纳米材料综述

纳米材料综述

摘要纳米技术、纳米材料在21世纪将扮演重要角色，纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文综述了纳米材料的定义、历史、特性、目前应用状况和应用前景等方面，并对目前国际上对研究纳米材料研究进行分析。

Abstract nanotechnology, nanomaterials in twenty-first Century will play an important role, nanotechnology is one of the world's most promising decisive technology nowadays. This paper reviews the definition, history, characteristics of nanometer materials, the current application status and application prospects, and analysis of the current international research on research of nanometer materials.

关键字纳米材料；定义；发展历史；性能；应用；前景

Keywords nanometer materials;definition; development history; properties; application; prospect

1.1纳米材料的定义

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

2.1发展历史

纳米材料发展有三个阶段：

第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

3纳米材料的性能

3.1力学性能

许多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2~ 7倍; 纳米材料具有更高的强度, 例如, 6nm 的纳米铁晶体的强度比多晶铁提高12 倍, 硬度提高了2~ 3 个数量级; 韧性更大, 如美国Argonnel实验室制成的纳米CsF2 陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2 陶瓷晶体表现出很高的韧性, 压缩至原长度的1/4 仍不破碎。

3.2热学性能

一般纳米金属材料的热容是传统金属的2 倍; 直径为10nm 的Fe、Au 和Al 熔点分别由其粗晶熔点的1540 ℃、1063 ℃和660 ℃降到33 ℃、27 ℃和18 ℃。2nm的金的颗粒熔点仅为330 ℃ , 比通常金的熔点低700 ℃以上, 而纳米银粉的熔点仅为100 ℃ ; 此外, 纳米材料的热膨胀可调, 可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接。

3.3磁学性能

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。

3.4光学性能

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。

3.5电学性能

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, 例如, 纳米硅氢合金中的氢含量大于5% ( 原子分数) 时, 电导率下降2 个数量级, 并出现通道电阻效应。纳米材料的电导率随颗粒尺寸的减小而下降。

3.6高扩散性

纳米晶体的自扩散速率为传统晶体的1016至1019倍, 是晶界扩散的100 倍。高的扩散速率使纳米材料的固态反应可在室温或低温下进行。

3.7表面活性

随着纳米微粒粒径减小, 比表面积增大, 表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等, 使得纳米微粒具有高的表面活性, 适于作催化剂和贮氢材料

4纳米材料目前应用

4.1在光电领域的应用

在光电信息传输、储存、处理、运算和显示的方面，纳米技术使光学器件的性能大大提高。将纳米技术运用到现有的雷达信息处理上，可是其能力提高到10倍至几百倍。

4.2在静电屏蔽方面的应用

纳米氧化物粒子具有半导体效应，在常温下起导电性比常规氧化物高。具有良好的静电屏蔽作用化纤衣服和化纤地毯由于静电效应，容易吸附灰尘，危害人体健康。在其中加入金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低。

4.3在信息科技领域的应用

磁性纳米微粒由于尺寸小，具有但磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制造磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量，还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。

4.4产业中的应用

微电子器件

当电子器件进入纳米级尺寸时，量子效应就十分明显，纳米材料应用到电子器件上时就会产生普通元件所没有的效果。在信息领域，20世纪的微电子材料要转化为21世纪的纳米电子材料，这方面的研究将会是重点。

传感器方面

纳米粒子的比表面积高，活性高，时期在传感器方面成为最具前景的材料。20世纪80年代初，日本已研制出SnO2纳米薄膜传感器。

电器领域

纳米材料的应用可以使许多产品改头换面，比如可以改变传统的静电屏蔽材料只能使用单一的黑色，这样像彩电就可以使用不同的外包装材料。汽车制造业中，车身若采用纳米复合材料，则车身的抗冲击强度和安全系数比不同钢板车高出几倍。

4.5纳米生物学

纳米生物学的产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。

4.6生物导弹

生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼，它由单克隆抗体与药物、酶或放射性同位素配合而成。单克隆抗体而能自动导向，在生物体内与特定目标细胞或组织结合，并由其携带的药物产生治疗作用。单克隆抗体具有高度专一性，能够识别细胞表面抗原、各种受体、各种体液成分及细胞内和组织内的各种成分，能