1、纳米材料的特性和应用材化 081 班：王雅蕾 指导教师：陈平（陕西科技大学材料科学与工程学院 陕西 西安 710021）摘 要：纳米材料是近几年最受关注的新材料之一，以其高表面活性、特殊的尺寸效应、光电效应、催化效应、广阔的应用前景等特点成为当今热点研究领域之一。本文就纳米材料的特性和应用进行了综述。关键词：纳米材料；性质；应用The Character and Application of Nano-materials Abstract: Nano-materials are one of the novel materials which scientists are paying mor
2、e andmore at tention,due to its high surface active,special size effect,photoelect- ric effect,catalytic effect and wide application potential.In this paper,the character and application are reviewed, and its development is prospected.Key words: Nano-materials;Character;Application1、纳米材料的特性1.1 尺寸效应当
3、超细微粒子尺寸与光波波长及传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏从而产生一系列新奇的性质 1。1.1.1 特殊的光学性质纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。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。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于1%，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光具有很强的吸收性。1.1.2 热学性质的改变固态物质超细微化后其熔点显著降低，当颗粒小于10nm数量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1
4、064，当颗粒尺寸减小到2nm尺寸时熔点仅为327左右，银的常规熔点为670， 而超微银颗粒的熔点可低于100。1.1.3 特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料有显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。1.1.4 特殊的力学性质纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍，纳米金属比常态金属硬3- 5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，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
5、性。1.2 表面与界面效应与宏观物体相比，纳米粒子因为表面原子数目增多，比表面积增大 2。这会导致无序度增加，同时晶体的对称性变差，其部分能带被破坏，因而出现了界面效应 3。较大的比表面积和小尺寸的纳米粒子，导致位于表面的原子占有相当大的比例，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键、表面能高，因而这些表面原子具有高的活性 4。纳米材料较高的化学活性，使其具有了较大的扩散系数，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。这种表面原子的活性就是表面效应。纳米粒子的表面界面效应，主要表现为: (1) 熔点降低，这是由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减小；(2)比
6、热增大。1.3 宏观量子隧道效应量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。近年来，发现一些宏观量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应 5。用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限 6, 7。1.4 介电限域效应随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对于裸露在半导体纳米材料周围的其他介质而言，被
7、包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它与裸露纳米材料的光学性质相比发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，使产生明显的介电限域效应。纳米材料与介质的介电常数相关越大，介电限域效应就越明显，在光学性质上就表现为明显的红移现象。同时介电限域效应越明显，吸收光谱的红移也就越大 8。2、纳米材料的应用 9132.1 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
8、，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。2.2 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
9、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。2.3 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
10、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。2.4 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，纳米级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；利用纳米技术制成纳米机器注入人体血管内，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
11、器官、进行人体肢体再生、人体整容等；在人工器官表面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应，等等。2.5 在军事上的应用能有效吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料称为雷达波吸收材料(简称吸波材料)。吸波材料的研究在国防上具有重大意，这种“隐身材料”的发展和应用，是提高武器系统生存和突防能力的有效手段。纳米金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，成为吸波材料研究的热点。纳米微粉是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂。 例如，将纳米涂料涂在飞机上可以制造隐形飞机。2.6 在电子工业中的应用在电子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存
12、储器芯片都已投入生产。可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快、效率将更。利用纳米技术制造的分子逻辑器件的容量远远大于目前的微处理器和随机存取存储器芯片的容量，可实现通讯瞬时化。采用纳米化材料后，计算机可以缩小成“掌上电脑” ，体积将比现在的笔记本电脑小得多。2.7 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。例如,在涂料中
13、添加纳米SiO 2可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍提高；添加纳米TiO 2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400600，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。利用纳米碳管独特的孔状结构、大的比表面、较高的机械强度做成纳米反应器,使化学反应在一个很小的范围内进行。3、结语综上所述，纳米材料所展示的诱人前景还远不及此。随着人们对纳米材料认识的深人，相信还会有更多方面的发展和应用，因此系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的实际意义。随着人们对纳米材料研究的深入，纳米材料必将出现更为广阔的
14、应用前景，纳米材料的大规模工业生产和商业应用也将成为现实。纳米材料作为一门新兴科学必将对人类生活产生深远的影响，并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 董伟,范微.跨世纪的新材料纳米材料J.化学教育,1999,(7-8):8-10.2 王文亮,李东升,巩育军等.21世纪最有前途的材纳米材料的结构与化学特性J.延安大学学报(自然科学版),2000,19(4):56-60.3 翟庆洲,裘式纶,肖丰收等.纳米材料研究进展纳米材料结构与化学性质J.化学研究与应用,1998,10(3):8-17.4 陈改荣.纳米材料的特性
15、及进展J.平原大学学报,2000,17(4):41-43.5 石士考.纳米材料的特性及其应用J.大学化学,2001,16(2):39-42.6 陈月辉,赵光贤.纳米材料的特性和制备方法及应用J.橡胶工业,2001,51(3):182-188.7 杜仕国,施冬梅,邓辉.纳米材料的特异效应及其应用J.自然杂志,2000,22(2):101-106.8 王焕英.纳米材料的制备及应用研究J.衡水师专学报,2002,4(2):44-74.9 温得英.浅谈纳米材料和技术的应用J.装备制造技术,2008,(7):179-180.10 吴新建.纳米材料及技术的应用与展望J.福建教育学院学报,2001,(2):36-39.11 张震宇.纳米材料在汽车涂料中的应用进展J.材料保护,2007,(11):49-52.12 高善民.纳米材料在化工生产中的应用J.化工技术经济,2000,(5):10-12.13 陈心中.纳米技术的广阔应用前景J.物理与工程,2001,(6):39-43.
