什么是纳米材料

纳米材料

什么是纳米材料

纳米是一种长度计量单位，1纳米等于10^-9m，其尺度非常的小，通俗的讲，这个长度仅相当于头发直径的万分之一。当物质到达了纳米的尺度的时候，就是在1—100纳米之间时，物质的性质会发生突变，甚至出现特殊性能，而像这种不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质性能而所具有特殊性能的材料，即为纳米材料。

过去，人们一直都只是重视原子分子或宏观物质等方面，而忽略了纳米这个夹在中间的领域，其实这个领域大量存在于我们的世界，只是人们没有认识到，比如安徽出产的墨均匀饱满，实际上就是纳米材料。最早提出纳米尺度上科学与技术问题的人是美国物理学家理查德.费曼，他曾在一次演讲中提出了未来也许人类能按照自身的意愿安排一个个原子和分子的展望，而上个世纪90年代发明的扫描隧道显微镜让这个设想变为了现实，扫描隧道显微镜以它极高的分辨率，放大倍数揭示出了原子分子的世界，也为操纵原子分子提供了强而有力的工具，为人类进入纳米的世界打开一扇大门，也使得纳米材料学这个学科得到了长远的发展。

纳米材料的性质

纳米材料因为它所不同于宏观物质材料的性质而又价值，实际上就算材料在尺度上达到了纳米的尺度，但如果并没有特殊的性质也不能称为纳米材料。

当人们将宏观物体细分为超细的纳米级颗粒时，它将呈现许多不同常理的特性，在光学、热血、电磁学等方面的性质会大为不同。

1、表面效应

表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比会随之粒子尺寸的减小而大幅度增加，例如，当粒子直径为10nm时，这个比值为20%；而当直径变为1nm时，比值飙升至99%，随之增加的是粒子的表面能与表面张力，从而引起粒子性能的变化。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子是有所不同的，存在许多悬空键，并且具有不饱和性因此极易与其他原子相结合而趋于稳定，因此表现出很高的化学活性。利用这一特性，可以制作高催化活性与产物选择性的催化剂，也可以制作高效率的燃料或炸药，比如用纳米粉体做成的火箭固体燃料会拥有更大的推力。

2、小尺寸效应

随着颗粒尺寸的变化，在一定条件下就会引起颗粒性质的质变，而所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。这些变化表现在光学、热学、磁学，力学的方面的性质。

例如光学方面，比如黄金粒子被分到小于光波长的尺寸时，就会不再是金黄色而是黑色，事实上，所有金属在超微颗粒状态时都会变为黑色，而且尺寸越小，颜色越黑，因为金属颗粒越小颗粒对光的折射率就越小，甚至低于1%，利用这个特性可以作为高效光热、光电转换材料。

有比如在热学方面，纳米微粒的熔点比常规粉体低很多，这是由于纳米微粒表面能高，表面原子多，这些原子近邻配位不全，微粒之间是一种非共价相互作用，纳米粒子熔化所需要的内能小很多，使得物质熔点急剧下降。比如金的熔点高达1000多摄氏度，而尺寸为3纳米的金微粒熔点仅为其的一半。

3、量子尺寸效应

微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移动，这种现象就称为量子尺寸效应。这导致纳米微粒磁、光、电以及超导性方面有很大变化，当温度为1K时，直径小于14nm的银纳米颗粒就成了绝缘体。

4、宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。

纳米材料的应用

正是因为纳米材料的种种特殊性质，使得其在多个领域拥有广泛的应用与光明的前景。以下列举一些纳米材料的实际应用。

催化剂方面：纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍，如用纳米粒子做光解水催化剂，比常规催化剂产率提高2-3个数量级。纳米材料在光催化方面应用广泛，通过光可以形成强氧化性粒子，将表面的物质氧化分解。纳米粒子也对催化氧化、裂解反应都具有很高的活性和选择性，对光解水制氢和一些有机合成反应有明显的光催化活性。

医学生物学方面：21世纪医疗技术飞速发展，大量先进技术开始应用于医疗或有广阔的应用前景，纳米技术就是其中很重要的一个，现在在医学中的主要应用是利用纳米材料包裹药物是药物能高效准确的作用于该作用的部位，比如利用某种金铜合金纳米晶体能定向杀死癌细胞。使用纳米技术的新型诊断仪只需利用少量血液就能通过血液中的成分检测出各种疾病。更长远来说，设想中的医疗纳米机器人更是可是引起整个人类医疗技术的革命，使得现在的许多疑难杂症得到解决。

军事方面：纳米微粒因为小尺寸效应使得其具有常规材料不具备的光学性质。利用这点，由于纳米微粒尺寸远小于雷达波长，使得其对这种波的透过率大大降低，从而极大的减少了波的反射率，又因为纳米材料的比表面积比常规材料高出几个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料高很多，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，因此纳米材料能作为军事上的隐身技术材料，应用于各种先进武器上，如f-22战斗机。

纳米材料的展望

纳米科学是新兴的一门科学，正处于不断的完善中，大量有关方面的研究在不断的进行。所以虽然应用不算特别广泛，但发展应用前景十分光明。纳米材料接下来的发展可能在如下几个方面：（1）大规模生产纳米结构物质，如碳纳米管，使得此类具有极其优良性质的材料能够实用化（2）造出纳米计算机。纳米磁膜技术将大大提高磁记录密度，新的加工技术将会使纳米级光盘成为可能，它的信息储存量能达到现在光盘的100万倍（3）纳米级别的动力源和自动化元件装置。使得超微型机器，纳米机器人成为可能。

虽然纳米材料的前景光明，但它的发展道路不会轻松而会是充满了荆棘和挑战。不少革命性的技术离实用化和成熟化还要很长的时间，纳米技术的应用也还是要有一个认识过程和产品的升级配套问题，它要像信息技术一样对我们的生活产生深刻的影响可能还需要几十年。但无论如何，纳米的时代已经来临，它迟早会如同前几次工业革命一样彻底改变人类的生活，带领人类走上更美好的道路