纳米材料技术及应用
摘要：首先介绍什么是纳米材料及其特性，进而综述纳米材料的研究现状，再次举例纳米材料的实际应用，最后展望纳米材料的未来发展。
关键词：纳米材料；特性；研究现状；应用；发展
1. 纳米材料简介
诺贝尔奖获得者Feyneman[1] 在六十年代曾经预言: 如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制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。所谓纳米材料, 是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度( 1nm~ 100nm) 调制的各种固体超细材料, 它包括零维的原子团簇( 几十个原子的聚集体) 和纳米微粒, 一维调制的纳米多层膜, 二维调制的纳米微粒膜( 涂层) 以及三维调制的纳米相材料。目前, 国际上将处于1nm~ 100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料, 其中包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料是20 世纪80 年代才发展起来的新型材料, 被美国材料学会誉为“ 21 世纪最有前途的材料”, 因此受到世界各国的高度重视。
2. 纳米材料的特性
2.1 纳米材料的表面效应[2]
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,粒径在10nm 以下, 将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时, 表面原子数比例达到约90%以上, 原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。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。
  2.2 纳米材料的体积效应[3]
由于纳米粒子体积极小, 所包含的原子数很少。因此, 许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明, 这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保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,并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级,并认为相邻电子能级间距d 和金属纳米粒子
的直径d的关系为:
    δ= 4E F/ 3N ∝ V-1 ∞ 1/ d3
其中, N 为一个金属纳米粒子的总导电电子数; V 为纳米粒子的体积; EF 为费米能级。随着纳米粒子的直径减小, 能级间隔增大, 电子移动困难, 电阻率增大,从而使能隙变宽,金属导体将变为绝缘体。
2.3 纳米材料的量子尺寸效应[4]
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时, 金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级; 并且纳米半导体微粒存在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, 使得能隙变宽的现象, 被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质, 如高的光学非线性, 特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长, 德布罗意波长, 超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时, 晶体周期性边界条件将被破坏, 非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小, 导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。
3. 纳米材料的研究现状[5]
3.1 纳米组装体系的设计和研究
目前的研究对象主要集中在纳米阵列体系、纳米镶嵌体系、介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系, 探索或改善材料的性能, 目标是为了制纳米的器件。如高亮度的固体电子显示屏、纳米晶二极管、真空紫外到近红外的光致发光和电子发光二极管都可以用纳米晶作为主要的材料。目前在实验室已设计出的纳米器件有Si- SiO2的发光二极管, Si 掺Ni 的纳米颗粒发光二极管以及用不同纳米尺度CdSe 制作的红蓝绿光可调发光二极管等。介孔与纳米组装体系和纳米颗粒膜也是当前纳米组装体系重要的研究对象, 主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应, 根据需要对材料整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规材料不具备的奇特性质。
3.2 合成高性能纳米结构材料
对纳米结构的金属和合金材料重点放在大幅度提高材料的强度和硬度, 利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错和低位错密度区域使其达到高硬度和高强度。纳米结构的铜或钯的块
体材料的硬度比常规材料高50 倍, 屈服强度高12 倍; 对纳米陶瓷材料着重提高断裂韧性, 降低脆性。纳米结构的SiC 的断裂韧性比常规材料提高100 倍, n-ZrO2+ Al2O3、n-SiO2+ Al2O3复合材料的断裂韧性比常规材料提高4～5 倍。原因是这类纳米陶瓷材料庞大体积百分数的界面提供了高扩散通道, 扩散蠕变大大改善了界面的脆性。
3.3 合成纳米涂层材料[6]
纳米涂层材料是近几年纳米材料科学在国际上研究的热点之一, 主要聚焦在功能涂层上, 包括传统材料表面的涂层, 纤维涂层和颗粒涂层, 这方面美国进展很快。80 nm 的SiO2和40 nmT iO2、20 nm Cr 2O3与树脂复合可作为静电屏蔽涂层; 80 nm 的BaTiO3可作介电绝缘涂层; 40 nm 的Fe3O4可作磁性涂层; 80 nmY2O3可以作红外屏蔽涂层, 反射热效率很高, 用于红外窗口材料。近年来人们根据纳米颗粒的特性又设计了紫外反射涂层、用于各种屏蔽的红外吸收涂层和微波隐身涂层。这些研究呈上升趋势, 目前除了设计研究涂层性能外, 主要研究喷涂的方法。日本和美国在静电涂层和绝缘涂层工艺上有所突破, 正在进入工业化生产阶段。
3.4 纳米颗粒表面修饰和包覆研究
纳米颗粒表面修饰和包覆主要是为了防止纳米合成中颗粒长大和团聚问题而进行的应用研究。美国成功地在ZrO2纳米颗粒表面包覆了Al2O3。在纳米Al2O3表面包覆了ZrO2 ,SiO2表面进行有机包覆和T iO2表面的有机及无机包覆都已在实验室完成。包覆的小颗粒消除了颗粒表面的带电效应, 达到防止团聚的目的。同时, 包覆的颗粒又形成一个势垒, 使它们在合成烧结过程中无机包覆的小颗粒不易长大。有机包覆可使无机小颗粒能与有机物及有机试剂达到浸润状态, 这为无机颗粒掺入高分子材料中奠定了良好基础。美国已把纳米氧化物表面包覆的小颗粒添加到塑料中, 提高材料的强度和熔点, 同时防水能力增强, 光透射率有所改善。若添加高介电纳米颗粒, 还可增强系统的绝缘性, 在封装材料上有应用前景。
