纳米技术简介.doc

1.1 纳米科技及纳米材料应用进展 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1nm = 10-3 m = 10-6 mm = 10-9 m。在晶体学和原子物理中还经常使用埃(.)作单位，1. = 10-10m，所以1nm = 10.。氢原子的直径为1.，所以1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知，纳米是一个极小的尺寸，但从微米进入到纳米代表人们认识上的一个新的层次。纳米正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，也是物理学、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。 1.1.1 纳米科技进展 纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究尺寸在0.1nm100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学。 1.1.2 纳米材料的种类 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。 1. 纳米微粒 纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。 2. 纳米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作纳米结构材料。 3. 纳米组装体系 由人工组装合成的纳米结构材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，使整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。 1.1.3 纳米材料的特异性能 纳米结构材料的特性是由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。在一定条件下，这些因素中的一个或多个可能起作用。因此，人们想要创造纳米结构材料，就要着眼于具有决定意义的因素。 纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应，这里介绍几种最基本的物理效应。 1. 小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。 (1) 特殊的光学性质 当黄金(Au)被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于1，大约几千纳米的厚度就能完全消光。利用这个特性，纳米材料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件、红外隐身技术等。 (2) 特殊的电学性质 介电和压电特性是材料的基本物性之一。 (3) 特殊的磁性 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在纳米级磁性颗粒，使这类生物能在地磁场中辨别方向，具有回归本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。 (4) 特殊的热学性质 在纳米尺寸状态，具有减少了空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。 (5) 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。 。 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。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。 3. 宏观量子隧道效应 各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数原子构成固体时，单独原子的能级就合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分离的能级; 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，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。人们把当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低空轨道(LUMO)能级而使能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。例如,导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子的奇偶数有关，比热亦会出现反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对纳米颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。 另外，晶粒尺寸降到纳米级，有望使Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料的室温超塑性成为现实。超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量，这种现象通常发生在经受中温(0.5Tm)、中等到较低的应变速率(10-610-2s-1)条件下的细晶材料中。目前，形变率达100的张应力超塑性比较常见，最大的形变高达800。陶瓷超塑性的主要问题是形变率太大而不足以进行实际的应用，另外尽管人们发现在Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料高温时(11001600)具有超塑性，但室温超塑性仍然未见报道。 一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件，一是较小的粒径，二是快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径，所以有望实现室温超塑性。最近研究发现，随着粒径的减少，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高。由于这些试样气孔很少，可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为0.04，几乎是室温下铅的1/4，表明这些陶瓷具有延展性，尽管没有表现出室温超塑性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。 1.2 纳米材料的制备 纳米材料的制备技术不仅包括纳米粉体、纳米块体及纳米薄膜制备技术，还包括纳米高分子材料的制备技术，纳米有机-无机材料的杂化技术，纳米元器件制备技术，纳米胶囊制备技术和纳米组装技术等，一般地，纳米材料制备方法可分为：物理法，化学法和综合法。 1.4 纳米材料的应用 1.4.1 纳米材料在高科技中的地位 高技术是在前沿科学基础上发展起来的先进技术，它往往是工业革命的先导，也是技术竞争的“制高点”，在高技术基础上发展起来的高科技产业是衡量一个国家科学技术和经济实力的标志之一。下一代的微电子学和光电子学朝什么样的方向发展，计算机的发展趋势是什么，光子计算机和生物计算机对新的材料和器件有什么样的要求，适应高技术发展的新的加工方式、新的制造技术、新的集成技术将发生什么样的变化，这是目前世界各国关注的重点。 纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。现在已经在实验室里研制成功单电子晶体管，其使用的硅和二氧化钛的尺寸达到了几个纳米，以及室温下就具有单电子隧道效应的单电子晶体管。 1.4.2 磁学应用 纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产、至今还充满活力、具有宽广应用前景的一类人工功能材料之一。 1纳米磁记录材料 磁记录是信息储存与处理的重要手段，随着科学的发展，要求记录密度越来越高。20世纪80年代日本就利用Fe、Co、Ni等金属超微粒制备高密度磁带。磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。 2纳米巨磁电阻材料 巨磁阻抗效应是磁性材料的交流阻抗随外磁场发生急剧变化的现象。对于纳米微晶巨磁阻抗材料，产生这种效应的磁场较低，工作温度在室温以上，这就对巨磁阻抗材料的应用十分有利。 3新型的磁性液体 磁性液体的主要特点是在磁场作用下，可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。 磁性液体还有许多其他用途，如利用磁性液体对不同密度的物体可以进行密度分离，设计出磁性液体比重计，以及仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。 4纳米微晶软磁材料 5纳米微晶稀土永磁材料 由于稀土永磁材料的问世，使永磁材料的性能突飞猛进。稀土永磁材料已经历了SmCo5、Sm2Co17以及Nb2Fe14B等3个发展阶段 6纳米磁致冷工质 磁致冷是利用自旋系统磁熵变的致冷方式进行制冷的。 1.4.3 纳米催化 催化是纳米超微粒子应用的重要领域之一。纳米超微粒子作为一种新型的功能材料，由于尺寸小，表面原子所占比例大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面活性位增加，这就使其具备了作为催化剂的基本条件 1 纳米粒子的化学催化 化学催化的作用主要可归结为3个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化，脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。 2 半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯醇 醛酸CO2，完成了对有机物的降解。 3. 纳米金属、半导体粒子的热催化 金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药中，增加爆炸效率，也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧的效率，人们将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，来提高燃烧的效率，因此这类材料可用于火箭助推器和煤的助燃剂中。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。 1.4.5 光学应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。 1. 红外反射材料 灯管发热也会影响灯具的寿命，如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径，不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。2优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是依据了这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外光的吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量及组分。用纳米微粒与树脂结合用于紫外吸收的例子是很多的红外吸收材料也有很重要的应用前景。 3. 隐身材料 1.4.6 医学应用 当物质小到1100nm时，由于其量子效应，物质的局域性及巨大的表面与界面效应，使物质的很多性能发生质变，在原子、分子水平上制造新材料和器件,可引导“新的工业革命”。在自然界，植物通过叶片把光能转换为化学能的光合作用就是纳米工厂的典型例子; 人类的遗传基因序列做到了原子级的结构精确和完美, 如果有一个原子错位就可以导致遗传上的缺陷，人类细胞的再生和自我组合，脑细胞超前记忆能力，神经系统的信息传递和反馈等都是