浅谈纳米材料的发展

浅谈纳米材料的发展摘要：纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。

纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，因而其性质显示出独特的小尺寸效应、表面效应等特性，具有许多常规材料不可能具有的性能。

纳米材料由于其超凡的特性，引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米材料将是21世纪最有前途的材料之一，纳米技术将成为21世纪的主导技术。

关键词：纳米材料应用发展前言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，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，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。

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，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[1]。

一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm 之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

1 纳米材料的特性当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：1.1表面与界面效应[2]这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径的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10nm时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1nm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。

再例如，粒子直径为10nm和5nm时，比表面积分别为90m2/g和180m2/g。

如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

1.2小尺寸效应[2]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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。

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20nm时却开始导电。

再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金刚石制品还要坚硬。

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。

1.3量子尺寸效应[2]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1.1365kg水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

1.4宏观量子隧道效应[2]宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

这种微观粒子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。

2 纳米材料的发展与应用2.1 纳米材料的发展目前在欧美日上已有多家厂商相继将纳米粉末和纳米元件产业化，我国也在国际环境影响下创立了一些影响不大的纳米材料开发公司。

美国2001年通过了“国家纳米技术启动计划（National Technology Initiative）”，年度拨款已达到5亿美圆以上。

美国科技战略的重点已由过去的国家通信基础构想转向国家纳米技术计划。

2003年，在美国政府支持下，英特尔、惠普、IBM及康柏4家公司正式成立研究中心，在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。

许多大学也相继建立了一系列纳米技术研究中心。

在商业上，纳米技术已经被用于陶瓷、金属、聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂与化妆品、电子元件等的制备。

目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。

欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。

早在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中，现在又将纳米技术列入欧盟2002——2006科研框架计划。

日本在纳米设备和强化纳米结构领域处于世界先进地位。

日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大重点领域，加大预算投入，制定了宏伟而严密的“纳米技术发展计划”。

日本的各个大学、研究机构和企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技术开发大潮中来。

中国在上世纪80年代，将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。

但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。

目前我国有50 多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

2.2 纳米材料的应用近年来随着科技的发展，纳米技术已经成为世界主要经济中最为优先发展的领域之一，此领域的研究不仅进一步揭示物质新的原理与现象，而且还有可能导致一场新的工业革命，世界上的发达国家制定的新材料发展战略都把纳米复合材料的发展放在重要位置。

目前，该领域的研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料等等。

正是由于纳米复合材料具备了优良的综合性能，从而被广泛应用于医学、航空航天、国防、交通和体育等领域。

2.2.1纳米技术在陶瓷领域方面的应用陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。

但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。

所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上[3]。

要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。

块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。

纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。

有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。

在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶瓷低400～600℃，且烧结不需要任何的添加剂。

其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。

通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。

因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。

2.2.2纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。

纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。

目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。

单电子晶体管，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已经问世。

并且，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为对世纪信息时代的核心。

[4]3 前景与展望在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。

新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。

新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。

纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。

近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。

正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。

纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

参考文献[1] 白春礼纳米科学与技术[M].昆明.云南科学技术出版社.1995[2] 张立德纳米材料学[M].沈阳.辽宁出版社.1994[3] 田明原,韩景坪纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末[J].无机材料学报.1998.13（2）：129~137浅谈纳米材料的发展材料科学与工程学院材料0804张政0811040437。