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纳米材料与纳米技术
纳米材料与纳米技术
理学院物理系010070126X云霞
摘要：
纳米技术已开展成为一门多学科穿插与渗透的新兴学科。
本文简单介绍了纳米的概念，以及纳米材料的特性和各领域的应用。
关键词：
纳米技术；纳米材料；应用；进展
第一节纳米的概念
1、1纳米的定义
如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围。
目前人类能够研究的物质世界的最大尺度是1025m〔约10亿光年〕，这是我们已观测到的宇宙大致范围，人类所研究的物质世界的最小尺度为10-19m〔0.1阿米〕。
纳米技术中的“纳米〞为10-9m，用符号表示为nm，是lmm的100万分之一，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串在一起的长度〔原子的直径为0.1-0.3nm，研究小于10-10m以下的原子内部构造属于原子核物理、粒子物理的范畴。
〕
纳米技术〔nano-technology〕是指在纳米尺度〔1nm到l00nm之间〕上研究物质〔包括原子、分子的操纵〕的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科穿插的科学和技术，如：
〔1〕纳米体系物理学、〔2〕纳米化学、〔3〕纳米材料学、〔4〕纳米生物学、〔5〕纳米电子学、〔6〕纳米加工学、〔7〕纳米力学等。
当物质小到1-100nm〔10-9--10-7m〕时，其量子效应、物质的局域性及巨大的外表及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。
纳米技术的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
1、2纳米技术概念的提出
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。
1959年他在一次著名的讲演中提出：
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，但他同时也指出，需要新型的微型化仪器来操纵纳米构造并测定其性质。
那时，化学家将这个问题变成了人们根据意愿逐个地准确放置原子的问题。
1974年，Taniguchi最早使用纳米技术〔nano-technology〕一词描述精细机械加工。
20世纪70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米技术的研究，但当时多数主流科学家对此持疑心态度。
纳米技术的迅速开展是在80年代末、90年代初。
1982年IBM公司苏黎世研究所的两位科学家G·宾尼格和H·洛勒创造了费曼所期望的纳米技术研究的重要仪器——扫描隧道显微镜〔STM〕。
这是一种基于量子隧道效应原理的新型高分辨率显微镜，它能以原子级的空间尺度来观察宏观块体物质外表上的原子和分子的几何分布和状态分布，确定物体局部区域的光、电、磁、热和机械特性。
到20世纪80年代末，STM已开展成为一个可排布原子的工具。
1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写〞下斯坦福大学英文名字，这是人们首次在原子、分子水平上进展的操作。
1991年美国国际商用机器公司在镍外表用36个氙原子拼写出世界上最小的字母“IBM〞。
1993年，中科院真空物理实验室的科学家们也利用扫描隧道显微镜操纵硅晶体外表的原子，在200nm×200nm的尺度上成功地写出了“中国〞两字，这也标志着我国开场在国际纳米科技领域占有一席之地。
第二节纳米技术及开展态势
目前普遍认为纳米技术研究的内容主要有以下四个方面：
〔1〕纳米材料：
指由纳米单元构成的任何类型的材料，如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等。
这些纳米级的构造单元，如纳米粒子〔0维〕、碳纳米管〔1维〕和纳米层〔2维〕等又是由原子和分子组成的。
通过改变纳米构造单元的大小，控制内部和外表的化学性质及它们的组合，就能设计材料的特性和功能。
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是一样体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。
诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最正确纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
〔2〕纳米动力学：
主要研究微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统。
主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光通信系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。
〔3〕纳米生物学和纳米医药学：
主要研究生物分子之间的相互作用，磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA的精细构造等。
此外，还包括用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料等。
〔4〕纳米电子学：
