纳米材料概述
摘要  本文简要介绍了纳米材料定义及分类特性，并对纳米材料的特性以及在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。
关键词  纳米材料；分类；特性；应用；发展 
 
1. 引言 
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸一般为1-100nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。
1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
在纳米材料中，纳米晶粒和由此而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结构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改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料都是由同样的原子组成。只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。 
2.  纳米材料及其分类 
纳米材料（nano-material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-100nm之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末（颗粒和原子团簇）、一维的纳米纤维（管）、二维的纳米膜、三维的纳米块体。 
3. 纳米材料的特性
3.1  尺寸效应
    当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]。
3.1.1　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。尺寸越小，颜愈黑。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。
3.1.2  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1064℃，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℃。
3.1.3　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。
3.1.4  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性。
3.2  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)比热增大。
3.3  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]。
3.4  生活中最常见纳米技术介电限域效应
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]。
4. 纳米材料的应用 
4.1 在化工领域的应用 
纳米材料应用在化学工业领域中的许多方面，如催化剂与催化反应[9]、高分子材料改良[10]和化学传感器[11]等等。
 4.1.1 在催化方面的应用 
在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间，提高反应效率和反应速度。但是，大多数的传统催化剂催化效率低，制备过程并不严谨。所以它的生产
使得原料在很大程度上的浪费，而且对环境也造成污染。所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势，纳米材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性.它可大大提高反应效率，控制反应速度，对比一般的催化剂，用纳米微粒作催化剂的话，可以将反应速度提高10～15倍。
4.1.2 在高分子材料方面的应用 
纳米材料可以作为高分子材料的改进剂和增强剂，如粘土纳米粒子、纳米SiO2、纳米CaCO3等。它们对聚合物的物理、化学性能产生特殊的作用，可以提高高分子材料的延展性、韧性、刚性、强度、阻隔性、耐热性及尺寸稳定性的特点。
4.1.3 在化学传感器方面的应用 
近年来，基于纳米材料的化学传感器的研究成为大家关注的焦点，通过利用金属纳米粒子（如金溶胶、乙二胺/Au溶胶/I-）、纳米氧化物（如Ce-PbO2、Ag2O2-PbO2）和纳米管（如碳纳米管）来修饰化学传感器，进一步提高检测的灵敏度和选择性。
4.2 纳米材料在生物医学中的应用 
纳米粒子比红血球(6～9μm)小得多,可以在血液中自由运动,利用纳米粒子研制成机器人,注入人体血管内,可以对人体进行全身健康检查和,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物等,还可吞噬病毒,杀死癌细胞。在医药方面,可在纳米材料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,纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便。
4.3 纳米材料在环境中的应用
环境一直以来是人们十分关注的焦点话题。新型纳米材料开发对环境保护起到了巨大的推动作用。 
有报道称，纳米TiO2能处理多种有机废水的污染物，它可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、有机染料、含氮有机物、有机磷（溴）杀虫剂、木材防腐剂和燃料油、杂环芳烃、取代苯胺等很快的氧化成为CO2、H2O等。
纳米TiO2，光催化剂能很好降解甲醛、甲苯等污染物，效率几乎达100%；用于石油和化工
等工业废气处理中能改善厂区周围空气质量。利用纳米TiO2光催化性能可杀死环境中的细菌，同时降解由细菌释放出来的有毒复合物；在医院病房、手术室及生活空间安放纳米TiO2光催化剂还有除臭作用。目前工业上利用纳米二氧化钛－三氧化二铁作为光催化剂，用于废水处理（含SO32-或Cr2O72-体系）并取得很好效果。含超细TiO2和超细ZnO等微粉抗菌除臭纤维不仅用于医疗，还可制成抑菌防臭的高级纺织品、衣服、围裙及鞋袜等。利用纳米光催化技术与其他技术相结合而研制出新型空气净化器，对氮氧化物、一氧化碳和甲醛等有害气体有明显降解作用，使空气中的有害气体从10μL/L降到0.1μL/L，该设备现已进入实用化生产阶段。 
纳米汽车尾气净化器，利用纳米材料可制备汽车尾气净化器，如超细Fe、Ni与γ-Fe2O3混合烧结体代替贵金属作为汽车尾气净化器，可降低成本、提高效率。以活性炭为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，转化为对人体和环境无害的气体--二氧化碳和氮气。
4.4 在食品方面的应用 
随着纳米技术的发展，纳米食品生产也取得了很大的成就。纳米技术可以赋予食品许多特
殊的性能，如提高某些成分吸收率，减少生物活性和风味的丧失，并可以将食品输送到特定部位，提供给人类有效、准确、适宜的营养。目前，纳米胶囊技术、纳滤技术和超微粉碎技术已应用于食品加工中。纳米技术在食品上的研究和应用主要包括纳米食品加工、纳米包装材料和纳米检测技术等方面。然而，纳米材料在食物链中是否还存在潜在的风险及其对生物的安全性问题尚存在争议，这是人们自思索转基因食品安全性问题之后面临的另一个话题值得深入研究。 
4.5 纳米材料在磁性材料方面的应用 
近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体（磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成）的防尘密封。
纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，
因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。