走进纳米时代论文

走进纳米时代论文纳米材料及其应用摘要：21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。关键词：纳米材料；纳米技术；应用1．纳米材料的发展自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究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。2．纳米材料的定义纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。3．纳米材料的结构纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组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。4．纳米材料的特性（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。利用这些特性，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、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。5．纳米材料的应用（1）陶瓷增韧传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。（2）计算机技术世界上第一台电子计算机诞生于1945年，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18000个电子管，总重量30t，占地面积约170㎡，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1s内只能完成5000次运算。经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展，使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。（3）纳米催化材料纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温。（4）纳米碳管1991年，日本的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。在空气中将纳米碳管加热到700℃左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。（5）生物医学血液中红血球的大小为6000～9000nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。碳材料的血液相溶性非常好，21世纪的人工心瓣都是在材料基底上沉积一层热解碳或类金刚石碳。但是这种沉积工艺比较复杂，而且一般只适用于制备硬材料。介入性气囊和导管一般是用高弹性的聚氨酯材料制备，通过把具有高长径比和纯碳原子组成的碳纳米管材料引入到高弹性的聚氨酯中，我们可以使这种聚合物材料一方面保持其优异的力学性质和容易加工成型的特性，一方面获得更好的血液相溶性。实验结果显示，这种纳米复合材料引起血液溶血的程度会降低，激活血小板的程度也会降低。使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后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。通过纳米粒子的特殊性能在纳米粒子表面进行修饰形成一些具有靶向，可控释放，便于检测的药物传输载体，为身体的局部病变的治疗提供新的方法，为药物开发开辟了新的方向。（6）能源环保合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装臵。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。（7）新材料纳米新材料配方是一门在100纳米以内空间内，通过自然更改直接排序原子与分子创造出来的新纳米材料的项目。纳米新材料与该领域是现代力量和现代技术创新的起点,新的规律和原理的发现与全新的理念创设给予基础科学，提供了新的机会,这会成为许多领域的重要改革新动力。纳米新材料配方由于SAIZU细小,拥有很多奇特的性能。1988年Baibich等第一次在纳米Fe/CrMS里发现磁电阻变化率达到百分之五十,与一般的ME比起来要大一个级别,并且是负值的,各向一样,称作GMR。之后还在纳米体系的、隧道结和Perovskite结构、颗粒膜中发现巨ME。里面Perovskite结构在一九九三年是发现且具有极大ME,叫做CMR,在隧道结中找到的为TMR。6.纳米技术在国内的研究情况及取得的成果纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，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；氮化镓纳米棒的制备；准一维纳米丝和纳米电缆；用催化热解法制成纳米金刚石等等。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。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”