主要研究包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米构造的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等，它将掀起微型化和分子化的高潮。
纳米技术经过20世纪80年代的理论和实践方面的大量准备，到90年代得到很快的开展。
世界上一些兴旺国家几乎同时提出了国家级的纳米科技的战略规划，并付之以行动。
美国为了保持其纳米科学技术领域的强势地位，于2000年初由克林顿总统向美国国会提出“国家纳米技术建议〞〔NationalNanotechnologyInitiative，NNI〕，全面部署纳米技术战略规划，包括纳米材料及制备、纳米电子学、化学与制药业、生物技术与农业、计算机与信息技术等，并在电子信息、生物工程、医学、航空航天等高新尖端领域取得一些骄人的成果。
在日本，“纳米〞概念1974年底就开场出现在一些文章中，早把纳米技术列为材料科学的四大重点根底研究开发工程之一，如利用分子探针技术测量控制原子水平上的构造，研究新型电子材料同原子技术相关的物理学等。
德国BMBF纳米技术方案的根本宗旨是实行“以产品为导向的技术开发〞，主要包括超级薄膜、新型纳米构造、超精细外表制图、纳米材料与分子构造〔器件〕等几个方面。
法国纳米技术主要研究对象有微系统、生物芯片、微型化医疗系统、大容量存储器、微型显示器等高级先进器件。
其他欧洲国家也都有自己的纳米研发方案。
我国是纳米科学技术研究较早的国家之一。
20世纪50年代，著名科学家钱学森在他的“物理力学〞中，就试图在理论上把微观世界同宏观世界联系起来。
国家“863〞高技术方案中就列有不少纳米材料的应用研究工程。
1999年，国家科技部又制定了“国家重点根底研究开展规划〞〔973方案〕，其中安排了“纳米材料与纳米构造〞工程，对纳米碳管等纳米材料的根底研究给予了相当的投入。
在上述领域，我国已取得了一系列令人瞩目的研究成果，个别方面甚至走在了世界最前沿。
如1998年合成了世界上最长的纳米碳管〔高出当时长度的上百倍〕；首次利用碳纳米管作模板制备出直径为3～40nm长度达微米级的发光氮化镓纳米棒，在国际上首次把氮化镓制备成一维的纳米晶体，并首次提出碳纳米管限制反响的概念等。
第三节纳米材料的特性
在纳米材料中，纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。
高浓度晶界及晶界原子的特殊构造将导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的显著改变。
3、1外表效应
众所周知，固体材料的外表原子与内部原子所处的环境是不同的。
当材料颗粒直径远大于原子直径时，外表原子可以忽略；但当颗粒直径逐渐接近于原子直径时，外表原子的数目及其作用就不能忽略，这时晶粒的外表积、外表能和外表结合能等急剧增加引起的种种特异效应统称为外表效应。
由于纳米粒子外表原子数增多，其配位数缺乏和高的外表能，这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
例如，金属纳米粒子在空气中会燃烧，非金属纳米粒子在大气中会吸附气体并与气体进展反响。
3、2体积效应
由于单个纳米粒子所包含的原子数很少，相应的质量极小，因而将产生与通常含有无限多个原子的块状材料完全相异的现象，这种特殊的现象称之为纳米材料的体积效应。
Kubo理论针对金属纳米粒子费米面附近电子能级分布的状态提出了纳米材料的体积效应的理论解释。
Kubo把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设他们的能级为准原子态的不连续能级，由此得到相邻电子能级间距
和金属纳米粒子的直径
的关系为：
式中：
为一颗金属纳米粒子中的总导电电子数；
为纳米粒子的体积；
为费米能级。
由此，随着纳米粒子的直径减小，能级间距将增大，电子移动困难，电阻率将增大，甚至会使金属导体变为绝缘体。
对具有同素异构转变的金属纳米粒子进展XRD和TEM分析时，发现局部粒子除具有正常的常温构造外，还会出现非导电的高温构造相，而此情况仅在较小尺寸的粒子中观测到。
3、3量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某个阚值时，金属费米面附近电子能级将由准连续变为离散能级；而半导体中将出现不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级使得价带和导带之间的能隙增大；此种处于别离的量子化能级中的电子的波动性将发生突变而产生了一系列特殊性质，这就是纳米材料的量子尺寸效应。
当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性出现异常，呈现量子尺寸效应。
这包括，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，微波吸收显著增大。
磁有序态向无序态转变，超导相向正常相转变等等。
例如，光吸收材料的特征波长随着颗粒尺寸减小发生蓝移；一般钛酸铅、钛酸钡和钛酸锶等是典型铁电体，但当尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性物质进入纳米尺寸，由于多磁畴变成单磁畴而显示出极高的矫顽力。
3、4力学性能效应
由于纳米粒子细化，晶界或相界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性、超塑性显著提高，这就是纳米材料的力学性能效应。
