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纳米材料的研究进展


纳米材料的研究进展
郭伟明?
( 兰州城市学院 化学与环境科学学院, 兰州 730070) 摘 要: 本文综述了纳米材料的概念、种类、结构特性、制备方法及其研究进展,目前应用 状况和相关的应用前景, 并且着重介绍了纳米科技的研究现状、 分析了纳米材料的应用前景 和所面临的挑战。 关键词: 纳米材料;结构;性能;研究进展 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。

1 纳米材料
什么是纳米材料?纳米[1](nm)是长度单位,一纳米是十亿分之一米,对宏观物质来说, 纳米是一个很小的单位,人的头发丝的直径一般为 7000—8000nm,人体红细胞的直径一般 为 3000—5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米 量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1 埃相当于 1 个氢原子的直径,1 纳 米是 10 埃。 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。 所谓的纳米技术是指:用纳米材料制造新型产品的科学技术。它是现代科学(混沌物 理、量子力学、介观物理学、分子生物学、化学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描 隧道显微镜技术、核分析技术、合成技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的 科学技术,例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。在新的世纪,纳米将带给人们更 多功能超常的生产生活工具,把人们带向一个从未见过的生活环境。 纳米科学技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。 其最终目标 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。这可能改变几乎所有产品的设计和制造方式,实现生产方式的飞跃。 因而纳米科技将对人类产生深远的影响, 甚至改变人们的思维方式和生活方式。 纳米技术涉 及的范围很广,其中纳米材料是纳米技术发展的基础。

2 纳米材料的结构、性质、特殊效应及制备技术
2.1 纳米材料的结构 所谓纳米结构是指以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造一种新的体 系,包括一维、二维、三维体系[2]。如:一维纳米结构材料是指在两维方向上为纳米尺度、
作者简介:郭伟明(1990-), 男, 甘肃天水人, 现为兰州城市学院化学化学与环境科学学院 112 班学生

宏观尺度的新型纳米结构材料,通包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米带以及同 轴纳米电缆等。 纳米材料主要是由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成, 纳米晶粒内部的微观结 构与块材基本相同, 纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大, 有时与晶内的原子数 相等。这表明纳米微晶内界面很多,平均晶粒直径越小,晶界越多,在晶界面上的原子也越 多;此外,晶粒越小,比表面积越大,表面能也越高。晶界上原子的排列结构相当复杂,类 似于气态而不同于晶态或玻璃态,对于纳米材料的界面结构有 3 种不同的理论即:leiter 的 完全无序模型,有序结构模型, 和有序无序模型[3]。 2.2 纳米材料的性质 正是由于纳米微晶在结构上与组成上的特殊性,使得纳米材料具有许多与众不同的特 异性能,主要表现在以下几方面: 2.2.1 特殊的热学性质 所有材料到纳米级以后性质都将发生变化,其中一项就是材料越小熔点越低 [4]。例如 金的熔点本是 1064 度, 但制成 10 纳米的粉末后, 熔点就会降至 940 度, 而 2 纳米的金粉末, 熔点就和室温差不多,只有 33 度了。 2.2.2 特殊的光学性质 各种纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率将显著降低,一般低于 1%。粒度 越细,光的吸收越强烈,利用这一特性,纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞 机上的雷达波吸收材料[5]。 2.2.3 特殊的电磁学性质 电导率低,纳米固体中的量子隧道效应使电子运输表现出反常现象,纳米材料的电导 率随颗粒尺寸的减小而下降[6]。 当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对 材料的宏观磁性有重要影响, 使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力, 低饱和磁矩和低磁耗 纳米磁性金属的磁化率是普通金属的 20 倍,而饱和磁矩是普通金属的 1/2。 2.2.4 特殊的力学性能 陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良 好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,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性, 使陶瓷材料具有新奇的力学性 质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明[7],人的牙 齿之所以具有很高的强度, 是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比 传统的粗晶粒金属硬 3-5 倍。 至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料 的力学性质,其应用前景十分宽广。 2.3 纳米材料的特殊效应 2.3.1 体积效应 纳米材料是由有限个原子或分子组成,改变了原来由无数个原子或分子组成的集体属 性.当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破 坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化, 这就是纳米材料的体积效应.这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域[8], 例如, 随着纳米材料粒径的变小,其熔点不断降低,烧结温度也显著下降,从而为粉末冶金工业提 供了新工艺; 利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质, 可通过改变晶粒尺寸来控制吸收 边的位移,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. 2.3.2 量子尺寸效应 从能带理论出发,对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连 续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者 磁场能比平均的能级间距还小时, 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性, 称之为

