纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景

摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。

关键词：纳米材料；功能；应用；

一、纳米材料的基本特性

所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。

1、力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增

殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和

增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50

多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直

难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、

强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。

使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油

钻探等恶劣环境下使用。

2、热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用

变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面

有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作

用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

3、电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的

隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体

器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管

放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室

温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研

制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

4、磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不

能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信

息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电

阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨

磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作

新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，

对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系

数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至

少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

二、纳米材料的主要应用

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。

1、特殊性能材料的生产

材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质

地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的

性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加

快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃

高温时烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低

到1 200℃～1 311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温

度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小

尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而

在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材

料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成

的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下

就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具

有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开

拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作

2、生物医学中的纳米技术应用

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元

都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物

中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装

排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米

科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构

的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研

究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒

实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染

色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。