纳米材料的背景、意义

纳米材料的背景 意义纳米材料的背景 意义 纳米知识介绍1990年7月 第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔 的摩举办 标志着纳米科学技术的正式诞生 纳米纳米是一种长度单位 1纳米 1 10 9米 即1米的十亿分之一 单位符号为nm 纳米技术纳米技术是在单个原子 分子层次上对物质的种类 数量 和结构形态进行精确的观测 识别和控制的技术 是在纳米尺度范 围内研究物质的特性和相互作用 并利用这些特性制造具有特定功 能产品的多学科交叉的高新技术 其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子 分子 制造 出具有特定功能的产品 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段第一阶段 1990年即在召开 Nano1 以前 主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段 合 成纳米块体 包括薄膜 研究评估表征的方法 探索纳米材料的特 殊性能 研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料 第二阶段 1990年 1994年 人们关注的热点是设计纳米复合材料 纳 米微粒与纳米微粒复合 0 0复合 纳米微粒与常规块体复合 0 3复合 纳米复合薄膜 0 2复合 第三阶段 从1994年至今 纳米组装体系研究 它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝 管等为基本单元在一维 二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究 纳米材料材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1 100纳米或者由他 们形成的材料就称为纳米材料 纳米材料和宏观材料迥然不同 它具有奇特的光学 电学 磁学 热学和力学等方面的性质 图1纳米颗粒材料SEM图 一 纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是 原子尺寸的微小单元组成 也正因为这样 纳米材料具有了一些区 别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例 如其力学特性 电学特性 磁学特性 热学特性等 这些特性在当 前飞速发展的各个科技领域内得到了应用 科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术 难题 可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展 1 力学性质高韧 高硬 高强是结构材料开发应用的经典主题 具有纳米结构的材料强度与粒径成反比 纳米材料的位错密度很低 位错滑移和增殖符合Frank Reed模型 其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大 增殖后位 错塞积的平均间距一般比晶粒大 所以纳米材料中位错滑移和增殖 不会发生 这就是纳米晶强化效应 金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史 由于金属陶瓷的混合烧结 和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高 应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时 其韧性 强度 硬度大 幅提高 使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位 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 2 热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非 晶体材料的值 这是由于界面原子排列较为混乱 原子密度低 界 面原子耦合作用变弱的结果 因此在储热材料 纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛 的应用前景 例如Cr Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用 从而有效地将太阳光能转 换为热能 3 电学性质由于晶界面上原子体积分数增大 纳米材料的电阻高于 同类粗晶材料 甚至发生尺寸诱导金属 绝缘体转变 SIMIT 利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件 具有超高速 超容量 超微型低能耗的特点 有可能在不久的将来 全面取代目前的常规半导体器件 xx年用碳纳米管制成的纳米晶体管 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 随着单电子晶体管研究的深入进展 已经成功研制出由碳纳米管组 成的逻辑电路 4 磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1 55Gb cm2 在 这情况下 感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻 效应为3 已不能满足需要 而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 目前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 cm 2 同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系 所以也可以用作新型的磁传感材料 高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率 对可见光的吸收 系数比传统粗晶材料低得多 而且对红外波段的吸收系数至少比传 统粗晶材料低3个数量级 磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量 级 从而在光磁系统 光磁材料中有着广泛的应用 纳米结构以纳米尺度的物质单元为基础 按一定规律构筑或营造的 新体系 它不仅具有纳米物质单元的性能 还存在由结构组合而产生的新的 特性 Gleiter认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成 分的组合 纳米材料具有大量界面 晶界原子达15 一50 可以利用TEM X射线 中子衍射和一些其它方法来表征纳米材料及 其结构 对于纳米材料晶界的结构有三种不同的理论 1 Gleiter的完全无序说 放的结构 原子排列具有随机性 原子间距较大 原子密度低 既 无长程有序 又无短程有序 2 Seagel的有序说 结构单元 晶粒间界处原子保持一定的有序度 通过阶梯式移动实 现局部能量的最低状态 3 叶恒强 吴希俊的有序无序说 受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制 在有序和无序之间变化 二 纳米材料的主要应用借助于纳米材料的各种特殊性质 科学家 们在各个研究领域都取得了性的突破 这同时也促进了纳米材料应 用的越来越广泛化 1 特殊性能材料的生产材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用 领域 高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应 即体积效应 使得其在低 温下烧结就可获得质地优异的烧结体 如SiC WC BC等 且不用添 加剂仍能保持其良好的性能 另一方面 由于纳米材料具有烧结温度低 流动性大 渗透力强 烧结收缩大等烧结特性 所以它又可作为烧结过程的活化剂使用 以加快烧结过程 缩短烧结时间 降低烧结温度 例如普通钨粉需在3000 高温时烧结 而当掺入0 1 0 5 的纳米 镍粉后 烧结成形温度可降低到1200 1311 复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同 所以把 它们烧结成复合材料是比较困难的 纳米材料的小尺寸效应和表面效应 不仅使其熔点降低 且相变温 度也降低了 从而在低温下就能进行固相反应 得到烧结性能好的 复合材料 纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合 在一起制成的 由于纳米材料粒径非常小 熔点低 相变温度低 故在低温低压下 就可用它们作原料生产出质地致密 性能优异的纳米陶瓷 纳米陶瓷具有塑性强 硬度高 耐高温 耐腐蚀 耐磨的性能 它 还具有高磁化率 高矫顽力 低饱和磁矩 低磁耗以及光吸收效应 这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域 并将会对高技术和 新材料的开发产生重要作 2 生物医学中的纳米技术应用从蛋白质 DNA RNA到病毒 都在1 100nm的尺度范围 从而纳米结构也是生命现象中基本的东西 细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的 纳米机械 细胞就象一个个 纳米车间 植物中的光合作用等都是 纳 米工厂 的典型例子 遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确 神经系统的 信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范 生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉 研究 人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵 纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞 红血球还要小 这就为医 学研究提供了新的契机 目前已得到较好应用的实例有利用纳米SiO2微粒 3 这种假说认为纳 米晶粒间界具有较为开 4 有序说认为晶粒间界处含有短程有序的 5 该理论认为纳米材料晶界结构实现细胞分离的技术 纳米微粒 特 别是纳米金 Au 粒子的细胞内部染色 表面包覆磁性纳米微粒的新 型药物或抗体进行局部定向治疗等 正在研制的生物芯片包括细胞芯片 蛋白质芯片 生物分子芯片 和 基因芯片 即DNA芯片 等 都具有集成 并行和快速检测的优点 已 成为纳米生物工程的前沿科技 将直接应用于临床诊断 药物开发和人类遗传诊断 植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗 而且可在动态检测中 发现疾病的先兆信息 使早期诊断和预防成为可能 纳米生物材料也可以分为两类 一类是适合于生物体内的纳米材料 如各式纳米传感器 用于疾病的早期诊断 监测和治疗 各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在 并定向地将药物注入 病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓 脂肪沉积物 甚至可以用其吞噬病毒 杀死癌细胞 另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料 它们可以不被用 于生物体 而被用于其它纳米技术或微制造 3 纳米生物计算机开发生物计算机的主要原材料之一是生物工程技 术产生的蛋白质分子 并以此作为生物芯片 在这种芯片中 信息以波的形式传播 其运算速度要比当今最新一 代计算机快10倍以至几万倍 能量消耗仅相当于普通计算机的几亿 分之一 存贮信息的空间仅占百亿分之一 由于蛋白质分子能自我组合 再生新的微型电路 从而使得生物计 算机具有生物体的一些特点 如能发挥生物本身的调节机能 自动 修复芯片上发生的故障 还能使其模仿人脑的机制等 世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的 科学家们预言 实用的生物分子计算机将于今后几年问世 它将对 未来世界产生重大影响 制造这类计算机离不开纳米技术 生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可 