纳米材料的发展现状及展望

纳米材料的发展现状及展望摘要：本文介绍了纳米材料的现状及其发发展趋势，重点说明了纳米材料研究的特点、阶段、内容以及在实际应用方面所取得的成就，并对未来的发展趋势进行了预测。关键词：纳米材料发展现状未来预测纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1-100nm）限制的各种固体超细材料。1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构材料的含义还包括纳米组装体系，该体系除了包括纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，也就是说纳米材料包括：纳米微粒、纳米块体、纳米薄膜和纳米组装体系。1纳米=10-9米，纳米是一种长度的量度单位，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的十万分之一。纳米材料的主要特点就是尺寸缩小、精度提高。纳米材料的重要意义最主要体现就是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质，或对原有性质有十分显著的改进和提高。导致纳米材料产生奇异性能的主要限域应有：比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等，这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等的物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。如光吸收显著增加，金属熔点降低，增强微波吸收等。研究纳米材料已有多年历史了。自物理学家诺贝尔奖金获得者理查德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告后，就开始了纳米尺度领域的研究。费曼认为能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这小的机器又可制作更小机器，这样一步步达到分子线度，他的设想包括以下几点：①如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针部那么小的地方。②计算机微型化。③重新排列原子。纳米材料研究的内容包括两个方面:①系统地研究纳米材料的性能、微观结构和波谱特性。通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论,发展完善纳米材料科学体系。②发展新型纳米材料。纳米尺寸的合成为发展新材料提供了新途径,这就大大地丰富了纳米材料制备科学。从研究的内涵和特点大致可划分为三个阶段。第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同与常规材料的特殊性能。对纳米颗粒的纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究对象一般局限在单一材料和单相材料。第二阶段（1994年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料挖掘出来的奇异物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用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）。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米复合材料的主要方向。第三阶段（1994年到现在）纳米组装体系，人工组装合成的纳米结构材料体系越来越受人们的关注，正在成为纳米材料研究的新热点。目前，根据纳米材料的特性制造了一些复合型材料。如：纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍。对纳米陶瓷材料，提高断裂韧性，降低脆性，纳米结构碳化性硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，断裂韧性比常规材料提高4-5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。又如：高居黑点、低电阻的PTC陶瓷材料添加少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度，致密度快，减少Pb的发挥量，大大改善了PTC陶瓷的性能。再如：具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻，三氧化二铝陶瓷基板材料加入3%-5%的27nm三氧化二铝，热稳定性提到了2-3倍，热导系数提高10%-15%。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强,寿命提高。近年来人们根据纳米材料的特性又设计了紫外反射涂层、各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层。如：8nm的二氧化锡及40nm的二氧化钦，20nm的三氧化铬与树脂复合成静电屏蔽涂层，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层，40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层等。纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出，纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在21世纪后半叶对世界的影响相形见绌。纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息和分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、形成新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。纳米材料研究的具有以下特点:(1)纳米材料研究的内涵不断扩大。1994年以前主要研究集中在纳米颗粒以及由它们组成的薄膜与块体。此后纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料。