纳米材料的用途

神奇的纳米世界制作人：张玉伟0410388王云0410368纳米科学技术（nanotechnology）：纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。纳米材料(nanomaterial)与纳米粒子(nanoparticle)：纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于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，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、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将会有显著的不同。表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加，假如原子间距为3′10-4微米，表面原子仅占一层，粗略地估算表面原子所占的百分数见下表。超微颗粒表面原子百分数与颗粒直径的关系直径（′10-4微米）10501001000质子总数304′1033′1043′106表面质子百分数10040202纳米材料的奇异特性：由上表可见，对直径大于0．1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2′10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。②小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性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）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。（3）特殊的磁学性质人们发现鸽子、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超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微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。人们利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。（4）特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。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，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，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超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；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，称之为量子尺寸效应。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。纳米材料的用途纳米材料的用途很广，主要用途有：医药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。家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前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”。环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。制备硅纳米晶体新的有效方法美国Minnesota大学的工程人员发明了一种室温下在等离子体中制造硅纳米颗粒的新方法。新方法解决了现有的基于等离子体的制备方法中的问题，可以制造出尺寸相同的纳米颗粒。研究人员说这种晶体颗粒可以用到新的电子器件中譬如说单个纳米颗粒晶体管。相对于非晶态（无定型）硅来说，晶态硅有许多好的特性，可以用于高速电子学中，不过现有的等离子体合成技术总是得到非晶态（无定型）硅。并且得到的纳米颗粒或者存在很多缺陷，或者尺寸变化范围很大。UweKortshagen和他的同事们所发展的新技术没有这些缺点，可以得到真正意义上的无缺陷晶态纳米颗粒，并且颗粒的尺寸只在一个较小的范围内变化。纯碳纳米管能成为超强材料以色列和美国的材料学家发现，碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍，原因是碳纳米管可以经受约100万个大气压的压力而不破裂，这一结果比类似的纤维高两个数量级。这一发现可能导致利用碳纳米管作为加强材料制造强度更高的复合材料，届时，人们将可利用这种复合材料生产轻便且刀枪不入的防弹背心或服装。碳纳米管是由60个碳原子组成的一种足球状分子的变种，之所以强度极高，是因为碳纳米管中的碳－碳键非常稳定和细管中存在少量缺陷。研究人员希望将碳纳米管作为复合材料的加强材料，目前有待解决的问题是碳纳米管的尺寸太小，难以直接测量其结构性能。用空气氧化法高效纯化炭纳米管使用碱对炭纳米管进行了预处理，由于碱是一种分散剂，可以加强炭纳米颗粒和氧化剂的反应，使炭纳米管和其它形式的炭相分离。以下是有关此实验的几张图片。在纯化过程中，我们采用了NaOH溶液对炭纳米管进行了预处理，碱主要是和粗品炭纳米管中的有机官能团反应而将有机官能团溶解掉。图1阴极沉积物的扫描电镜图像从图1中我们可以看到,图1(b)中的粒子分散度优于图1(a)中粒子的分散度。由此可以证明碱是一种很好的分散剂，它可以使聚集在一起的炭纳米管和炭纳米粒子分散成较小的颗粒，使之具有较大的比表面积，同时化学反应活性增大。炭纳米管被煅烧以后，如不进行后处理很难得到纯净的炭纳米管。将煅烧后的炭纳米管样品用透射电镜观察，所得TEM图像见图2。图2未经酸洗的炭纳米管TEM图像图3经酸洗后的炭纳米管TEM图像单壁碳纳米管的发现，为纳米电子学、纳米化学、纳米材料学的研究开辟了一个富有生命力的全新领域。最近，排列整齐、结构均匀、有序可控的多壁碳纳米管的制备获得了重大突破。以下是两张有关制备单壁炭纳米管的图片。随着科技的进步，纳米科技已经有了突飞猛进的发展。它的重要性以及优越性也得到了众人的关注。在不久的将来，纳米科技将成为未来信息的核心！让我们一起努力，迎接更辉煌的纳米世界！谢谢欣赏