纳米技术与纳米材料简介

纳米技术与纳米材料简介

纳米技术与纳米材料简介

摘要：简单介绍了纳米、纳米结构的基本概念和涵义,阐述了纳米技术的内涵及其产生、发展和前景。并介绍了纳米材料与常规块体材料迥异的独特性能及其应用潜力。

Introduction of nanotechnology and nano-materials

（Class mining 08-2 ，Resources and Environmental Sciences, Shandong University of Science and Technology）

Summary：A brief introduction of the nano, nano-structure of the basic concepts and meanings, explained the meaning of nanotechnology and the production, development and prospects. And introduces the nano-materials with conventional bulk materials and the unique properties of different potential applications

1.前言：纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代,随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在诸多领域将会得到日益广泛的应用,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有关广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生,将对人类社会产生深远的影响,并有可能从根本上解决人类面临的许多问题,特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

2.纳米结构与纳米技术

1 m的十亿分之一是纳米技术领域的测量单位,在纳米技术中100 nm的尺寸是重要的,

因为在这个范围内,根据量子物理学定律,可以观察到新物性。当物质小到1~100 nm时,其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变,呈现出许多既不同于宏观物体,也不同于单个孤立原子的奇异现象。

纳米技术是20世纪80年代末延生并崛起的高科技,它的基本涵义是指在纳米尺寸范围内研究物质的组成,通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。纳米技术的出现标志着人类的认知领域已拓展至原子、分子水平,标志着人类科学技术的新时代———纳米科技时代的来临。纳米技术是一门以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,是现代科学(量子学、分子生物学)和现代技术(微电子技术、计算机技术、高分辨显微技术和热分析技术)结合的产物。纳米技术在不断渗透到现代科学技术的各个领域的同时,形成了许许多多的与纳米技术相关的研究纳米自身规律的新兴学科,如:纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学及纳米力学等,正是这些新兴学科构成了纳米科技的主要内容。3.纳米材料及其特性

广义上,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或由它们作为基本单元构成的材料,即纳米材料是物质以纳米结构按一定方式组装成的体系,或纳米结构排列于

一定基体中分散形成的体系,包括纳米超微粒子、纳米块体材料和纳米复合材料等。组成纳米材

料的基本单元在维数上可分为三类:①零维。指在空间三维尺寸均在纳米尺度内。如纳米尺度颗粒、原子簇等;②一维。指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等;

③二维。是指在三维空间中有一维处于纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。构成纳米材料的物质的类别可以有多种,分为金

属纳米材料、半导体纳米材料、纳米陶瓷材料、有机-无机纳米复合材料及纳米介孔固体与介孔复合体材料等。

处于纳米尺度下的物质,其电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响,诸如熔点、磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性会出现与传统材料迥然不同的性质,表现出的独特性能无法用传统的理论体系解释。以下总结了导致纳米材料表现独特性能的4种基本效应。

3.1表面效应

当微粒的直径降低到纳米尺度时,其表面粒子数、表面积和表面能均会大幅增加。由于表面粒子的空位效应,周围缺少相邻的粒子,出现表面粒子配位不足;同时高的表面能也使得

表面原子具有高的活性,极不稳定,易于通过与外界原子结合而获得稳定,如金属的纳米颗粒

在空气中会燃烧,无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应,皆由表面效

应所致。

3.2小尺寸效应

随着颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小,比表面积大,在熔点、磁学性能、电学性能和光学性能等都较大尺寸颗粒发生了变化,产生出一系列奇异的性质。如金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加,而直径为2 nm的金和银的纳米颗粒,其熔点分别降为330℃和100℃。

3.3量子尺寸效应

处于纳米尺度的材料,其能带将裂分为分立的能级,即能级的量子化,而金属大块材料的能带,可以看成是连续的。纳米材料能级之间的间距随着颗粒的尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能以及磁能等的平均能级间距时,就会出现一系列与块体材料截然不同的反常特性,这种效应称之为量子尺寸效应。量子尺寸效应将导致纳米微粒在磁、光、电、声、热以及超导电性等特性与块体材料的显著不同,例如,纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能。

3.4宏观量子隧道效应

微观粒子具有穿越势垒的能力称之为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观的物理量,如微小颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。这种效应和量子尺寸效应一起,将会是未来微电子器件的基础,它们确定了微电子器件进一步微型化的极限。

4结语

纳米技术以其带给人类的全新的对物质领域的认识,无疑正在掀起一场技术革命。纳米技术已经向我们初步展示了在新材料、新能源、计算机技术、生物医学以及航天领域中的应用。同时,纳米技术并不是孤立的,它涉及到如量子力学、材料科学、胶体化学、物理化学、高分子化学、生物化学、凝聚态物理和微电子技术学等诸多领域学科,因此,只有进行多学科的交叉渗透,才能更好地有助于我们认识纳米科学,掌握纳米技术。

参考文献

[ 1 ]张立德,牟季美·纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2001·

[ 2 ]张立德·纳米材料[M].北京:化学工业出版社, 2000

[ 3 ]方云,杨澄宇·纳米技术与纳米材料（1）[J]