纳米技术和纳米材料的发展及其应用
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第26卷第3期武汉科技大学学报(自然科学版)
Vol.26,No.3
2003年9月
J.of Wuhan Uni.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)
Sep 2003
收稿日期:2002-06-09
作者简介:张莉芹(1973-),女,武汉科技大学理学院,讲师,硕士.
纳米技术和纳米材料的发展及其应用
张莉芹1
,袁泽喜
2
(1 武汉科技大学理学院,湖北武汉,430081;2 武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)摘要:对近年来国内外纳米技术和纳米材料的研究及发展情况进行概述,对纳米材料的制备方法进行了小结,并探讨纳米技术和纳米材料的应用及其发展前景。关键词:纳米技术;纳米材料;应用;进展
中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1672-3090(2003)03-0234-05
20世纪60年代,诺贝尔奖获得者量子物理学家费曼曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,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。1981年德国萨尔兰大学的学者格莱特(Gleiter)首次提出了纳米材料的概念。1982年IBM 公司苏黎世研究所的两位科学家G 宾尼格和H 洛勒发明了扫描隧道显微镜(ST M)。这是一种基于量子隧道效应原理的新型高分辨率显微镜,它能以原子级的空间尺度来观察宏观块体物质表面上的原子和分子的几何分布和状态分布,确定物体局部区域的光、电、磁、热和机械特性。到20世纪80年代末,STM 已发展成为一个可排布原子的工具。1990年人们首次用STM 进行了原子、分子水平的操作。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,而采用纳米材料制作新产品的工艺技术则被称为纳米技术。现在,纳米技术已经形成为高度交叉的综合性科学技术,是一个融科学前沿和高技术于一体的完整的科学技术体系
[1]
。
1 纳米技术及发展态势
纳米技术是指在0.1~100nm 尺度空间内,研究电子、原子、分子的运动规律和特性,从而研究在纳米尺度范围内物质所具有的物化性质、功能及其应用的高新技术。其含义包括纳米材料设计、制造、测量、控制和产品[2]
。目前普遍认为纳米技术研究的内容主要有以下四个方面:
(1)纳米材料:指由纳米单元构成的任何类型的材料,如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复
合材料等。这些纳米级的结构单元,如纳米粒子(0维)、碳纳米管(1维)和纳米层(2维)等又是由原子和分子组成的。通过改变纳米结构单元的大小,控制内部和表面的化学性质及它们的组合,就能设计材料的特性和功能。
(2)纳米动力学:主要研究微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统。主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光通信系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。(3)纳米生物学和纳米医药学:主要研究生物分子之间的相互作用,磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA 的精细结构等。此外,还包括用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料等。
(4)纳米电子学:主要研究包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等。它将掀起微型化和分子化的高潮。
纳米技术经过20世纪80年代的理论和实践方面的大量准备,到90年代得到很快的发展。世界上一些发达国家几乎同时提出了国家级的纳米科技的战略规划,并付之以行动[3]。美国为了保持其纳米科学技术领域的强势地位,于2000年初由克林顿总统向美国国会提出 国家纳米技术倡议 (National Nanotechnology Initiative,NNI),全面部署纳米技术战略规划,包括纳米材料及制备、纳米电子学、化学与制药业、生物技术与农业、计算机与信息技术等,并在电子信息、生物工程、医学、航空航天等高新尖端领域取得一些骄人的成果。在日本, 纳米 概念1974年底就开始出现在一些文章中,早把纳米技术列为材料科学的四大重点基础研究开发项目之一,如利用分子探针技
术测量控制原子水平上的结构,研究新型电子材料同原子技术相关的物理学等。德国BMBF纳米技术计划的基本宗旨是实行 以产品为导向的技术开发 ,主要包括超级薄膜、新型纳米结构、超精细表面制图、纳米材料与分子结构(器件)等几个方面。法国纳米技术主要研究对象有微系统、生物芯片、微型化医疗系统、大容量存储器、微型显示器等高级先进器件。其他欧洲国家也都有自己的纳米研发计划。
我国是纳米科学技术研究较早的国家之一。20世纪50年代,著名科学家钱学森在他的 物理力学 中,就试图在理论上把微观世界同宏观世界联系起来。国家 863 高技术计划中就列有不少纳米材料的应用研究项目。1999年,国家科技部又制定了 国家重点基础研究发展规划 (973计划),其中安排了 纳米材料与纳米结构 项目,对纳米碳管等纳米材料的基础研究给予了相当的投入。在上述领域,我国已取得了一系列令人瞩目的研究成果,个别方面甚至走在了世界最前沿。如1998年合成了世界上最长的纳米碳管(高出当时长度的上百倍);首次利用碳纳米管作模板制备出直径为3~40nm长度达微米级的发光氮化镓纳米棒,在国际上首次把氮化镓制备成一维的纳米晶体,并首次提出碳纳米管限制反应的概念等。
2 纳米材料
纳米材料包括纳米颗粒材料、纳米晶粒材料、纳米复合材料[4],其研究内容包括纳米材料的特性、制备及应用。
2.1 纳米材料的特性
在纳米材料中,纳米晶粒和由此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将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显著改变。
2 1 1 表面效应
众所周知,固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时,表面原子可以忽略;但当粒径逐渐接近于原子直径时,表面原子的数目及其作用就不能忽略,这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等急剧增加引起的种种特异效应统称为表面效应[3]。由于纳米粒子表面原子数增多,其配位数不足和高的表面能,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。例如,金属纳米粒子在空气中会燃烧,非金属纳米粒子在大气中会吸附气体并与气体进行反应。
2 1 2 体积效应
由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少,相应的质量极小,因此,许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。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、催化性等都有很大变化。其中有名的久保(Kubo)理论就是体积效应的典型例子。
2 1
3 量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某个阈值时,金属费米面附近电子能级将由准连续变为离散能级。半导体中将出现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,使得价带和导带之间的能隙增大,此种处于分离的量子化能级中的电子的波动性将发生突变而产生一系列特殊性质,这就是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、特异的催化性质等。
2 1 4 力学性能效应
由于纳米粒子细化,晶界或相界数量大幅度地增加,可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒,使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。例如,纳米相铜强度比普通铜高5倍;纳米陶瓷、纳米金属间化合物的韧性极高,甚至已达到常规金属材料的水平,这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。
此外,纳米材料还具有特殊的光学性质、电磁性质、化学和催化性能、热性质等效应。
2.2 纳米材料的制备方法
纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要的研究课题。它包括粉体、固体(含块体及薄膜)的制备。目前纳米材料的制备方法,以物料状态来分可归纳为固相法、液相法和气相法三大类。固相法中热分解法制备的产物易固结,需再次粉碎,成本较高;物理粉碎法及机械合金化法工艺简单、产量高,但制备过程中易引入杂质;气相法可制备出纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄而细的纳米微粒。20世纪80年代以来,开始采用不需要复杂仪器的液相法。例如, T S Ahmade等利用聚乙烯酸钠作为Pt离子的模板物,在室温下惰性气氛中用H2还原,制备出形状可控的Pt胶体粒子。
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2003年第3期 张莉芹,等:纳米技术和纳米材料发展及应用