纳米材料学习报告

纳

米

材

料

学

习

报

告

纳米材料性能及应用

摘要：纳米材料是近年来受到广泛重视的一种新型功能材料，它其具有巨大

的市场应用潜力，被誉为，21世纪最有前途的材粗本文介绍了纳米材料及耕

性僦纳米材料的发展简史、国内外研究现状、结构特性和性能进行了综述，旨

在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。对纳米材料技术在催化、环保、生

物医学、光电领域中的应用发展趋势进行了简述与展望。

关键词：纳米材料:结构特性;应用:性能

1概述

1.1前言

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。纳米科学

技术是21世纪末发展起来的交叉性、前沿性的新兴科学技术。它是指在纳米尺

度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性和相互作用来开发新产品的一

门多学科交叉的科学技术。它将与信息技术、生物技术一样，会对21世纪的国民

经济、国防和社会产生重大和深远影响，并可能引发下一场工.业革命，而且，其未来

的应用领域也将远远超过计算机工业，甚至会改变人们的传统思维方式和生活方式。

1.2何谓纳米材料

纳米材料(nanomaterial)又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范

围在卜100nm之间陀处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关二微

观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是•种

典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。在光学、热学、

电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比有显著的不同，自20世

纪80年代纳米材料概念形成后,世界各国都把纳米材料的研究列为重点发展项艮

先后投入了巨大的人力和物力来研制和开发这种尖端的新型高科技材料,目前这

一新型高科技材料已广泛应用于电子、冶金、宇航、化工、生物和医

学等领域。

1.3纳米材料的发展简史

第一阶段"990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的

纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的

特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为

纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990-1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的

物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材

料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体

系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者

纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、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。

