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纳米材料的研究及应用 38 纳米材料的研究及应用 纳米材料的研究及应用 魏方芳 (福建师范大学化学与材料学院重点实验室.福建300)5 摘要:介绍纳米材料的范围、定义、四个基本效应及应用领城关镶词:纳来材并;基本效应;应用 1概述 纳米材料是近年来发展起来的一种新型高性能材料纳米材料(又称超细微粒)是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统根据其形 象即为表面效应主13要表现为熔点降低、比热 增大 超微颗粒的表面具有很高的活性在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧如要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化利用表面活性金属超微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 态分为零维、一可维、二维和三维纳米材料tl 纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在 lonm以下随着晶格数量大幅度增加材料的强度、韧性和超塑性都大为提高对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要的影响目前对纳米材料的定义为:粒径为1一100nm的纳米粉直径为1一10O的纳米线厚度为1一lon的纳米薄mnom 2小尺寸效应2在一定条件下颗粒尺寸的量变会引起颗粒 的质变由于颖粒尺寸变小所引起的宏观物理性质 膜且现米应材并出纳效的料12 2纳米材料的基本特性 纳米材料有四个基本的效应即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应因而出现常规材料所没有的一些特别性能如 的变化称为小尺寸效应4对超微颐粒而言尺【 寸变小同时比表面积亦显著增加从而产生一系列新奇的性质)1热学性质变化大尺寸固态物质经过超细微化后发现其熔点将显著降低当颗粒小于1纳米量级时尤为显著0例如金的常规熔点为164当颗粒尺寸减小0到10纳米尺寸时则降低272纳米尺寸时的熔点仅为32左右;银的常规熔点为67而70超微银颗粒的熔点可低于100因此超细银粉制成的导电浆料使膜厚均匀覆盖面积大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 高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔 点、奇特的磁性和极强的吸波性等从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用2表面效应1纳米晶粒表面原子数和总原子数之比与颖粒直径成反比随着颗粒直径变小比表面积将会显著 增大如将体积为Ic3物质粉碎成In的微粒ntm表面积就从6一增加到一 二澎而比)z(nl4r1护表面积从6102m一增加到6*109m一表明表面原 子所占的百分将会显著地增加从而增大其活性这种表活性引起的纳米粒子表面原子输送和结构变化及表面电子自旋构象和电子能谱的变化现 2)光学性能变化金属在超微颗粒状态都呈现为黑色且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由此可见金属超微颗粒对光的反射率很低通常可低于1%大约几微米的厚度就 化学工程与装备 XX年 第3期 能完全消光利用这个特性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 态和电子态与颗粒内部不同表面原子配位不全等特点导致表面的活性位置增加使纳米颗粒具备 了作为催化剂的先决条件纳米微粒作催化剂16 可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂特别是在有机物制备方面分散在溶液中的每一个 件、红外隐身技术等)3磁学性质变化随着纳米晶粒尺寸变小与体积成正比的磁各项异性也降低当体积能与热能相当或更小时会呈现出超顺磁性利用超顺磁性可制成用途广泛的磁性液体利用磁性超微颗粒具有高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超微颗粒的小尺寸效应还表现在力学、超导电 半导体颖粒可近似地看成是一个短路的微型电 池用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系 时半导体纳米粒子吸收光产生电子一一空穴对在电场作用下电子与空穴分离分别迁移到粒子表面的不同位置与溶液中相似的组分进行氧化和 还原反应 性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面 2.3界面效应 光催化是一种具有应用潜力的特殊催化剂7 涉及到许多反应类型如醇与烃的氧化无机离子氧化还原有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成固嘴反应水净化处理水煤气变换等其中有些 纳米材料具有非常大的界面且界面原子的排 列相当混乱原子在外力的作用下很容易发生迁 移从而表现出很好的韧性与一定的延展性因而 使材料具有特殊的界面效应 是 催化难以实现的川半导体多相光催化剂 2量子效应4量子尺寸效应导电的金属在超微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探究造成这些现象的原因即为量 子尺寸效应介于原子、分子与大块固体之间的超微颖粒大块材料中连续的能带将分裂为分立的能 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 能有地降解水中的有机污染物例如纳米TOIZ既有软高的光催化活性又能耐酸碱对光稳定 无毒便宜易得是制备负载型光催化剂的最佳选 择 