納米材料綜述

納米材料綜述目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 2\o"CurrentDocument"應用現(xiàn)狀與應用前景 2\o"CurrentDocument"2.1納米材料各方面的性能在實際中的應用歸納如下： 2\o"CurrentDocument"應用前景 3\o"CurrentDocument"微電子和光電子領域 3\o"CurrentDocument"陶瓷領域 3\o"CurrentDocument"生物醫(yī)學中的納米技術應用 4\o"CurrentDocument"納米材料的概述 4\o"CurrentDocument"納米材料的定義 4\o"CurrentDocument"納米材料的分類 5\o"CurrentDocument"納米材料的特性 6\o"CurrentDocument"納米材料的制備 6\o"CurrentDocument"3.4.1物理制備方法 6\o"CurrentDocument"化學制備方法 7\o"CurrentDocument"國內(nèi)發(fā)展情況 8引言一納米等于十億分之一米，相當于人的頭發(fā)絲直徑的八萬分之一。納米材料被譽為“21一世紀最具有前途的材料”，與信息技術和生物技術并成為21世紀社會經(jīng)濟發(fā)展的三大支柱之一和戰(zhàn)略制高點。材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)，納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定它具有一些特異性質(zhì)，從而納米材料具有常規(guī)材料沒有的性質(zhì)，從而使納米材料得到更廣泛的應用。納米材料在化工、工程材料、信息、生物醫(yī)學、軍事等領域都得到了充分的應用。在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫　Ｐ庐a(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當今新材料研究領域最富有活力對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技最為活躍、最接近應用的重要組成部分。顧研究納米材料對我國未來的發(fā)展具有重要作用。應用現(xiàn)狀與應用前景納米材料各方面的性能在實際中的應用歸納如下：性能用途力學性能超硬、高強、高韌、超塑性材料，特別是陶瓷增韌和高韌高硬涂層光學性能光學纖維、光反射材料、吸波隱身材料、光過濾材料、光存貯、光開關、光導電體發(fā)光材料、光學非線性元件、紅外線傳感器、光折變材料磁性磁流體、磁記錄、永磁材料、磁存儲器、磁光元件、磁探測器、磁制冷材料、吸波材料、細胞分離、智能藥物電學性能導電漿料、電極、超導體、量子器件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽催化性能催化劑熱學性能耐熱材料、熱變換材料、低溫燒結(jié)材料敏感特性濕敏、溫敏、氣敏等傳感器、熱釋電材料其他醫(yī)學（細胞分離，細胞染色，醫(yī)療診斷，消毒殺菌，藥物載體）、能源（電池材料，貯氫材料）環(huán)保（污水處理，廢物料處理，空氣消毒）、助燃劑、阻燃劑、拋光液、印刷油墨、潤滑劑應用前景由于納米微粒具有特殊的物理效應,使得它們在磁、光、電和對周圍環(huán)境（溫、氣氛、光、濕度等）敏感等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性。因此,納米材料在催化、傳感、電子材料、光學材料、磁性材料、高致密度材料的燒結(jié)、陶瓷增韌以及仿生材料等方面有廣闊的應用前景［14-17］。目前納米材料的應用主要側(cè)重于如下方面:微電子和光電子領域,生物和醫(yī)學領域,催化劑領域,磁學領域,陶瓷領域等?，F(xiàn)將納米材料在微電子、光電子領域以及陶瓷領域中的應用,作簡要說明。微電子和光電子領域納米電子學立足于最新的物理學理論和最先進的工藝手段,按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng),并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力,實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破,納米電子學將成為本世紀信息時代的核心。隨著納米技術的發(fā)展,微電子和光電子的結(jié)合更加緊密,在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面,使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現(xiàn)有雷達信息處理上,可使其能力提高幾十倍至幾百倍,甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。有報導,可以運轉(zhuǎn)的“分子馬達”已被制備出來,這將在“分子”水平上的納米器件及信息處理上有潛在的應用價值［19］。納米團簇在量子激光器、單電子晶體管等許多領域都有重要應用［20］。另外,量子元件還可以使元件的體積大大縮小,使電路大為簡化,因此,量子元件的興起將導致一場電子技術的革命。陶瓷領域隨著納米技術的廣泛應用,納米陶瓷隨之產(chǎn)生。精細陶瓷是以人工合成的高純度納米粉末為原料,經(jīng)過粉體處理、成形、燒結(jié)、加工及設計等高技術工藝制成的含微細結(jié)構(gòu)及卓越性能的無機非金屬材料。它具有堅硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的性能,有些陶瓷材料還具有能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞功能等。此外,納米陶瓷的高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗,特別是光吸收效應都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域,并對高技術及新材料的發(fā)展產(chǎn)生重要作用［21］。例如,現(xiàn)已證實，納米陶瓷CaF2和Ti02在常溫下具有很好的韌性和延展性能。德國Saddr-land大學的研究發(fā)現(xiàn),CaF2和Ti02納米陶瓷材料在80~180°C內(nèi)可產(chǎn)生約100%的塑性形變，而且燒結(jié)溫度降低，能在比大晶粒樣品低600C的溫度下達到類似于普通陶瓷的硬度［22］。