纳米时代离我们有多远

纳米时代离我们有多远？第一部分纳米材料与纳米科技基本知识一、引言在自然科学领域内，从空间尺度的大小，来划分问题的“宏”和“微”，在分界线的选择上，有一定的困难。可以模糊地认为，空间尺度从大到小，有：宇观——宏观——细观——微观——介观……各门学科都有它们自己的大致的分界线。在材料科学领域中，传统地认为，较宏观大得多的，叫做“宇观”；人类肉眼可见者，从约102到10-3米，叫做“宏观”；宏、微之间者，叫做细观；10-4米附近的，则借助于显微镜才能观察到的，叫做“微观”；较微观小的，叫做“介观”。纳米物质就是处在这样一个“介观”世界。二、未来的新材料——纳米材料1、什么是纳米材料和纳米科技著名的诺贝尔化学奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米是一种度量单位，1纳米（nm）等于10-9米（1毫米等于10-3米，1微米等于10-6米），即百万分之一毫米、十亿分之一米。1nm相当于头发丝直径的10万分之一。广义地说，所谓纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm——100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。简单地说，是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料，其纳米颗粒的大小不应超过100纳米，而通常情况下不应超过10纳米。目前，国际上将处于1?00nm纳米尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称为纳米材料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础，其相应发展起来的纳米技术则被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。所谓纳米科学，是指研究纳米尺寸范围在0.1－100nm之内的物质所具有的物理、化学性质和功能的科学。而纳米科技其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术，它以纳米科学为理论基础，进行制造新材料、新器件，研究新工艺的方法。纳米科技大致涉及以下七个分支：纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米机械学(制造工艺学)、纳米加工及表征。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶。并且主要以物理、化学等的微观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个原理深奥、科技顶尖和内容极广的多学科群。2、纳米材料的发展简史其实，纳米超微粒子早已广泛存在于自然界中，并且与人类的生命活动密切相关，如我们所熟悉的动物的筋、皮、骨都是纳米物质。早在1861年，人们对化学中所谓的胶体（即纳米体系）曾开展研究，但人们有目的地制取并研究纳米晶体却在20世纪60年代和80年代。利用现代技术完成的第一块纳米材料，是出自德国科学家格莱特（H.Gleiter）之手。1984年，他将6nm大小的金属粉末压制成型，烧结得到纳米微晶体块，成为纳米材料的开山之作。他还探索了其内部结构，发现了其界面的奇异结构和特异而优越的性能。由于纳米颗粒的尺寸已经很接近原子、电子的大小，量子效应便开始影响物质的结构与物理、化学性能。实验检测表明，纳米材料在机械强度、磁、声、光、热等方面，与普通材料都有较大的差异，由此可制成性能特别优良的各种特殊材料。纳米科技的正式“出场”亮相，颇有点戏剧性，其实是一幕刻意导演出来的“小品”。那是1990年的一天，在美国麻省理工学院举办的科技展览会开幕之前，当与会的科学家们进入展览大厅时，忽然间被一个小东西所吸引——只见这个仅有跳蚤般大小的东西从眼前光滑的地板上一溜滑过去，科学家们在展览会工作人员的协助下，才“捉”住这片神秘的不速之客——微型机器人。奇妙而惊人的是，就是这么个小不点儿，竟然五脏俱全：其“身体”是由许多齿轮等零件、涡轮机和微型电脑组成，其齿轮或零件小得竟如空气中飘浮的尘埃，需要借助电子显微镜方可看清其真面目(外形、结构等)。而其“大脑”，则能够对各种外来信息和刺激迅速做出反应。这个纳米机器人，就是享誉全球的贝尔实验室的惊世杰作。同年3月，美国犹他大学和加州大学的科学家，也先后研制完成几种极其微小的纳米量级的旋转电机和摇摆式电机，其玄妙的机体，只有用显微镜才能窥探清楚。也是这一年，美国成功地举行了首届纳米科学技术大会，正式创办《纳米技术》杂志。这一切向全世界宣告：纳米科技、纳米机械诞生了!总结起来，纳米材料的研究发展阶段大致分为三个阶段。第一阶段（1977—1990年），以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议（NTS—1）为标志，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。第二阶段（1990—1994年），以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。第三阶段（1994—至今），纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维、三维空间组装纳米结构体系。3、纳米材料的分类纳米材料按其结构可以分为四类：具有原子蔟和原子束结构的称为零维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；晶粒尺寸至少一个方向在几个纳米范围内的称为三维纳米材料。还有就是以上各种形式的复合材料。按化学组份，可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性，可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用，可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。4、特殊的结构与性能纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的“气体状”固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态晶体材料”。