以进行人机对话的装置 它一旦研制成功 有可能在1秒钟完成数十 亿次操作 届时人类的劳动方式将产生彻底的变革 目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜 它已取得一系列成果 使全世界为之震动 并引起关心未来发展的全世界科学家的思索 人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展 这一领域前景十分诱人 它与其它学科相互渗透和交叉 可以形成许多新的学科或学科群 其有关发展将对经济建设 国防实力 科技发展乃至整个社会文明 进步产生巨大影 4 新的国防科技革命纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响 例如纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系 对化 学 生物 核武器的纳米探测系统 新型纳米材料可以提高常规武 器的打击与防护能力 由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完 成特殊的侦察和打击任务 纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千 百颗 按不同轨道组成卫星网 监视地球上的每一个角落 使战场 更加透明 而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目 在雷达隐身技术中 超高频 SHF GHz 段电磁波吸波材料的制备是 关键 纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制 由于纳米材料的界面组元所占比例大 纳米颗粒表面原子比例高 不饱和键和悬挂键增多 大量悬挂键的存在使界面极化 吸收频带展宽 高的比表面积造成多重散射 纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂 分裂的能级间距正 处于微波的能量范围 为纳米材料创造了新的吸波通道 纳米材料中的原子 电子在微波场的辐照下 运动加剧 增加电磁 能转化为热能的效率 从而提高对电磁波的吸收性能 美国研制的 超黑粉 纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99 法 国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料 在2 7GHz范围内 其m 和m 几乎均大于6 最近国外正致力于研究可覆盖厘米波 毫米波 红外 可见光等波 段的纳米复合材料 并提出了单个吸收粒子匹配设计机理 这样可 以充分发挥单位质量损耗层的作用 纳米材料在具备良好的吸波功能的同时 普遍兼备了薄 轻 宽 强等特点 纳米材料中的硼化物 碳化物 铁氧体 包括纳米纤维及纳米碳管 在隐身材料方面的应用都将大有作为 5 其他领域除此之外 纳米材料还在诸如海水净化 航空航天 环 境能源 微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用 纳米材料在 这些领域都在逐渐发挥着光和热 三 纳米材料的应用前景展望经过几十年对纳米技术的研究探索 现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子 纳米技术有了飞跃式 的发展 纳米技术的应用研究正在半导体芯片 癌症诊断 光学新材料和生 物分子追踪4大领域高速发展 可以预测不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管 平面显示用 发光纳米粒子与纳米复合物 纳米光子晶体将应运而生 用于集成 电路的单电子晶体管 记忆及逻辑元件 分子化学组装计算机将投 入应用 分子 原子簇的控制和自组装 量子逻辑器件 分子电子 器件 纳米机器人 集成生物化学传感器等将被研究制造出来 纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段 但从历史的角度看上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成 为发达国家 当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家 纳米技术对我们既是严峻的挑战 又是难得的机遇 必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究 为我国在21世纪实 现经济腾飞奠定坚实的基础 整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革 国际纳米材料发展投入和国内水平的对比纳米科学与技术在二十世 纪九十年代初期在世界发达国家蓬勃发展 西方发达国家对纳米科 学与技术的研发投入逐年增加 竞争也进入白热化 以高新技术为导向的美国正是看到了纳米材料的无限潜力 近年将 纳米科学技术的研发作为科技政策的重点 于2000年宣布实施 国 家纳米计划 每年的纳米科技研发投入都在增长 截至xx年初共 投入五十六亿美元用于纳米科学技术的研发 日本通产省实施为期 年的 纳米材料工程 计划 每年投资达 亿日元 日本科技厅设立 纳米材料研究中心 集中数百名专家进行研究 开发 日本文部科学省也实施 纳米技术综合支援计划 以最大限度发 挥各科研机构开发纳 14 15 米技术的能力 日本每年用于纳米技术研发的投资大约5亿美元 欧盟近年也将纳米科学技术作为重点研究领域之一 从xx至xx年间 为纳米技术研究拨款13亿欧元 并于xx年建立纳米技术工业平台 推动纳米技术的应用 法国于xx年动用5000万欧元建立法国最大的电子纳米技术中心 联盟 克洛尔 并在xx年该中心又投入 亿美元 建成了 世界上规模最大的纳米芯片生产基地 在纳米科技领域 我国在 十五 十一五 期间取得了一批重 要的研究成果 在部分领域已达到国际先进水平 但从以上我国的纳米材料成果可以看出 与发达国家相比 我国纳 米材料和技术的发展水平与发达国家还存在着不小的差距 首先 发达国家自上世纪90年代以来 一直把纳米科技作为发展的 长远战略目标 不断强化基础和应用技术开发 积极推动科技成