許多專家認為,如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術問題,則納米陶瓷將具備高硬度、高韌性、低溫超塑性和易加工等優(yōu)點。生物醫(yī)學中的納米技術應用正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和基因芯片（即DNA芯片）等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。納米材料的概述納米材料的定義納米（Nanometer）,是一種長度單位，即1米的十億分之一，單位符號為nm。納米技術是在單個原子、分子層次上對物質(zhì)的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進行精確的觀測、識別和控制的技術，是在納米尺度范圍內(nèi)研究物質(zhì)的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的多學科交叉的高新技術。其最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。用納米這么小的微粒制成的材料就是納米材料。和宏觀材料迥然不同，它具有奇特的光、電、磁、熱和力、化學等方面的性質(zhì)。圖1納米顆粒材料SEM圖對于納米材料的研究包括兩個方面：一是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和光譜學特征，通過和常規(guī)材料對比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論；

二是發(fā)展新型納米材料，包括新型納米材料合成方法的探索和對常規(guī)材料的納米修飾與改性。目前，在納米材料的應用中所遇到的關鍵技術問題是：在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中，如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。納米材料的分類納米材料可從維數(shù)、組成相數(shù)、導電性能等不同角度進行分類。由于納米材料主要特征在于其外觀尺度，從三維外觀尺度上對納米材料進行分類是流行的分類方法?；绢愋统叨?、形貌與結(jié)構(gòu)特征實例零維納米材三維尺度均為納米級，無明顯的原子團簇，量子點，納米微粒料取向性，近等軸狀—維納米材單向延伸，二維尺度為納米級，納米棒，納米線，納米管，納米晶須、納料第二維尺度不限米纖維、納米卷軸、納米帶單向延伸，直徑大于100nm，具有納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)纖維二維納米材—維尺度為納米級，面裝分布納米片，納米板，納米薄膜，納米涂層，料單層膜，納米多層膜。面裝分布，厚度大于100nm,具有納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)薄膜，納米結(jié)構(gòu)涂層三維納米材包含納米結(jié)構(gòu)單元、三維尺寸均納米陶瓷，納米金屬，納米孔材料，氣凝料超過納米尺寸的固體膠，納米結(jié)構(gòu)陣列由不同類型低維納米結(jié)構(gòu)單?；蚱渑c常規(guī)材料復合形成的固體納米復合材料納米材料的特性（1）力學性能許多納米金屬的室溫硬度比相應粗晶高2~7倍;納米材料具有更高的強度,例如,6nm的納米鐵晶體的強度比多晶鐵提高12倍,硬度提高了2~3個數(shù)量級;韌性更大,如美國Argonnel實驗室制成的納米CsF2陶瓷晶體在室溫下可彎曲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。（2）熱學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熔點分別由其粗晶熔點的1540°C、1063°C和660°C降到33°C、27°C和18C°2nm的金的顆粒熔點僅為330C,比通常金的熔點低700C以上，而納米銀粉的熔點僅為100C；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） 磁學性能當晶粒尺寸減小到納米級時,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。（4） 光學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,光的吸收越強烈,利用這一特性,納米金屬有可能用于制作紅外線檢測元件、隱身飛機上的雷達波吸收材料。（5） 電學性能電導率低,納米固體中的量子隧道效應使電子運輸表現(xiàn)出反?，F(xiàn)象,例如,納米硅氫合金中的氫含量大于5%（原子分數(shù)）時,電導率下降2個數(shù)量級,并出現(xiàn)通道電阻效應。納米材料的電導率隨顆粒尺寸的減小而下降。（6） 高擴散性納米晶體的自擴散速率為傳統(tǒng)晶體的1016至1019倍,是晶界擴散的100倍。高的擴散速率使納米材料的固態(tài)反應可在室溫或低溫下進行。（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。例如,納米晶Li-MgO對甲烷向高級烴轉(zhuǎn)化的催化激活溫度比普通Li浸滲的MgO至少低200C；又如，普通多晶Mg2Ni的吸氫只能在高溫下進行，低溫吸氫需長時間或高壓力，而納米晶Mg2Ni在200C以下，即可吸氫,無須活化處理納米材料的制備3.4.1物理制備方法1）機械法機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應,使大晶粒變?yōu)樾【Я?得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強,從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應用超重力技術制備粒徑20nm—80nm粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。（2） 氣相法氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、激光、電子束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態(tài),然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm—50nm范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發(fā),使組分偏析最小,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態(tài)壓力的作用下,材料極大程度地發(fā)生塑性變形，而使尺寸細化到納米量級。