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。当金属或非金属被制备成小于100纳米的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率、磁化率及对电磁波具有强吸收性等，据此可制造出具有特定功能的产品。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍，气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍，纳米颗粒材料与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径等等。5、纳米材料的制备方法目前，纳米材料的制备方法很多，一些制取超细微粒的方法可以用来制纳米微粒。但是，高效率低成本获取优质纳米材料的技术，仍是各国科学家研究的重点。近年来发展起来的制备方法主要可以分为物理法、化学法和综合法三大类。见表1。表1纳米材料的主要制备方法方法制备特点真空冷凝法用真空蒸发、高频感应等使原料气化或形成等离子体，然后骤冷纯度高、结晶组织好、粒度可控，但设备要求高物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等得到纳米粒子操作简单，但产品纯度低、粒度分布不均匀机械球磨利用球磨方法，控制条件得到纯元素、合同上法金或复合材料的纳米粒子深度塑性变形法原先材料在准静态压力的作用下发生严重塑性形变，使材料的尺寸细化到纳米量级纯度高、粒度可控，设备要求高气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米粒子纯度高、粒度分布窄，但设备和原料要求高沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液反应后，将沉淀热处理得到纳米粒子简单可行，但纯度低，颗粒半径大水热合成法高温高压下在水溶液或蒸气等流体中合成纳米粒子纯度高，分散性好，粒度分布窄苯热合成法在苯溶液中进行高温高压反应合成纳米粒子同上，适合Ⅲ棦踝灏氲继迥擅撞牧系闹票?/FONT溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理得纳米粒子反应物种多，产物颗粒均匀，过程易控制微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、热处理后得纳米粒子粒子的单分散性和界面性好三、纳米材料的应用及前景纳米材料标志着人们对材料性能的发掘达到了新的高度，这项技术大范围地改造了传统材料，又源源不断地创造出新的材料，开辟了广阔的应用领域。其应用领域大致如表2。表2纳米材料的主要应用领域性能用途力学性能高强、超强、高韧性、超塑性材料，高性能陶瓷热学性能低温烧结材料、热交换材料、耐热材料电学性能导电浆料、绝缘浆料、电极材料、趋导材料、量子器件、压电和非线形电阻磁学性能永磁、磁流体、磁记录、磁存储、磁探测器、吸波、磁制冷材料等光学性能光反射、光通讯、光存储、光开关、光过滤、光致发光、光拆射等材料及红外传感器化学性能火箭燃料添加剂、阻燃剂、催化剂、储能材料等其它方面敏感元件、显示元件、医用、环保、涂料1、纳米陶瓷材料运用纳米技术，可以在低温、低压下生产质地致密且具有显著超塑性的纳米陶瓷。所谓超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。纳米陶瓷克服了传统陶瓷材料质脆、韧性差的缺点，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。现已证实，纳米陶瓷CaF2和TiO2在在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。此外，使用纳米陶瓷还可以生产出极薄的透明涂料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨，还不易破碎。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削工具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都具有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。2、纳米金属材料一般来说，延展性好的金属材料强度较低，而强度高的金属材料延展性较差。如何制备同时具有较高强度和韧性的金属材料，一直是金属材料学家追求的目标。随着纳米金属材料的出现，这个问题迎韧而解。纳米金属材料不仅具有较高的强度，而且具有高韧性。其显著特点之一是熔点极低。如纳米银粉的熔点竟然低至100℃，这一优点不仅使在低温条件下将纳米金属烧结成合金产品成为现实，而且可望将一般不可互溶的金属烧结成合金，制作诸如质量轻、韧性好的“超流”钢等特种合金。纳米金属材料将广泛用于制造诸如速度快、容量高的原子开关与分子逻辑器件，制造可编程分子机器等高技术领域中。3、纳米聚合物材料利用纳米粒子可制备特种功能高分子材料。如利用TiO2和SiO2吸收紫外线和红外线的性质，制备具有红外吸收功能的玻璃钢材料。在聚酯切片中添加纳米SiO2、TiO2等复合无机纳米粒子可制备红外屏蔽，抗紫外辐射、高介电绝缘和静电屏蔽的功能性纤维材料，在国防工业上也具有重要价值。另外，金属、铁氧体等纳米颗粒与聚合物形成的0—3型复合材料和多层结构的2—3型复合材料，能吸收和衰减电磁波和声波，减少反射和散射，这在电磁隐形和声隐形方面有重要的应用。聚合物的超细颗粒在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、多种传感器及多功能电极材料方面均有重要作用。在铁的超微颗粒（UFP）外面覆盖一层厚为5—20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质或酶，以控制生物反应，这在生物技术、酶工程中大有用途。4、纳米半导体材料早在1989年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了“IBM”三个字母。目前，已经研制成功红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器。并且，具有奇特性能的碳纳米管，可以用于大规模集成电路、超导线材等领域。5、纳米微型半导体器件将硅、有机硅、砷化镓等半导体材料配制成纳米相材料，具有许多优异性能。如纳米半导体中的量子隧道效应可使电子输送