众所周知，晶粒细化将使构造材料的强度和韧性同时提高；而第二相强化效果在Orowan机制起作用时随第二相尺寸的减小而增大。
构造纳米材料中的晶粒或第二相较常规构造材料显著细化，使得其力学性能十分优异，远远超过了常规构造材料的极限水平例如，纳米铜台金的强度比普通铜合金高5倍；纳米陶瓷、纳米金属间化合物的韧性极高甚至已到达常规金属材料的水平；超级钢由于采用纳米级的第二相作为强化相而使强度成倍提高。
纳米构造材料从根本上改变了传统构造材料强韧化模式，可望开发研制出诸如超强超韧金属和台金、塑性陶瓷和金属化合物以及性能特异的复合材料等新一代构造利料。
此外，纳米材料还具有特殊的光学性质、电磁性质、化学和催化性能、热性质等效应。
第四节纳米材料应用特性
由于材料在纳米尺寸时具有与宏观物体不一样的量子效应、外表效应和界面效应，所以纳米技术是当今材料学中研究的前沿和热点。
纳米材料的应用技术一般可分为以下三个层次：
第一层次为应用纳米技术改造和提升传统产业；第二层次为纳米技术在高新技术以及新材料产业中的应用；第三层次为纳米器件（纳米传感器、机器人等）的开发研究。
第三层次的研究需要一些特定的社会环境，对实验根底设施、研发主体、配套单位乃至资金的投入量等的要求均相应较高。
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，其对蠕变、超塑性有显著影响，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增强与传统粗晶材料相比，纳米材料具有高强度硬度、高扩散性、高塑性／韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能。
可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。
3、1在陶瓷领域的应用
随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。
纳米陶瓷是指显微构造中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米级的水平上。
纳米陶瓷复合材料通过有效的分散、复合而使异质相纳米颗粒均匀弥散地保存于陶瓷基质构造中，这大大改善了陶瓷材料强韧性和高温力学性能。
纳米陶瓷复合材料具有优良的室温力学性能，抗弯强度，断裂韧性，易加工性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动部件等诸多方面都起着其他材料不可替代的作用。
此外，纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗，特别是光吸收效应都将成为材料开拓应用的崭新领域，并将对高技术和新材料的开展产生重要作用。
3、2在光电领域的应用
微电子和光电子的严密结合，使光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面的性能大大提高。
将它用于雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进展高精度的对地侦察。
科学家们发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。
纳米激光器使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应那么使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此构造，结果是激光器到达极高的工作效率，而能量阈那么很低。
最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。
3、3在纺织领域的应用
根据纳米粒子的微观构造和光谱特性，将其应用于纺织物中，可制造出各种功能性纺织物，经分散处理或抗氧化处理的纳米粒子与粘胶纤维相混后，在一定条件下可以喷成功能性粘胶纤维，该功能性粘胶纤维在与棉纱等混纺可织成各种功能性纺织物，如抗紫外线、抗电磁波以及通过吸收原理可以改善人体微循环等功能性纺织物，我国利用纳米技术已制成不粘水和油污的纺织物。
3、4在催化领域的应用
纳米材料作为新一代催化剂倍受国内外重视纳米粒子具有高比外表积和外表能使其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。
如Bogdanchikowa等人在Pd催化剂中用溶胶一凝胶法掺杂Al0，一La0，纳米粒子所得催化剂对氨氧化具有较高的催化活性，还可以降低NOx的产率，减少环境的污染。
这类催化剂对高分子的氢化复原和聚合反响也有很高的活性。
3、5在化工领域的应用
纳米粒子光催化效率高。
纳米粒子生成的电子、空穴大局部不会重新结合。
电子、空穴能够到达外表的数量多，那么化学反响活性高；其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级构造与外表态密度的影响。
目前，工业上利用纳米TiO2-Fe2O3，作光催化剂用于废水处理，已经取得了很好的效果。
日本松下公司利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3，TiO2，ZnO等做成涂料，这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且可克制碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。
