纳米材料的特性及应用——材料

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1、纳米材料的特性以及应用侯莹200911151020（北京师范大学化学学院北京100875）摘要：近些年，随着科技的飞速发展，纳米材料受到了越来越多的关注，也有越来越多的人开始开发以及使用纳米材料。纳米材料具有很多特性：表面与界面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应。纳米材料在很多的领域都得到了广泛的应用——力学，磁学，电学，热学，光学，生物学等方面。关键词：纳米材料，特性，应用Abstract:Theseyears,withtherapiddevelopmentofnanotechnology,nanoscalemate

2、rialscatchmoreandmoreattention.Moreandmorepeoplebegintodevelopandusenanoscalematerials.Nanoscalematerialshavemanycharacteristics:theeffectofsurfaceandinterface,theeffectofsmallsize,theeffectofquantumsize,theeffectofmacroquantumtunnel.Nanoscalematerialshavemanywideappli

3、cationsinmanyfields——mechanics,magnetism,electrical,thermal,optical,biologyandsoon.Keywords:nanoscalematerials,characteristics,application一、纳米材料的定义：广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。　　二、纳米材料的特性（一）：　（1）表面与界面效应　　这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起

4、的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应　　当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热

5、力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，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、红外隐身技术等等。（1）量子尺寸效应　　当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收

6、光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。　　（4）宏观量子隧道效应　　微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。纳米材料的应用：三、纳米材料的特性（二）：（1）力学性质纳米材料的位错密度很低，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。纳米硅材料具有比表面积大、表面能高、表面原子所占

7、比例大等特点，经表面修饰后，在油田降压增注、三次采油以及水处理中已开始逐步应用，显示出巨大的潜力。纳米硅要在油田得到更广泛的应用，需要研究者很好的了解石油地质等方面的资料，运用纳米表面修饰的机理，进行功能团的结构设计，赋予纳米硅材料多种功能性，通过大量的室内实验与现场应用，为纳米硅材料提供更为广泛的应用空间。（2）磁学性质纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。（3）电学性质2001年用碳纳米管制成的纳米

8、晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。以CTAB为模板，Co(NO3)2·6H2O和NaOH为原料，空气作为温和氧化剂，室温下合成了具有菜花状分级多孔结构的Co