1、纳 米 材 料 论 文题 目 纳米科技及纳米材料学 院: 材料与冶金学院专 业: 无机非金属材料工程学 号: 200402128064学生姓名: 周鸣指导教师: 赵惠忠日 期: 2007.112【摘 要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。 【关键词】纳米技术；纳米材料；结构；性能；应用；前景【Abstract】Nanotechnology is the worlds most promising decisive technology. The article bri
2、efly outlines the nanometer technology, the structure and nano-materials and nano-materials special nature of the performance of various aspects of the application in practice, and the prospect of nano-materials applications.【Key words】 nanotechnology; Nano materials; Structure; Performance; Applica
3、tion; Prospects1 纳米科学和技术1.1 纳米科技的定义纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1 100 nm 尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技 术学科。其涵 义是人类在纳米尺寸（10-9-10-7m）范围内认识 和改造自然，最 终目标 是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳 米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。1.2 纳米科技的内容纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米
4、显微学；纳米计量学；纳米制造学1.3 纳米科技的内涵第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。 这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水
5、平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳 米材料，只局限于 纳米材料的制备,这是不全面的。主要原因：国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳米粉体材料的生产。第二：纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。在未来，人们将可以用纳米技术一个
6、一个地将原子组装起来，制成各种纳米机器如纳米泵、纳米齿轮、 纳米轴承和用于分子装配的精密运动控制器。纳米科技研究的技术路线可分为“自上而下” 和“自下而上”两种方式。 “自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断地在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“ 自下而上”是指以原子、分子为基本单 元，根据人 们的意愿进行 设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。纳米科技的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科
7、技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。第三：纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题。有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题， 检验一项技 术或产品只要看它是否是纳米量级即可。这 种认识是片面的。纳米科技的重要意义主要体 现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质或对原有性质有十分显著的改进和提升。因此，判断纳 米材料，不 仅仅看颗粒是否在纳米量级，更重要的是要检测它在 这一尺寸下，是否 发生了性能的改变或原有性能显著的提高。2 纳米材料2.1 纳米材料的定义粒
8、径为 1nm-100nm 的纳米粉，直径为 1nm-100nm 的纳米线，厚度为 1nm-100nm 的纳米簿膜，并且出现纳米效 应的材料称为纳米材料。2.2 纳米材料的分类A、按 维 数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维纳米材料；一维纳米材料；二维纳米材料；三维纳米材料。B、按材料物性划分，纳米材料可分为：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；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米超导材料。C、按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料； 纳米光电子材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；纳米储能材料。D、按应 用划分， 纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子
9、材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；储能材料。 E、按化学 组分划分， 纳米材料可划分为：纳米金属；纳米晶体；纳米陶瓷；纳米玻璃；纳米高分子；纳米复合材料。2.3 纳米材料的颗粒特征由于颗粒极度细化 ，晶界所占体积分数增加，使得材料的某些性能发生截然不同的变化 。例如 ，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件 ；尽管各种块状金属有不同颜色 ，但当其细化到纳米级的颗粒时 ，所有金属都呈现出黑色 。纳米材料的另一特点是熔点极低 ，金的熔点通常是 1000 多摄氏度 ，而晶粒尺度为 3nm 的金微粒，其熔点仅为 普通金的一半。如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级，又将恢复通
10、常陶瓷的特性，因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工，随后进行热处理，使其转变为通常陶瓷，或进 行表面热处理，使材料内部保持韧性，但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。 2.4 纳米材料的结构在纳米材料的结构中，存在着两种结构组元，即晶体组元和界面组元。晶体 组元由所有晶粒中的原子组成，这 些原子都严格地位于晶格位置；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置，长程有序；界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。界面原子密度低，界面上邻 近原子配位数
11、发生变化，界面原子间距差别大。纳米材料两种结构组元的存在，特别是界面组元的存在，使其特性既不同于原子，又不同于结晶体，其物理化学性质与块体材料相比有明显差异。可以说它是一种不同于本体材料的新材料。构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：原子团簇、 纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、 纳米丝和同轴纳米电缆 。其中：原子团簇是一类于 20 世纪 80 年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于 1nm），如 Fen，CunSm，CnHm（n 和 m 为正数）和碳簇（C60, C70 等）等。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结
12、合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子簇(cluster),小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于 1nm 的粒子称为“ 簇” ，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1100nm 之间 。当粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、 滤光、光吸收、医 药、磁介质及新材料等方面有着广阔的使用前景。人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于 100nm，
13、有时称其为量子点，是 20 世纪 90 年代提出来的新概念。人们 曾将半导体的量子点也称为人造原子。当体系的尺度与物理特征量相近时，量子效 应十分 显著。因此当大 规模集成电路微细化到 100nm 左右时，以 传统观念和原理为基础的大 规模集成电路的工作原理将受到严峻挑战， 电子在人造原子中的运动规律将出现经典物理难于解释的新现象。2.5 纳米材料的性质：纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质 与块体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性 当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规
