纳米材料及其应用

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1、納米材料及其應用文／中國科學院固體物理研究所納米材料和納米技術應用發展中心納米技術　　21世紀新產品誕生的源　　一、神奇的介觀世界　　直到80年代，科學家們才驚奇地發現，在宏觀與微觀之間的納米體系（介觀）中，許多我們認為理所應當的性質都完全變了模樣：在介觀狀態時，金屬銀竟會失去了典型金屬特徵；納米二氧化矽比典型的粗晶二氧化矽的電阻下降了幾個數量級；常態下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大，電阻溫度係數下降甚至出現負數；原是絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降；10-25nm的鐵磁金屬微粒，其矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當顆粒尺寸小於10nm，矯頑力變為零

2、，表現為超順磁性。　　進一步的研究證實，由於納米材料尺寸小，電子被局限在一個體積十分微小的納米空間，電子運輸受到限制，電子平均自由程短，電子的局域性和相干性增強。尺度下降使納米體系包含的原子數大大降低，宏觀固定的准連續能帶消失了，而表現為分裂的能級，量子尺寸效應十分顯著，這便使納米體系的光、熱、電、磁等物理性質與常規材料不同，出現許多新奇特性。　　隨著物質粒徑的減小，比表面積大大增加。粒徑5nm的顆粒，表面占50％，粒徑2nm時，表面的體積百分數增加到80％。龐大的比表面，鍵態嚴重失配，出現許多活性中心，使納米材料具有極強的吸附能力。這使得納米粒子對於無論是促使物質腐

3、敗的氧原子、氧自由基，還是產生其他異味的烷烴類分子等，均具有極強的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能；還使納米材料具有作為催化劑的基本條件。　　二、巨大的應用價值　　早在1959年，美國物理學家理查得範曼大膽地提出了一個設想：“如果有一天可以按照人的意志安排-個個原子的話，將會產生怎樣的奇跡？”終於，在1989年，美國IBM公司的科學家實現了用單個原子排列寫出IBM的商標，日本科學家用單個原子排列了漢字“原子”的字型。到了這時候，科學家們的熱情也由最初的探索納米顆粒製備方法和其不同於常規材料的特殊性能，轉向了如何利用它的奇特物理、化學和力學性能，設計納米複合材料、設計納米

4、組裝體系和納米結構材料，並應用到各個領域中去。 　　讓我們看看在輕工領域納米材料的應用吧。　　把金屬的納米顆粒放人常規的陶瓷中，可大大改善材料的力學性質；納米Si203和SiO2粒子放入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性；放入金屬或合金中可以使晶粒細化，大大改善力學性質；既不影響透明度又提高了高溫衝擊韌性；美國成功地把納米粒子用於磁製冷上；納米氧化鋁的懸浮液被用於高級光學玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光；納米微粒加入油墨中可改善油墨的流動性，美國已出現了納米微粒生產顏料的專利。　　目前，由於需要樹脂加碳黑來進行靜電屏蔽，一般彩電等家用電器只能是黑色，被稱為是黑色家電。日本

5、松下公司已研製成功具有良好靜電屏蔽作用的納米塗料，可以通過控制納米微粒的種類來控制塗料的顏色。　　金屬納米微粒為解決化纖製品靜電問題提供了一條新途徑。日本和德國已開發出了相應的產品。在化纖製品和紡織品中添加納米微粒還有除味殺菌作用，把銀納米微粒加人到襪子中去，可以清除腳臭味；醫用紗布中放人納米Ag粒子有消毒殺菌作用。　　三、產品創新的好思路　　具有如此廣泛應用價值的納米技術得到各國的一致肯定，紛紛投人鉅資進行開發。人們普遍認為，納米技術將是21世紀新產品誕生的源泉，納米技術會引起新一輪的產業革命，必將推動生產力的發展，改善人類生活環境。 　　對傳統材料的製造，如在陶瓷

6、、塑膠、玻璃等製造中運用納米技術，使其性能根據需要進行不同程度的改善，並得到合理的性能／價格比，是納米技術應用領域的一個重要方面。英國制定了一個很龐大的納米材料發展計畫，重點製備納米氧化鋁+納米氧化鋯，納米氧化鋁+納米氧化矽，納米氧化鋁+納米氮化矽等新型納米複合陶瓷。美國、日本也投入了相當大的力量在將納米材料添加到電子陶瓷研究方面。我國在1995年就開始了納米添加到傳統材料中改進功能的研究工作，有的已獲得中試研究成果，總體研究水平處於國際前列。　　讓許多企業更感興趣的是，通過納米技術對傳統產品改性並不見得非常昂貴，往往價格只是略有上升，但性能卻要好得多。這意味著這樣的

7、產品更具有市場競爭力。　　上述資訊對於我國許多苦於無好專案、無好產品的企業來說，無疑是一大好消息。據瞭解，已有不少企業發現了這個很有市場前景的發展空間，正積極採取行動。更有一些敏感的企業已將一些成熟產品推向了市場：不少國產的無菌冰箱上用了納米材料製成的抗菌塑膠；深圳一家公司推出了包括了無菌餐具、無菌撲克牌在內的一系列納米材料製作的產品；合肥納米保健食品公司生產的納米硒產品已通過鑒定......。　　不難預見，納米技術將會被越來越多的企業所接受，引起新一輪產品創新革命。受到各國關注的新科技 　　日本在1974年底最早將"納米這個尺度術語用到技術上,但是