纳米材料及应用论文1

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1、纳米材料的应用2011年10月【摘要】介绍纳米材料的概况及纳米材料的特异效应，与各种特异效应对应的应用前景，最后补充了纳米材料具有潜在的危害。【关键词】纳米材料纳米效应特异性当人类步入21世纪的时候，以纳米粒子为代表的前沿材料将扮演重要的角色，纳米技术的发展，必将给我们的生活带来巨大的变化，虽然纳米材料的研制和开发还处于起步阶段，但它所带来的影响将是其它材料所无法与之相比的。纳米材料纳米（nanometer）是一个长度单位：通常把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的

2、材料。纳米材料从兴起到现在,它的研究发展阶段大致可分为以下三个阶段。第一阶段(1977-1990年)，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议(NTS-1)为标志，纳米材料科学正式成为材料科学的一个新分支。第二阶段(1990-1994年)，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。第三阶段(1994-至今)，纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装纳米结构体系。广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构

3、成的材料。在维度上，我们将纳米材料分为三类：1、零维纳米材料，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒；2、一维纳米材料，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；3、二维纳米材料，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。在组成上，纳米材料依照组成不同又可分为多类：金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料等。其中复合纳米材料又可以分为三类：1、0-0复合：即由不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的固体；2、0-2复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中；3、0-3复合：即把纳米粒子分散到常规的三维固体中。纳米材料的特异效应当微粒的尺

4、寸进入纳米量级(1~100nm)时，其本身和由它构成的纳米固体具有如下四个方面的特异性效应，也称为纳米效应。小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应，它是其它效应的基础。表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例

5、如，利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点，在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效率。量子尺寸效应量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象。早在60年代就采用电子模型给出决定能级间距的著名公式：其中为能级间距，为费米能级，为总电子数。对常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数），故常规材料的能级间距几乎为零（）；而对纳米粒子，因其含原子数有限，有一定的数值，即能级发生了分裂。当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同

6、。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等。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。近年来，人们发现一些宏观量，例如，微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应——宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有重要意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，将会是未来微电子器件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述量子效应。上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁

7、性的物质进入纳米级(~5nm)，因由多畴变成单畴而显示极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂等。由纳米微粒构成的纳米固体也是如此。例如，纳米金属铜的比热是传统纯铜的2倍；纳米固体钯的热膨胀提高1倍；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等。纳米材料的应用在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高