量子尺寸效应[9]。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电 子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量 子尺寸效应的宏观表现。 2.3.3 宏观量子隧道效应 近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量 等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应 [10]。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应 将会是未来微电子、 光电子器件的基础, 当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量 子效应,例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道 效应而溢出器件, 使器件无法正常工作。 目前研制的量子共振隧道晶管就是利用量子效应制 [11] 成的新一代器件 。 2.3.4.表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的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[12]。由于纳米粒子表面原子数增多,表面原子配位数不足和高 的表面能,使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。 2.4 纳米材料的制备方法 纳米材料的制备方法很多.按制备原料的状态来分.由固相法、液体法及气体法;接反 应物状态来分,主要有干溘和湿法;接制备手段来分可分为物理方法和化学方法[13-17]。 2.4.1 物理方法 2.4.1.1 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯 度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。 2.4.1.2 物理粉碎法 通过机械糟碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯 度低,颗粒分布不均匀。 2.4.1.3 机械球磨法 采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作 简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。 2.4.1 化学方法 2.4.1.1 气棚沉积洼 利用金属化古物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品地 J 皇商,粒度分布窄。 2.4.1.2 沉淀法 把沉淀剂加人到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行,但纯 度低.颗粒半径大,适合制备氧化物。 2.4.1.3 水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成, 再经分离和热处理得到纳米粒子。 其特点纯 度高,分散性好、粒度易控制。 2.4.1.4 溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应 物种多.产物颗粒均一,过程易控制.适于氧化物和Ⅱ~Ⅵ族化台物的制备。 2.4.1.5 微乳液法 两种互不相容的溶剂在表面活性刺作用下形成乳液。在微泡中经成核、聚结、团聚、热 处理后得到纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好,Ⅱ ~Ⅵ 旗半导体纳米粒子多用此法 制备。

3 纳米材料的研究现状、应用前景

3.1 纳米材料的研究现状 由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义,世界各国相继制 定了发展战略和计划,以指导和推进本国纳米科技的发展。 从纳米研究论文来说,美国以较大的优势领先于其他国家,日本、德国、中国和法国位 居其后。在纳米技术的研发上,日本最重视的是应用研究 [18],尤其是纳米新材料研究。除 了碳纳米管外,日本开发出多种不同结构的纳米材料,如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结 构、富勒结构套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。在制造方法上,日本不断改进现有方法, 同时还积极开发新的制造技术,特别是批量生产技术。 中国在纳米材料及其应用、 扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多, 主要以金属 和无机非金属纳米材料为主,约占 80%,高分子和化学合成材料也是一个重要方面,而在 纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。 在合成与组装方面,美国领先,其次是欧洲,然后是日本。在生物方法及应用方面, 美国与欧洲的水平大致相当,日本位于二者之后,在纳米器件领域,日本独占鳌头,欧洲和 美国居其后[19]。 3.1 .1 碳纳米管 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 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佳纤维 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。 3.1.2 碳纳米秤 1999 年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的 “秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于—个病毒的重量。其称量原理类似利用弹 簧的震荡特性来测算出物体质量。在这个例子中,弹簧就是一个极微细的碳管,通过测量碳 纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。 3.1.3 纳米发电机 2004 年 2 月欧洲科学院院士,国际固体微结构分析与信息功能材料方面的著名专家王 中林, 和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而形成的封 闭式环形纳米结构,成果发表在《科学》杂志。 2005 年 9 月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结构,开拓功 能氧化物钠米结构研究与应用的新领域。 2006 年 4 月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能,研 制出世界上最小的发电机——纳米发电机。 3.2 应用前景 纳米粒子具有的尺寸效应、表面效应以及与聚合物强的界面相互作用产生光、电、磁 等性质,对开发高性能聚合物合金、塑料等新型功能复合材料产生了十分重要的影响,在我 国,无机纳米粒子对聚合物改性作用研究[20],主要集中在增韧与增强即提高复合材料拉伸 与冲击强度上。如:冯威等用硅烷偶联剂对 CaSO4 晶体进行表面改性,研制出具有良好界 面结构的 PP/EPDM(三元乙丙橡胶)/CaSO4 纳米复合材料,所得制品,拉伸强度、弯曲强度 和冲击强度相当.然而,由于粒子与聚合物在纳米尺度上有一定相容性,因而纳米粒子在聚 合物中的分散均匀程度可能成为影响复合材料性能, 如何有效地找出消除团聚的方法, 这将 对纳米复合材料走向工业化生产起到巨大的推动作用。 此外, 半导体纳米粒子和有机物聚合 后形成多孔膜作为太阳能电池的电极, 可以改变传统的太阳能电池电极的缺点, 大大提高光 电转换效率和稳定性,使人类对太阳能的利用率大大提高。这不仅有利于节约现有的能源,

