纳米材料研究综述

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date纳米材料研究综述纳米材料的研究现状与发展纳米材料研究综述摘要:本文简要阐述了纳米材料基本概念、研究状况及特殊性能,介绍了其制备方法及应用前景。关键词:纳米材料、性能、制备方法、应用1引言20世纪90年代,因特网、生物基因、纳米科技几乎同时为世人所瞩目。前两者的重要性及其应用前景已为人们所知晓,而纳米科技其效应如何呢?国内外众多知名科学家认为,因特网、生物基因与纳米科技

2、相结合,可以达到至善至美的程度。大家知道,有了微电子技术,才发展了当今的电脑和因特网。目前,芯片已达到了物理极限,要真正在电脑上实现高速公路,还有许多困难,至少此公路还比较窄,必须用纳米科技才能解决这一难题。在生物基因的基础上再造动植物生命是人们本世纪所追求的目标,而这一目标的实现也必须依靠纳米科技。纳米科技又以纳米材料而体现。小小的纳米材料为何如此神奇呢?当今纳米材料的研究、制备方法达到了什么程度?前景又如何呢?下面简单介绍一下。2纳米材料的概念纳米是几何尺寸的计量单位(nm),1 nm=10-9m,略等于45个原子排列起来的长度。科学家们发现,当物质的结构(如晶粒或孔隙)小到纳米级(0.1

3、100 nm)时,物质的各种性质(机械强度、磁、光、声、热等)都有很大程度的不同,而且还具有辐射、吸收、吸附等许多新特性。由此而制备的材料具有特殊的功能。纳米材料的研究、制备借助于扫描隧道显微镜(STM)进行。STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率的显微镜。它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布,确定物体局域的光、电、磁、热和机械性能。用此显微镜可以在真空、大气或液体中对试样作原子级分辨的无损检测。STM可以实际测量物体表面的实空间三维图像,其平行和垂直于表面的测量分辨率分别为0.1 nm和0.01 nm。用STM可以长期直接观察原子的真面貌,刻划纳米级微细线

4、条以及移动原子。因此,用扫描隧道显微镜,在0.1100nm尺度范围内,可揭示出一个可见原子、分子世界,并按照人们的意愿排列物质的原子和分子,使之结构、组分、大小和形状得到控制,最终直接以分子、原子构造出具有特定功能的产品。3 纳米材料研究的状况自 70 年代纳米颗粒材料问世以来，80 年代中期在实验室合成了纳米块体材料，至今已有 20 多年的历史，但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80 年代中期以后。从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段。第一阶段（1990 年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米

5、材料不同于常规材料的特殊性能。1984 年，格雷特采用气体冷凝方法，制备成功铁纳米微粉。随后，美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料，开始了纳米材料及技术的研究时代。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在 80 年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1994 年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。1993 年 自然的副主编曾

6、预言“以单电子隧道效应为基础设计的单电子晶体管可能诞生在下一世纪的初叶”,他的预见发表不到 2 年,日本率先在实验室研制成功纳米结构的三级管,紧接着美国的普度大学也在实验室研制成功纳米结构的晶体管。1995 年超低功耗和高集成的纳米结构单电子三级管在美国研制成功,使人们对于纳米结构的研究对下一代量子器件的诞生的重要性有了进一步认识。第三阶段（从 1994 年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米

7、管、纳米棒和纳米丝)的组合、纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。4纳米材料的性能4.1 小尺寸效应一个纳米=10-9米(10亿分之1米)。1100纳米所

8、组成的材料为纳米材料。纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。4.1.1 特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。金属纳米颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几千纳米的厚度就能完全消光。利用这个特性纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。4.1.2

9、特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,银的常规熔点为670,而纳米颗粒纳米银的熔点可低于100。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚薄均匀,覆盖面积大,既省料又质量高。日本川崎制铁公司采用1001 000纳米的铜、镍纳米颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵重金属。纳米颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如,在钨颗粒中附加0.1%0.5%重量比的纳米镍颗粒后,可使烧结温度从3000降低到12001300

10、,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。4.1.3 特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在纳米的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的的水底。通过电子显微镜的研究表明,在趋磁细菌体内通常含有直径约为20纳米的磁性氧化物颗粒。纳米颗粒磁性材料与大块材料显著不同,大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到20纳米以下时,其矫顽力可增加1千倍,若进一步减小其尺寸,大约小于6纳米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性纳米颗粒具有高

11、矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性纳米颗粒制成用途广泛的磁性液体。在医学上可用作药剂的载体,在外磁场的引导下集中于病患部位,有利于提高药效。4.1.4 特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,因为它是由磷酸钙等纳米材

12、料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。在临期床上主要用于人工器官制造等方面。纳米颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。4.2 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大。对直径大于100纳米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于100纳米时,其表面原子百分数急剧增长,甚至1克纳米颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。纳米颗粒的表

