纳米材料简介

什么是纳米什么是纳米材料纳米材料的纳米效应纳米材料的分类纳米材料的应用纳米材料与未来社会234561CONTENTS纳米（nanometer）：长度单位，即10-9m。纳米有多大？什么是纳米Chapter1纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometermaterial)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nanoparticle)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。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，即它的稀土纳米材料光学、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。什么是纳米材料2纳米材料的纳米效应3Chapter1、量子尺寸效应2、小尺寸效应3、表面效应4、宏观量子隧道效应5、库仑阻塞和量子隧穿6、介电陷域效应表面效应布朗运动单壁碳纳米管弯曲聚合物纳米管大事件959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想；70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。按材质纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。按纳米的尺度在空间的表达特征纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘、超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料等）。纳米材料的分类4Chapter按形态纳米材料可分为纳米粉末材料、纳米纤维材料、纳米膜材料、纳米块体材料、，以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。按功能纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料、纳米环保材料等。纳米材料的分类4Chapter1、在半导体中的应用当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHZ的频率和0.18的线宽，仍满足不了技术发展的需要。根据Intel公司预测，到2011年微处理器将达到10亿个晶体管的集成度、10GHz的频率和0.07的线宽，这使以硅为主要材料的超大规模集成电路(VLSI)的工艺和原理达到极限要继续发展必须寻求工艺和技术突破。“光电集成”就是其中一个途径，在硅电路中用光连接取代电连接。然而大块的硅或锗的发光效率很低，且发光波段在近红外，不适合“光电集成”。寻求一种有效产生光发射的硅基材料已成为材料科学的一个热点。半导体纳米材料在可见光区具有较高的发光效，发光波段与发光效率可由纳米材料的尺寸得以控制。此，多孔硅中的量子点结构、二元半导体化合物中的嵌埋结构及半导体超晶格材料，在光纤通讯和光探测器方面有广泛的应用。纳米材料的应用5Chapter2在磁性材料中的应用纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有序化，具有顺磁质的特性，而在无外场时，对任何一个方向都不显磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有一个驰豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度磁记录元件十分重要。3在催化剂领域应用纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜-锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。4在医药卫生行业的应用药品颗粒小容易被人体吸收，使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，在纳米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，可对人体进行全身健康检查和治疗，吞噬病毒、杀死癌细胞、疏通脑血管中的血栓、清除心脏动脉脂肪沉积物、修复损坏器官、进行人体肢体再生、人体整容等；5、纳米半导体材料将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。5在化学工业中的应用化妆品方面，纳米微粒由于具有良好的粘附力和对紫外线的吸收功能，可制成抗掉色的口红、防灼的高级化妆品。例如，在化妆品中添加纳米ZnO，既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。涂料方面，运用纳米技术可使涂料的许多指标大幅度提高，外墙涂料的耐洗刷性由1千多次提高到1万多次，老化时间延长两倍。添加纳米TiO2可制成杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，用于房屋内墙涂饰。陶瓷方面，纳米ZnO可使陶瓷制品烧结温度降低400～600℃，烧成品光亮如镜，加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用。纳米技术基础理论研究和新材料开发等应用研究都得到了快速的发展，并且在传统材料、医疗器材、电子设备、涂料等行业得到了广泛的应用。在产业化发展方面，除了纳米粉体材料在美国、日本、中国等少数几个国家初步实现规模生产外，纳米生物材料、纳米电子器件材料、纳米医疗诊断材料等产品仍处于开发研制阶段。2010年全球纳米新材料市场规模达22.3亿美元，年增长率为14.8%。今后几年，随着各国对纳米技术应用研究投入的加大，纳米新材料产业化进程将大大加快，市场规模将有放量增长。纳米粉体材料中的纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米氧化硅等几个产品已形成一定的市场规模；纳米粉体应用广泛的纳米陶瓷材料、纳米纺织材料、纳米改性涂料等材料也已开发成功，并初步实现了产业化生产，纳米粉体颗粒在医疗诊断制剂、微电子领域的应用正加紧由实验研究成果向产品产业化生产方向转移。纳米材料成果与未来6ChapterTheend