而且在保护环境、 减少污染等方面也有重要的意义。 在纳米复合含能材料的制备和应用方面, 主要是方法的问题,实验制备过程中需要防团聚,国内外研究 sol —gel 方法、溶剂/非溶剂 法、高能研磨法、多孔金属等方法应用于纳米复合含能材料制备,已经获得了一些有价值的 信息[22]。总之,对于纳米复合材料来说,由于纳米复合材料具有一系列的优异特性,系统 地研究纳米粒子对聚合物的改性作用, 发展纳米材料和纳米结构的新型产品, 具有非常重要 的实用价值,再者,无机纳米粒子改性的聚合物材料在非线性光学材料、光电转换材料、化 学工程、感应、催化等方面具有许多重要用途,表现出高性能、多功能等特点,具有广阔的 应用前景。 另外,近年来,纳米结构体系和新的量子效应器件的研究取得了很多新进展,如量子磁盘的 问世,使磁盘尺寸比原来的磁盘缩小 104 倍,磁存储密度却达到了 4× 1011 bit/in2,是目前光 盘存储量的 400 倍。 还有如单电子晶体管, 纳米阵列激光器, 微型传感器, 纳米磁开关等[23]。 掺有 Cd( S,Se)纳米粒子的复合物有较高的三阶非线性光学系数和高的响应速度,因而在非 线性光学材料中显示出潜在的应用价值。高响应速度可以使计算机信息处理速度得以提高, 为下一步发展全光计算机打下坚实的基础。 在石油化工领域,目前普遍采用的催化剂多采用化学法制备,催化剂不仅催化效率低, 而且对环境造成污染,纳米改性技术出现以后,满足了催化剂在使用时应该具备的高活性、 高选择性和高稳定性的要求,而且可以采用物理加载制备方法,减少了对环境的污染。 纳米材料的应用前景也非常之诱人如:使计算机体积缩小,性能增大,整个图书馆的图书都 能存储在一个糖块儿大小的芯片中; 在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植排异反应; 纳 米膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染并进行过滤; 将能嗅到气味的新型材料放人冰 箱就能检测食物的新鲜程度;放人牙刷,医生可根据口腔气味来判断健康程度等[22]。 3.3 面临的挑战

为了这一领域继续迅速进步, 我们必须提高在空前微细的尺寸进行视觉化和化学 分析的表征能力, 要在实际生产中得到推广,我们需要更多地了解纳米结构大小 的控制、大小分布、组合与组装[24],同时,在应用中,必须要搞清与所需的材料 或器件性能之间的关系, 也需要重视由此制得的纳米结构材料和器件的热、化学 和结构稳定性, 要求这些纳米结构材料的功能不受环境温度与不断变化的化学条 件的影响。

4 结束语
发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点。以国家目标为导 向,纳米器件的研制和集成是纳米科技的核心,纳米材料的制备和研究是工作的重点,“由 上而下的方法”(top down)还将是目前主要的研究方法,用体制创新推动技术创新,使纳米科 技的产业化得到健康的发展。 相信通过中国科技人员创造性的工作, 我国一定会在已揭开战 幕的纳米科技全球竞争中赢得令人瞩目的地位。

参考文献
[1] 张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2001:23-45. [2] 张邦维.纳米材料物理基础[M].北京:化学工业出版社,2009:28-98. [3] Hou J G, Yang J L, Wang H Q, Li Q X, Zeng C G. Topology of two-dimensional C60 domains[J]. Nature, 2001, 409: 304-305. [4] 张中太.材料工程[M].北京:化学工业出版,2000:42-48. [5] 严东生,冯端.纳米材料科学[M].长沙:湖南科学技术出版社,1998:45-90. [6] 黄开金.纳米材料的制备及应用[M].北京:冶金工业出版社,2009:34-89. [7] Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L. Nanobelts of semiconducting oxides[J]. J. Am. Chem. Soc, 2001, 291: 1947-1949.

[8] Hone J, Batlogg B, Benes Z, Johnson A T, et. al. Quantized Phonon Spectrum of Single-Wall Carbon Nanotubes[J]. Science, 2000, 289: 1730-1733. [9]周永慧,林尹,张洪杰.纳米发光材料研究的若干进展[J]化学研究与应用,2001,13(2): 13—16. [10]曹新,赵振华.纳米科技时代[M]北京:经济科学出版社.2001. [11]张志煜,崔作韩.纳米技术与纳米材料[M].北京:国际工业出版杜,2000. [12]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2002:112~121. [13]吴天诚,杜仲良,高绪珊.纳米纤维[M].北京:化学工业出版社,2003:1~1 0. [14]李玲,向航.功能材料与纳米技术[M].北京:化学工业出版社,2003:42~4 7. [15]张立德.超微粉体制备与应用技术[M].北京:中国石化出版社,2001:82~132. [16]肖建中.材料科学导论[M].北京:中国电力出版社,2001,4 3~5 0. [17] Zhong Lin Wang,Jinhui Song. Piezolectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays[J]. Science, 2006, 312(5771): 242-246. [18] Xudong Wang, Jinhui Song, Jin Liu, Zhong Lin Wang. Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves, Science, 2007, 316(5821): 102-105. [19]吴润,谢长生.粉状纳米材料的表面研究进展与展望[J].材料导报.2000,14(10) :43~46. [20]徐滨士.纳米表面工程[M].北京:化学工业出版社,2004:15~57. [21]卞志昕.小尺寸的大机遇——从美国纳米科技现状看未来[J]新材料产业,2005,10 [22]于辉,翟庆洲,蔡建岩.纳米材料近年来的研发与应用进展[J]湿法冶金,2005,02 [23]陈怡.谈谈纳米材料的发展前景与应用[J]科技信息,2007,10 [24]刘红.2006 年世界前沿技术发展态势[J]国际技术经济研究,2007,02


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