13、面与大块物体的表面不同,若用高倍率电子显微镜对直径为2纳米金颗粒进行电视摄像,发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状,如立方八面体、十面体、二十面体、多晶体等,它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后这种颗粒结构的不稳定性才消失,并进入相对稳定的状态。纳米颗粒的表面活性很高,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。为防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定。利用表面活性,金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

14、某些纳米金属粉末可作为制备动物生长素药物的新型添加剂,还可用于免疫分析。4.3 宏观量子隧道效应各种元素的原子具有特定的光谱线,如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释,由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的,从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别,对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分离的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称

15、之为量子尺寸效应。例如,导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此,对纳米颗粒在低温条件下必须考虑量子效应,原有宏观规律已不再成立。电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导

16、体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在250纳米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。5纳米材料的制备方法及问题5.1 纳米材料的制备方法5.1.1 真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。5.1.2 物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。5.1.3 机械球磨法采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点

17、操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。5.1.4 气相沉积法利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。5.1.5 沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后,将沉淀物热处理得到纳米材料。其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备氧化物。5.1.6 水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点纯度高,分散性好、粒度易控制。5.1.7 溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物和族化合物的制备。5.1.8 微乳液法两种互不相溶的溶剂在表

18、面活性剂的作用下形成乳液,在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的单分散和界面性好,族半导体纳米粒子多用此法制备。5.2存在的问题5.2.1难以精确调节粉末组成和化学计量比,粒子粒度和形状;难以制造成分准确,粒度均匀的高质量超微粉末;难以收集和存放;5.2.2纳米粒子的表面改性要涉及到几个原子层界面与性质的控制,与有机相间的有效结合还不甚了解;5.2.3纳米粒子在聚合物中的分散方法还需进一步探索,目前只能在为数不多的聚合物中成功地制备纳米材料。6纳米材料的应用6.1现有纳米材料纳米材料是生物和信息科技进一步发展的基础材料。目前已制备出一些纳米材料,它们有着广泛用途：6.1

19、.1纳米塑料它具有优异的物理力学性能、强度高、耐热性好、比重低,优异的透明度和光泽度,耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍;同时由于其氧气透过率低,还具有阻燃自熄性能,且加工性能优良,可广泛应用于高性能的管材、机械零部件和电子电器领域。6.1.2纳米金属材料室温下它具有超塑性,如纳米铜能屈能伸,比普通铜大50倍。6.1.3纳米化工材料采用液相纳米材料,运用微爆炸理论制造的NANO牌纳米燃烧油添加剂,能使燃油充分燃烧,车尾气得到净化;纳米改性涂料:在涂料中加入纳米TiO2能杀菌、除臭、自洁抗菌防污,加入SiO2可使涂料抗老化性能、催干性、光泽度和强度成倍提高;ZnO加入到汽车金属闪光面漆中可以制造出

20、专用的变色漆;纳米改性陶瓷:陶瓷烧结时加入ZnO,烧结温度可降低400600,制品光亮如镜,脆性大幅度下降。6.1.4纳米涂层材料它可对基体材料进行表面修饰、包覆、改性和增添新特性等。6.2应用前景纳米材料具有的特定功能,既能使传统的产品“旧貌换新颜”,改变现有的产业结构,未来,在航天航空、电子、生物、机械等领域又具有广阔的用途。 纳米机器人,在生物医学、航空航天中具有极佳的功用;太空升降机,这将成为人类移居外星球的理想工具;储氢燃烧电池,这对环保、节能极为有利;纳米电子枪和纳米探头,它能解决现在工程中难以逾越的难题;电子隧道;纳米卫星和微型飞船;原子精密计算机;纳米多功能抗菌塑料。7 结语由

21、于纳米材料具有一系列的优异性能及广阔的应用前景,系统地研究和开发新型纳米材料有重要的实际意义。可以预言,纳米材料作为一门新兴的材料门类,必将有着十分广阔的发展前景。参考文献：1 周裁民，杨雄波，许瑞珍，纳米材料的研究现状及发展趋势，科技信息，2008，17：17-182 孙成林，连钦明，纳米技术与纳米材料制备及应用综述，中国粉体工业，2006，01：7-103 陈冲，纳米材料及其应用领域，中国科技信息，2008，10：33-344 张立德，纳米材料的研究现状和发展趋势，现代科学仪器，1998，Z1：27-295 高勇，纳米材料的性能及制备技术，兵器材料科学与工程, 1997，06：64-696 梁忠友，纳米材料的性能及应用展望，陶瓷研究，1999， 01：13-157 王帆，宋晓秋，柳翱，李宏涛，纳米材料的性能及其在化学和医学方面的应用，长春工业大学学报(自然科学版)，2003，01：7-98潘颐，吴希俊，纳米材料制备、结构及性能，材料科学与工程学报, 1993, 04：16-259 王文中，李良荣，刘兴龙，纳米材料的性能、制备和开发应用，材料导报, 1994，06：8-1010 徐军，纳米材料的研究现状与发展，电镀与涂饰, 2001，06：52-5411 朱志祥，汪道新，纳米材料研究现状及发展趋势，实用美容整形外科杂志，2001，04：200-202-