納米材料發(fā)展與展望

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1、實用標準納米材料綜述摘要：隨著納米科技的發(fā)展，納米制備技術已日漸成熟，納米材料的廣泛應用使它逐漸走進了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。本文簡明地闡述了納米材料特殊的化學、物理特性以及基于這些特性的具體應用實例和對納米科技發(fā)展前景的展望。關鍵詞：納米材料；特性；制備；應用；發(fā)展前景；1引言自從1984年德國科學家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制備了鐵納米材料，并以它作為結構單元制成納米塊體材料以來[1]，納米材料由于具有明顯不同于體材料和單個分子的獨特性質(zhì)：小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、表面效應等，而且在電子學、光學、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥等

2、諸多方面的重要價值[2]，它引起了世界各國科學工作者的濃厚興趣，以及各國政府的廣泛關注，這使得近二十多年來，納米材料的制備，性能和應用等各方面的研究都取得了豐碩的成果。然而對納米材料的研究工作還遠遠沒有結束，在上述三個方面依然有十分廣闊的未知領域，吸引著更多的科研人員為之努力奮斗[3]。2納米材料的特性納米材料是，指的是具有納米量級（1-100nm）的晶態(tài)或非晶態(tài)超微粒構成的固體物質(zhì)。由于它的尺寸小、比表面大、及量子尺寸效應，它具有常規(guī)粗晶材料不具備的特殊性能。2.1小體積效應小體積效應(Smallsizeeffect)——由于相關的效應發(fā)生在超細微的納米顆粒

3、上，因此也常被簡單地稱為小尺寸效應。當納米材料的顆粒尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被改變。無論是否是非晶態(tài)的納米顆粒，其顆粒表面層附近的原子密度減小，結果是導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)出與普通非納米材料不同的新的效應。這些效應包括光吸收顯著增加，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變；超導相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變[4]。文案大全實用標準納米粒子的這些小尺寸效應應具有非常廣泛的實用意義。例如，當Fe-Co合金等這樣一些強磁性材料的顆粒尺寸為納米尺度時，

4、即單磁疇臨界尺寸時，具有非常高的矯頑力，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等，還可以制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、選礦等；在粉末冶金工業(yè)中，金屬納米顆粒的熔點可遠低于塊狀金屬。又例如塊狀金的熔點為1100℃，而2nm的金顆粒熔點為330℃。還有可以利用小尺寸效應控制材料對電磁波吸收邊的位移，制造具有待定頻寬的微波吸收納米材料，可用于電磁波屏蔽（網(wǎng)、罩）、隱形飛機、艦船等[5]。2.2表面效應表面效應是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。根據(jù)表面科學的原理所知，表面層原子所處的物理和化學環(huán)境不

5、同于物體內(nèi)部原子，而使他們在材料中形成一種新的相——表面相。同時由于微小顆粒的因素使位于表面的原子數(shù)占相當大的比例。當材料的尺寸小道10nm左右時，處于表面的原子數(shù)目和體內(nèi)的原子數(shù)目幾乎達到相等。表1列出了納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關系[6]。表1納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關系[7]納米微粒尺寸d/nm包含總原子數(shù)表面原子所占比例/%103×1042044×1034022.5×1028013099從表1可以看出，隨著粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致。這樣高的比表面積，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時體現(xiàn)出表面能迅速增加。以銅為

6、例，當納米Cu微粒粒徑從100nm→10nm→1nm，Cu微粒的比表面能增加了2個數(shù)量級。由于表面原子數(shù)增多、原子配位不足以及很高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，因此很不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合。表面原子極不穩(wěn)定，遇見其他原子，很快結合，以便使其穩(wěn)定化，這就是高表面活性的基本原因。例如，金屬的納米粒子在空氣中氧化，發(fā)生燃燒現(xiàn)象；無極的納米粒子暴露在空氣中會大量吸附氣體，并快速地與氣體發(fā)生反應。這種表面原子的活性不但會引起納米粒子表面原子輸運和構型的變化，同時也會對表面電子自旋構像和電子能譜的變化發(fā)生作用[8]。2.3量子尺寸效應當材料顆粒的幾何尺寸笑道

7、納米量級時，其原有準連續(xù)的金屬費米能及附近的電子能級轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散能級，納米半導體存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，以及能隙變寬。能帶理論表明，金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點在高溫或宏觀尺寸情況下成立。而對于只有有限個導電電子的微粒子來說，低溫下能級是離散的，宏觀物理可以看做包含了無限個原子（即導電電子數(shù)N→∞），可以認為能級間距文案大全實用標準→0，即對大粒子或宏觀物體能級間距幾乎為零，而對納米微粒，所包含的原子數(shù)有限，N值相對很小，這就導致有一定的值，即能級間距發(fā)生分裂。當能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量

8、或超導態(tài)的凝聚能時，體現(xiàn)出量子尺寸效應