这种结构的出现,丰富了纳米材料研究的内涵,为镶嵌、组装纳米材料提供新的机遇。(2)纳米材料的研究范围不断拓宽。1990年以前,纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及纳米固体,现在纳米结构材料的含义还包括纳米组装体系。该体系除了包含纳米微粒组元,还有支撑它们的具有纳米尺度空间的基体。(3)基础研究和应用研究出现并行发展的新局面。纳米材料的应用成为人们关注的热点,应用研究已初具规模,在全球范围内,纳米材料及其相应产品在国际市场上所创造的经济效益每年以20%的速度增长。与此同时,纳米材料的基础研究也日趋深入、系统,对纳米功能材料的机制等理论研究得到发展和完善目前的研究对象主要集中在纳米阵列体系、纳米镶嵌体系、介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系,探索或改善材料的性能,目标是为了制作纳米的器件。如高亮度的固体电子显示屏、纳米晶二极管、真空紫外到近红外的光致发光和电子发光二极管都可以用纳米晶作为主要的材料。目前在实验室已设计出的纳米器件有Si-SiO2的发光二极管,Si掺Ni的纳米颗粒发光二极管以及用不同纳米尺度CdSe制作的红蓝绿光可调发光二极管等。介孔与纳米组装体系和纳米颗粒膜也是当前纳米组装体系重要的研究对象,主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应,根据需要对材料整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规材料不具备的奇特性质。人们在纳米颗粒与介孔固体组装的研究中,设计了多种介孔复合体系,不断探索其光、电及敏感活性等功能。介孔复合体系是根据纳米颗粒本身的特性,通过纳米颗粒与基体的界面耦合而产生新的效应,使整个体系既能表现出纳米颗粒的特性,又能表现出三维块体材料的特性，这样可根据实际需要组装多种多样的介孔复合体。目前,这种体系按支撑体的种类分为无机介孔和有机高分子介孔复合体两大类。小颗粒是金属、半导体、氧化物、氮化物及碳化物,支撑体有无序介孔复合体和有序介孔复合体。世界各国对纳米技术的发展都非常重视。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元,2005年预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米技术名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界水平的三分之一。在纳米技术领域投资较大的国家还有：欧盟（约15%）、日本（约20%）、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、中国、韩国、以色列、新加坡等国。日本国会提出要把发展纳米技术作为今后20年日本的立国之本，政府机构和大公司是其研究资金的主要来源，中小企业的作用很小。日本研究的目的是在产品中注入纳米技术，增强国际竞争力。日本在超细微加工、纳米设备、强化纳米结构及检测相关领域拥有全球优势。欧盟2002—2006:年的第六个框架研究计划关于纳米技术的总投资将达到13亿欧元，项目分散在各个不同的领域，但是专门的纳米科技领域，它明确的优先发展方向是多功能材料、新的生产工艺和设备。韩国政府把全国各大学研究纳米技术的优秀人才都集中到汉城大学，成立了一个纳米技术学院，由国家调配人才，各大公司也都以市场为目标部署了专业研究领域。预计到2015年，仅纳米技术在生物医药领域中的应用，全球市场将达到200亿美元。当前,在纳米材料制备技术研究中的一个重要趋势就是加强控制工程的研究,这包括颗粒尺寸、表面形状和微结构的控制。由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对某一材料的贡献大小是很难区分的。这些效应究竟在起有利作用,还是在起不利作用都难以判断。这不仅给某些现象的解释带来困难,而且也给设计新型纳米结构材料带来不利因素。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制每一种效应对纳米材料结构与性能的作用,是控制工程亟待解决的问题。国际上近年来,纳米控制材料工程研究课题有以下几个方面:一是纳米颗粒的表面改性,通过纳米微粒的表面包覆异性物质和表面修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度;二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态(连续分布还是孤立分布)来控制量子尺寸效应和渗流效应;三是通过设计纳米丝、纳米管和纳米阵列体系(包括有序阵列和无序阵列)来获得所需特性。我国著名科学家钱学森在1991年曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命”。今天纳米材料科学的飞快进展正在把这个预言化为现实。人们已经能够制备包含几十个原子的纳米微粒,并把它们作为基本结构单元,适当排列形成零维的原子点、一维的量子线、二维的量子膜和三维的纳米固体,创造出组成相同,性能奇异的各种纳米材料。这对生产力的发展将产生深远影响,并有可能从根本上解决人类面临的能源、交通、环保及健康等一系列问题。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。纳米材料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，纳米材料在未来必将取得极大的发展。参考文献：邱磊.《纳米材料的应用研究》[J].化学工程与装备，2009.胡庆芳.《纳米材料简介》[J].科技视野,2009.叶永庆.《浅谈纳米材料应用前景及制备方法》[J].建材世界,2009.代淑芬.纳米材料的特性和发展[J].无锡南洋学院学报,2008,(04).许华胜.我国纳米材料产业化机制研究[D〕.中国博士学位论文全文数据库2007.陈怡,李文利.谈谈纳米材料的发展前景与应用[J].科技信息(学术研究),2007.叶飞.《纳米材料的发展与应用》[J].安庆师范学院学报,2004.张莉芹,袁泽喜.《纳米技术和纳米材料的发展及其应用》武汉科技大学学报,2003.李玉金,王九思,田玲.纳米材料的基本特性及发展和应用概况[J].甘肃教育学院学报(自然科学版),2003.