3在涂料方面的应用2纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能在涂料中加入纳米材料可进一步提高其防护能力实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色 等在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用已有 美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钦、三就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性氧化二铬等与树脂复合作为静电屏蔽的徐层;在标称之为量子尺寸效应s牌上使用纳米材料涂层可利用其光学特性达到量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性储存太阳能、节约能源的目的在建材产品如玻因此存在隧道效应研究发现一些宏观物理量如璃、涂料中加入适宜的纳米材料可以达到减少光微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦的透射和热传递效果产生隔热、阻燃等效果纳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米SIC反是一种抗紫外线辐射材料在涂料中加入纳米Sm可使涂料的抗老化性能、光洁度及强i度成倍地增加纳米涂层具有良好的应用前景将为涂层技术带来一场新的技术革命也将推动复合材料的研究开发与应用3在生物医学面的应用3地磁性纳米粒子作为药济的载体在外磁场 一步微型化时必须要考虑上述的量子效应 3纳米材料的应用 3在催化面的应用1纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一纳米颗粒具有很高的比表面积表面的键 的引导下集中于病患部位以提高药效使药10 纳米材料的研究及应用物在人体内的传输更为方便用数层纳米粒子包裹 纳米技术的发展使微电子和光电子的结合更 的智能药物进入人体可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织;使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用通过纳米技术处理后的银表面急剧增大表 加紧密在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面使光电器件的性能大大提高将纳米技术用 于现有雷达信息处理上可使其能力提高10倍至几百倍甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学纳米材料被称为“世纪最有前12 面结构发生变化杀菌能力提高20倍左右对临0床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用微粒和纳粒作为给药系统其制备材料的基本 性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应纳米系统主要用于毒副作用大、生 途的材料”0在世界纳米材料与纳米科技取得成 就的同时也涉及到许多有关重要的问题有待进行深入的探索和解决2世纪将是纳米技术的时代1纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影 物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药 纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过 响并有可能从根本上解决人类面临的许多问题 特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题随 程从而根据生物学原理发展分子应用工程在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5一2nm的聚0合物后可以固定大量蛋白质特别是酶从而控制 生化反应这在生化技术、酶工程中大有用处使 着其制备和改性技术的不断发展纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用 参考文献 ISa巧aranyaaCFnFH.ThsoctUeadMeha:cPrO时et团ncnal户 纳米技术和生物学相结合研究分子生物器件利纳米材料的研究及应用用纳米传感器可以获取细胞内的生物信息从而 了解机体状态深化人们对生理及病理的解释3.4在环保方面的应用 纳米材料的控制污染源方面可起到关键性的作用主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资源消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染 oMet.JlicN二斗山Me劫u目caTr田蛇uo们汇卜2sef油山歹l泌曰J199 .A23A;1071一1081. 2白春礼.纳米科技发展及其前景川科学通报1(2;2o04)6 09. 3刘艺、刘卫华、王彦芳.纳米材料的特殊性能及其应用;沈阳 工业大学学报202(1.02) 4单志强.纳米材料特性及其在环境保护领域的应用;环保材料. (205)0一40一.)(20003 3在微电子学上的应用5 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的 5刘艺、刘卫华、王彦芳.纳米材料的特殊性能及其应用;沈阳 工业大学学报20抢.2(1).( 工艺手段按照全新的理念来构造电子系统并开发物质潜在的储存和处理信息的能力实现信息采集和处理能力的革命性突破纳米电子学 将成为下世纪信息时代的核心 3.6在光电领域的应用 6都有为.化工进展;1993(4);21一24. 7古宏展.化工进展;1999(4);5一78吴鸣.首届全国纳米材料应用技术交流会论文集;11一11.149李良训.金山油化纤;2仪K第一期.) 10张立德.纳米材