利用粒径为20~60nm的金红石型TiO2粉体对240—400nm的紫外线有较强吸收性能的特点，还可制成抗紫外线的纳米TiO2化装品等。
将纳米TiO2粉体按一定比例参加到化装品中，可以有效地遮蔽紫外线。
纳米多功能抗菌塑料不仅具有抗菌功能，而且具有抗老化、增韧和增强作用。
将纳米金属粒子掺杂到化纤制品纸X中，可以大大降低静电作用。
运用纳米技术还可以制备纳米静电屏蔽材料等。
纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。
另外，纳米碳管是目前材料领域最引人关注的一种新型材料。
利用纳米碳管的高耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，可用其制造刀具和模具等，不仅能够延长使用寿命，还可提高工件的加工精度，为机械工业带来巨大效益。
3、6在电器等方面的应用
随着纳米技术研究的不断开展，人们已考虑运用纳米技术制造电子器件，利用纳米碳管可自由变化的电器性质及“量子效应〞现象，可将目前的电视机和计算机显示器采用电子显象器，其性能大大优于液晶显示器。
另外，运用复合纳米碳管材料制成光电转换薄膜，应用于太阳能电池的效率提高了3倍；将纳米碳管应用于锂离子电池的负极材料，有望大大提高其储锂量。
3、7在电磁学方面的应用
纳米磁性材料包括纳米稀土永磁材料、纳米磁记录材料、纳米磁膜材料和磁性液体，具有单磁畴构造和高矫顽力，用其作为磁记录材料可提高信噪比，改善图象质量。
磁性液体具有液体的流动性和磁体的磁性，已被广泛应用于宇航、磁制冷等方面。
纳米复合材料的磁热效应能够将热量从一个热储存器传递到另一个热储存器中，利用该效应防止碳的氟氯化物泄漏所造成的危害，可以提高制冷效果，这为新型后磁制冷材料的研究开辟了道路。
3、8在医学方面的应用
众所周知，几乎所有的药物都具有副作用，这主要是用药剂量不当或药物作用于正常器官的缘故。
科学家积极研究如何利用纳米技术人工合成具有特定功能的“超分子〞，让它们成为药物的“搬运工〞，使适当剂量的药物仅仅作用于所需部位，即所谓的“药物定向释放系统〞。
科研人员已经成功地利用纳米微粒进展了细胞别离，用金的纳米粒子进展定位病变治疗，以减少副作用等。
研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在l5—20nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。
10rim以下的粒子（比血液中的红血球还要小）可以在血管中自由流动，因此，纳米技术可使药物进入人体后自动搜索病灶或修补损伤组织。
使用纳米技术的新型材料，将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，可作为监测和诊断疾病的手段。
另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已用于临床动物实验，估计不久的将来即可效劳于人类。
科学家们设想，利用纳米技术制造出分子机器人，对身体各部位进展检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，去除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。
这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。
3、9在其他方面的应用
目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，利用软化学与主客体模板化学、超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。
1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘〞，算珠由球状的C60分子构成。
美国利用纳米碳管制成了一种崭新的“纳米秤〞，能够称出一个石墨微粒的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量。
在不久的将来，可制成含有纳米电脑的可人一机对话并具有自我复制能力的纳米装置，它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。
在军事方面，利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报。
利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。
利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。
另外，还可利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储藏箱〞。
利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料，都是极具应用前景的技术开发领域。
纳米材料在磁性领域、力学、电学、热学领域、生物工程、塑料、建材、光学镜头抛光纳米材料、纳米静电屏蔽、化装品吸光填料、杀菌剂、涂料、油墨、染料等方面的应用也十分广泛。
随着纳米技术的开展，其应用前景将会更加光明，应用领域更为广泛。
总之，纳米技术在社会生产和人们生活中发挥着超乎寻常的巨大作用。
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