4. 纳米材料的应用
4.1 纳米技术在陶瓷领域的应用
所谓纳米陶瓷, 是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料, 也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。要制备纳米陶瓷, 这就需要解决: 粉体尺寸、形貌和分布的控制, 团聚体的控制和分散, 块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。许多专家认为 , 如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题, 从
而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm 以下的纳米陶瓷, 则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。上海硅酸盐研究所研究发现, 纳米3YTZP陶瓷( 100nm 左右) 在经室温循环拉伸试验后, 其样品的断口区域发生了局部超塑性形变, 形变量高达380%, 并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线[7] 。
4.2 纳米技术在微电子学领域的应用
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分, 其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件, 它包括纳米有序( 无序) 阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小, 研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。目前, 利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。单电子晶体管, 红、绿、蓝三基可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。并且, 具有奇特性能的碳纳米管的研制成功, 为纳米电子学的发展起到了关键作用。
  早在1989年, IBM 公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针, 成功地移动了氙原子, 并利用它拼成了IBM 三个字母。日本的Hitachi 公司成功研制出单个电子晶体管, 它通过
控制单个电子运动状态完成特定功能, 即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外, 日本的NEC 研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术, 并在GaAs 衬底上, 成功制作了具有开关功能的量子点阵列。[8]
4.3 纳米技术在生物工程领域的应用
众所周知, 分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料, 每一个生物大分子本身就是一个微型处理器, 分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化, 其原理类似于计算机的逻辑开关, 利用该特性并结合纳米技术, 可以设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman 博士等，应用基于DNA 分子计算技术的生物实验方法, 有效地解决了目前计算机无法解决的问题——“哈密顿路径问题”,使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。
  虽然分子计算机目前只是处于理想阶段, 但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件, 其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性, 并且, 其奇特的光学循环特性可用于储存信息, 从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。
4.4 纳米技术在医学领域的应用
随着纳米技术的发展, 在医学上该技术也开始崭露头脚。研究人员发现, 生物体内的RNA蛋白质复合体, 其线度在15～20nm 之间, 并且生物体内的多种病毒, 也是纳米粒子。1 0nm 以下的粒子比血液中的红血球还要小, 因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中, 输送到人体的各个部位, 将可以作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离, 用金的纳米粒子进行定位病变, 以减少副作用等。另外, 利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展, 现在已用于临床动物实验, 估计不久的将来即可服务于人类[9]。
研究纳米技术在生命医学上的应用, 可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系, 获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人, 在血液中循环, 对身体各部位进行检测、诊断, 并实施特殊, 疏通脑血管中的血栓, 清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。
5. 纳米材料的展望[10]
当前生活中最常见纳米技术, 在纳米材料制备技术研究中的一个重要趋势就是加强控制工程的研究, 这包括颗粒尺寸、表面形状和微结构的控制。由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用, 它们对某一材料的贡献大小是很难区分的。这些效应究竟在起有利作用,还是在起不利作用都难以判断。这不仅给某些现象的解释带来困难, 而且也给设计新型纳米
结构材料带来不利因素。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响, 如何控制每一种效应对
纳米材料结构与性能的作用, 是控制工程亟待解决的问题。
  我国著名科学家钱学森在1991年曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科
技发展的重点, 会是一次技术革命, 从而将是21 世纪又一次产业革命”。今天纳米材料科学的飞快进展正在把这个预言化为现实。人们已经能够制备包含几十个原子的纳米微粒, 并把它们作为基本结构单元, 适当排列形成零维的原子点、一维的量子线、二维的量子膜和三维的纳米固体, 创造出组成相同, 性能奇异的各种纳米材料。这对生产力的发展将产生深远影响, 并有可能从根本上解决人类面临的能源、交通、环保及健康等一系列问题。