有文獻報道，①82mm的Ge在6GPa準靜壓力作用后，再經(jīng)850°C熱處理,納米結(jié)構(gòu)開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成，而溫度升至900C時，晶粒尺寸迅速增大至400nm。（3） 磁控濺射法與等離子體法濺射技術是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發(fā)生變化。目前,濺射技術已經(jīng)得到了較大的發(fā)展,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應磁控濺射等技術。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發(fā),蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產(chǎn)物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料?；瘜W制備方法（1） 溶膠—凝膠法溶膠—凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中,然后經(jīng)過水解反應生成活性單體,活性單體進行聚合,開始成為溶膠,進而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。Stephen等利用高分子加成物（由烷基金屬和含N聚合物組成）在溶液中與H2S反應,生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。MarcusJones等以CdO為原料，通過加入Zn(CH3) 2和S[Si(CH3) 3] 2制得了ZnS包裹的CdSe量子點，顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產(chǎn)率(quantumyield,QY)為13.8%。離子液法離子液作為一種特殊的有機溶劑,具有獨特的物理化學性質(zhì),如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發(fā)性,不易造成環(huán)境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結(jié)構(gòu)的一種良好介質(zhì)。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質(zhì)中合成出了大小均勻的、尺寸為3um—5um的Bi2S3納米花。他們認為溶液的pH值、反應溫度、反應時間等條件對納米花的形貌和晶相結(jié)構(gòu)有很重要的影響。他們證實,這些納米花由直徑60nm—80nm的納米線構(gòu)成,隨老化時間的增加,這些納米線會從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅(qū)原料,以離子液為反應介質(zhì),合成了單晶Bi2S3納米棒。溶劑熱法溶劑熱法是指在密閉反應器(如高壓釜)中,通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱,使反應體系形成一個高溫高壓的環(huán)境,從而進行實現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅(qū)體Bi[S口2P(0C口8H□口17)2]3作反應物，用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi□2S□3納米棒，且該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)。Liu等用Bi(NO3)3?5H2O、NaOH及硫的化合物為原料，甘油和水為溶劑，采用溶劑熱法在高壓釜中160°C反應24-72h制得了長達數(shù)毫米的Bi2S3納米帶。國內(nèi)發(fā)展情況2003年3月，中科院與教育部共同組建的國家納米科學中心掛牌至今，根據(jù)“先組后建，邊組邊建”的原則，以中科院納米科技中心、北京大學納米科學技術中心、清華大學微/納米中心三個單位為基礎，首期投入2.5億元人民幣。與以往不同，中科納米技術工程中心有限公司納米科技產(chǎn)業(yè)化基地的建設采取了“香港企業(yè)出資、中國科學院出人、北京市出地”的新模式。據(jù)了解，目前基地的運作機構(gòu)中科納米技術工程中心擁有30余位頂級專家，有60多項專利。中科院對其定位就是基礎研究與規(guī)?；a(chǎn)的中間鏈條，納米科技成果的“孵化器”，而土地則由北京市出。2003年8月26日，我國召開了新世紀以來的第一次全國納米科技工作會議，這次會議自然成為國內(nèi)科技界極為關注的重點。正如國家納米科技發(fā)展指導協(xié)調(diào)委員會主任、科技部徐冠華部長在總結(jié)發(fā)言中指出：納米科技隨著技術逐步成熟和其商業(yè)應用前景的明朗化，競爭會日趨激烈，需要我們抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)。我國納米科技整體水平和西方發(fā)達國家相比差距很大，而且這種差距有拉大的危險，需要我們?nèi)プ汾s，需要我們?nèi)コ?。為此，要重視并認真研究我國納米科技發(fā)展戰(zhàn)略，強調(diào)國家目標，突出重點；我國納米科技發(fā)展，必須加快實現(xiàn)由以往跟蹤為主向自主創(chuàng)新為主的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變；必須把納米科技人才隊伍建設放在突出位置；必須十分重視納米科技基地建設，減少低水平重復，構(gòu)建高水準的公共平臺。這次納米科技工作會議進一步明確了“十五”后期，我國納米科技要重點加強的工作任務。據(jù)悉，科技部已投資5.5億元，帶動社會投資30多億元開展納米科技及產(chǎn)業(yè)化研究，希望通過5?10年的努力，使中國納米科技的整體水平進入國際先進行列，爭取在若干方面具有競爭優(yōu)勢。同時，推動一批納米科技成果實用化或產(chǎn)業(yè)化，造就一