1.4国内外研究现状

纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要也毋庸

置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中

心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。在德国,

以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微系

统的研究。在国内，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的

研究工作，并取得了一定的研究成果。如：定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学

院物理研究所解思深研究员等完成；氮化做纳米棒的制备，山清华大学范守善教授等

完成；准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。

但是，同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距。德国科学技

术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为到2000年，纳米结构器

件市场容量将达到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材

料市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳

米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。并预测市场的突破口可能在信

息、通讯、环境和医药等领域。

2

2组成与结构

2.2纳米材料的组成

碳系材料，碳是一种常见元素，其存在形式是多种多样的，最常见的两种单质

碳是高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨,它们晶体结构和键型都不同.金刚石每个

碳都是四面体4配位,类似脂肪族化合物;石墨每人碳都是三角形3配位，可以看作

无限个苯环稠合起来.富勒烯是继石墨、金刚石之后，人们发现的第三种碳元素存

在的晶体形态.三维的金刚石、层状的石墨、二线的石墨烯、一维的碳纳米管、

零维的富勒球组成了完整的碳系家族。

纳米复合材料，纲米复合材料不是无机相与有机相的简单混合，而是两相在

纳米至亚微米尺寸范围内复合而成，两相界面间以（较强或较弱）氢键、范德华力等

力结合.与构建它们的原始纳米材料相比，纳米复合材料具有更为优异的特性而倍

受科学界的关注.更为有利的是，它可以按着我们的意愿设计、组装、创造新的体

系，可以根据特定任务的需要对材料的结构、性质和功能来进行材料设计与合成,

具有非常强的针对性C

2.3纳米材料的微观结构

纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子蛆成的原子群或分子群，是一种典

型的介观系统。因此，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体

原子和界面组元晶界,若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳

米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶界缺陷所

占的体积比也相当大、尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有

序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的界面原子

组成的界面，其原子排列方式均不同。因此，在整体上构成了一种与晶态和玻璃态

均有较大差别的、崭新的微观结构。由于纳米粒子的这种特殊类型的结构，导致

纳米材料具有一系列新异的物理、化学特性,而且这些特性是其他固体材料或常

规材料根本所不具有的特性。

2.4结构特性

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构

与粗晶材料基本相同，因此在这方面的研究报道不多。纳米材料突出的结构特征

是晶界原子的比例很大,当晶粒尺寸为10nm时，一个金属纳米晶内的界面可达达

3

6X1025m时，晶界原子达15%〜50%,可以用TEM(透射电镜)、X射线、中子衍射

以及其他方法来表征纳米材料及其结构。由于纳米材料中晶界的原子结构十分复

杂,使其在80年代末至90年代初曾一度成为纳米材料研究的一个热点。为描述

纳米晶界结构，人们提出了许多模型,概括起来可分为三种不同的学说:Gleiter的

完全无序说、Siegel的有序说和有序无序说。

但是，目前很难用一个统一的模型来描述纳乂晶界的微观结构。其原因在于

纳米材料中的晶界结构相当复杂，它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、

成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之

间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于

无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状

态。

3应用

纳米材料由于其产生的特殊效应，因而具有常规材料所不具备的性能,使得其

在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再

局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。

3.1在催化方面的应用

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，表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点，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。起化学催化作用的

纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂

以贵金属(Ag,Pd,Pt,Rh等)的纳米粉末为主，Fc,Co,Ni等贱金属纳米粉末也得到

了•定应用。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属

纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上,能够进一步增

加催化剂的选择性。目前，此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有

关化合物的纳米粒子作为催化剂，如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒

子加入到煤、油等燃料后,对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用,同时不

会增加尾气中的硫含量。

3.2在生物医学方面的应用

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分

4

子应用工程。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5~20nm的聚合物后，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。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取

细胞内的生物信息，从而广解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。将纳米颗

粒压成薄片制成过滤器，其过滤孔径为纳米量级，在医疗工业中可用于血清消毒。

纳米材料具有优异的吸附性能，可用作微生物吸附和选择分离的功能材料。用纳

米技术将不易被人体吸收或毒性较大的药物或保健品制成纳米胶囊或纳米粒子

悬浮液，则可制得前景可观的纳米保健品。一些具有生物活性的纳米材料,还可用

于人造骨、人造牙、人造人体器官等。

3.3在环保方面的应用

纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消

耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气

污染。在污水治理方面，纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光

催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外，另有许多纳米材

料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段。利用纳米

TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻漓表面涂覆纳米TiO2可以制成

自清洁外墙玻璃，具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。在大气污染的

治理方面，纳米钛酸钻是一种非常好的石油脱硫催化剂，经它催化的石油中硫的

含量达到国际标准。煤燃烧也会产生二氧化硫勺体,如果在燃烧的同时加入一种

纳米级助烧催化剂，不仅可以使煤充分燃烧，而且会使硫转化成固体的硫化物，而

不产生二氧化硫气体。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能，是

其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的，它的应用可彻底解决汽车尾气的污

染问题。

3.4在光电领域的应用

纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密，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。纳米材料由于具有特殊的光学性能，可

作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料等。如用纳

5

米微粒制成的光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗;红外线反射膜和多层膜材

料可用于节能方面;优异的光吸收可提高使用寿命、防止塑料老化、防止油漆脱

落等。

4结语

综上所述，纳米材料在催化、生物医学、环保、光电领域均有重要的潜在应

用前景，将可能在未来先进材料体系中扮演重要角色。随着研究工作的不断深入，纳

米材料与技术的优势将会有更充分的发挥。随着人们对纳米材料认识的深入，相

信还会有更多方面的发展和应用,因此系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的

实际意义。随着人们对纳米材料研究的深入,纳米材料必将出现更为广阔的应用

前景,纳米材料的大规模工业生产和商业应用也将成为现实。纳米材料作为一门新

兴科学必将对人类生活产生深远的影响，并将对如何调整国民经济支柱产业的布局、

设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

参考文献

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［2］钟宁.纳米材料的特性及制备方法口］.湖南有色金属