14、材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临 界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及 烧结性能。这 主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应；库仑堵塞与量子隧穿；介电限域效应。随着颗粒尺寸的减小，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的领域。作 为高温陶瓷材料的 烧结
15、活化剂；通过改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等；陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由 纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能；纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬件 35 倍，则金属-陶瓷复合材料可在更大的范围内改变材料的力学性能，应用前景十分广阔. 纳米材料的表面效应是指：随着粒子粒径变小，表面原子数与总原子数之比急剧增大后引起性质上的变化。纳 米粉体隨
16、著粒径变小，占表面位置的原子数增加，因此 纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。 当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、纳米半导 体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 纳米材料的量子尺寸效应即处于分离量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料一系列的特殊性质。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用 这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧
17、道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效 应才会显著。库仑堵塞效应是 20 世纪 80 年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。当体系的尺度进入到纳米级，体系是 电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量 Ec 为 e2/2C，体系越小，C 越小，能量越大。这个能量称为库仑堵塞能。介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常为介电限局，主要来源于微粒表面和内部局场强的增加。当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时， 产生了折射率边界， 这 就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域 强
18、的增加称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。因此，在分析纳米材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考 虑介电限域效应。2.6 纳米材料的应用纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下：性能 用途力学性能 超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层光学性能光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光 过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、 红外线传 感器、光折变材料磁性磁流体、磁记录、永磁材料、磁存 储器、磁光元件、磁探测器、磁制冷材料、吸波材料、细胞分离
19、、智能 药物电学性能 导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽催化性能 催化剂热学性能 耐热材料、热变换材料、低温烧结材料敏感特性 湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料其他医学（细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒 杀菌， 药物载体）、能源（电池材料，贮氢材料）、环保（污水处理，废物料 处理，空气消毒）、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂3 纳米材料的前景纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。 21 世纪将是纳米技术的时代。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学 领域有着广泛
20、的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。 21 世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成 21 世纪经济新增长点的基础。纳 米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域， 发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技 术的不断发展， 纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。 （1）信息产业中的
21、纳米技术：纳米技术在信息产业中应用主要表现在 3 个方面：网络通讯、 宽频带的网络通讯 、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件， 这方面我国 还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要 10 年时间，所以，中国要超前 15 年到 20 年对这些方面进行研究。网 络通讯的关 键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中 20 纳米以及水中的 200 纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必 须用纳米技术。我 们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的
22、设备，可使空气中的大于 10ppm 的有害气体降低到 0.1ppm，该设备已 进入实用化生产阶段；利用多孔小球 组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳 米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。(3)能源环保中的 纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面， 现在主要是 净化剂、助燃 剂，它们能使煤充分
23、燃烧，燃烧 当中自循环，使硫减少排放，不再需要 辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际 上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、 净化作用。在开发新能源方面国外 进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。 现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能 转化成电能、 热能转化为电能、化学能转化为电能等。(4)纳米生物医 药：这是我国进入 wto 以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用 纳米尺度发展制药业。 纳 米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度 组合，最大限度 发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用
24、一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。（5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国 测算，到 21 世纪 30 年代，汽车上 40钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40，减少 co2，排放 40，就这一项，每年就可给美国创造社会效益 1000 亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它 变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、 贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。参考文献1 薛增泉 纳米科技探索M 北京：清
25、华大学出版社，2002.92 崔铮微纳米加工技术及其应用 M 北京：高等教育出版社，2005.63 刘吉平，郝向东纳米科学与技术M 北京：高等教育出版社，20024 高濂，孙静，刘阳桥纳米粉体的分散及表面改性M 北京：化学工业出版社，2005.55 张立德。牟季美纳米材料学M，沈阳：辽宁科学技术出版社， 19946 Shin J YOh J HIEEE Transa on MagneJ， 19937 Morihiko M，Yoshimori MJ Appl PhysJ，19968 Dishovski D，Petkov A，Inedkov IvIEEE Transa on MagneJ，1994， 9 Gan Y XChen C QAppl Compo MaterJ1994 (13)：259263 10 Gao C YZhao B LJ of Univer of Elec Sci and Techno of ChinaJ，199423(1)：5658
