第十四頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

從圖1中我們可以看到,圖1(b)中的粒子分散度優(yōu)于圖1(a)中粒子的分散度。由此可以證明堿是一種很好的分散劑，它可以使聚集在一起的炭納米管和炭納米粒子分散成較小的顆粒，使之具有較大的比表面積，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)活性增大。炭納米管被煅燒以后，如不進(jìn)行后處理很難得到純凈的炭納米管。將煅燒后的炭納米管樣品用透射電鏡觀察，所得TEM圖像見圖2。

圖2未經(jīng)酸洗的炭納米管TEM圖像

第十五頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖3經(jīng)酸洗后的炭納米管TEM圖像

第十六頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三單壁碳納米管的發(fā)現(xiàn)，為納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)的研究開辟了一個(gè)