方兴未艾的纳米材料

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1、方兴未艾的纳米材料作者；徐敬标来源：2004年第15期 （中学理科第6期）1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料作为材料科学的一个新的分支公布于世。这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。从此，纳米材料成为继互联网、基因等被人们关注的热点名词之后的又一亮点。很快引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视，形成了世界性的“纳米热”。纳米是一个尺度的度量，一纳米仅为十亿分之一米，相当于一根头发粗细的八万分之一，的确微乎其微。然而由纳米材料构建的世界却是神奇而宏大的。21世纪，纳米技术是信息和生命科

2、学技术能够进一步发展的共同基础，它所带来的技术革命及其对人类社会的影响，将远远超过电子技术。一、纳米材料的含义材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类已经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代，现已进入新材料时期，而纳米材料是最有发展前途的材料。早在一千多年以前，我国就有利用燃烧蜡烛的烟雾制成炭黑作为墨的原料以及用做染料的历史，这是最早的纳米材料的应用。以“纳米”来命名材料是在上世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1nm～100nm范围。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗料和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在，纳米材料是指在三维空间中至少有

3、一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为以下三类：（1）零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。（2）一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质，故零维、一维和二维的基本单元又有量子点、量子线和量子阱之称。二、纳米材料的分类纳米材料大部分是用人工制备的，属于人工材料，其分类方法很多，如下表：分类方式类别按化学组成分类纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分

4、子、纳米复合材料等按材料物性分类纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等按用途分类纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等三、纳米材料的主要性能1.基本物理效应。由于纳米材料集中体现了小尺度、复杂结构、高集成度和强相互作用，以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。其效应如下。（1）小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透

5、射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等。（2）表面效应。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加，原子配位不足和高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。例如金属纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。（3）量子尺寸效应。当粒子尺寸降到某一值时

6、，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，以及纳米半导体存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽。这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。（4）宏观量子隧道效应。这是指纳米颗粒具有贯穿势垒的能力。2.扩散及烧结性能。由于在纳米结构材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳米结构材料具有较高的扩散率。这种性能使一些通常在较高温度才能形成的稳定或介稳相在较低温度下就可以存在，另外也可使纳米结构材料的烧结温度大大降低（所谓烧结温度是指把粉末先加压成形，然后在低于熔点的温

7、度下使这些粉末互相结合，密度接近于材料的理论密度的温度）。3.超塑性。超塑性是指在断裂前产生很大的伸长量，其机制目前还在争议之中。但从实验现象中可以得出晶界和扩散率在这一过程中起着重要作用。如陶瓷材料在高温时具有超塑性，可以通过使晶粒的尺寸降到纳米级来实现其室温超塑性。4.力学性能。与传统材料相比，纳米结构材料的力学性能有显著的变化，一些材料的强度和硬度成倍地提高。这方面目前还没有形成比较系统的理论。5.光学性能。纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十几个纳米而表现出奇异的小尺寸效应和界面效应，因而其光学性能也与常规的块体及粗颗粒材料不同。例如：纳米金属

8、粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