纳米材料发展与展望

纳米材料综述

摘要：随着纳米科技的发展，纳米制备技术已日渐成熟，纳米材料的广泛应用使它逐渐走进了我们日常生活的各个方面。本文简明地阐述了纳米材料特殊的化学、物理特性以及基于这些特性的具体应用实例和对纳米科技发展前景的展望。

关键词：纳米材料；特性；制备；应用；发展前景；

1 引言

自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制备了铁纳米材料，并以它作为结构单元制成纳米块体材料以来[1]，纳米材料由于具有明显不同于体材料和单个分子的独特性质：小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应等，而且在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要价值[2]，它引起了世界各国科学工作者的浓厚兴趣，以及各国政府的广泛关注，这使得近二十多年来，纳米材料的制备，性能和应用等各方面的研究都取得了丰硕的成果。然而对纳米材料的研究工作还远远没有结束，在上述三个方面依然有十分广阔的未知领域，吸引着更多的科研人员为之努力奋斗[3]。

2 纳米材料的特性

纳米材料是，指的是具有纳米量级（1-100nm）的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质。由于它的尺寸小、比表面大、及量子尺寸效应，它具有常规粗晶材料不具备的特殊性能。

2.1 小体积效应

小体积效应(Small size effect)——由于相关的效应发生在超细微的纳米颗粒上，因此

也常被简单地称为小尺寸效应。当纳米材料的颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长以及

超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将

被改变。无论是否是非晶态的纳米颗粒，其颗粒表面层附近的原子密度减小，结果是导

致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现出与普通非纳米材料不同的新的效应。这些效

应包括光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态的转变；

超导相向正常相的转变；声子谱发生改变[4]。

纳米粒子的这些小尺寸效应应具有非常广泛的实用意义。例如，当Fe-Co合金等这样

一些强磁性材料的颗粒尺寸为纳米尺度时，即单磁畴临界尺寸时，具有非常高的矫顽力，

可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，用于电声器件、阻

尼器件、旋转密封、润滑、选矿等；在粉末冶金工业中，金属纳米颗粒的熔点可远低于

块状金属。又例如块状金的熔点为1100℃，而2nm的金颗粒熔点为330℃。还有可以利用

小尺寸效应控制材料对电磁波吸收边的位移，制造具有待定频宽的微波吸收纳米材料，

可用于电磁波屏蔽（网、罩）、隐形飞机、舰船等[5]。

2.2 表面效应

表面效应是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。根据表面科学的原理所知，表面层原子所处的物理和化学环境不同于物体内部原子，而使他们在材料中形成一种新的相——表面相。同时由于微小颗粒的因素使位于表面的原子数占相当大的比例。当材料的尺寸小道10nm左右时，处于表面的原子数目和体内的原子数目几乎达到相等。表1列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关系[6]。

[7]

纳米微粒尺寸d/nm 包含总原子数表面原子所占比例/%

10 3×10420

4 4×10340

2 2.5×10280

1 30 99

从表1可以看出，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。这样高的比表面积，使处于表面的原子数越来越多，同时体现出表面能迅速增加。以铜为例，当纳米Cu微粒粒径从100nm→10nm→1nm，Cu微粒的比表面能增加了2个数量级。

由于表面原子数增多、原子配位不足以及很高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，因此很不稳定，很容易与其他原子结合。表面原子极不稳定，遇见其他原子，很快结合，以便使其稳定化，这就是高表面活性的基本原因。例如，金属的纳米粒子在空气中氧化，发生燃烧现象；无极的纳米粒子暴露在空气中会大量吸附气体，并快速地与气体发生反应。这种表面原子的活性不但会引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也会对表面电子自旋构像和电子能谱的变化发生作用[8]。

2.3 量子尺寸效应

当材料颗粒的几何尺寸笑道纳米量级时，其原有准连续的金属费米能及附近的电子能级转变为离散能级，纳米半导体存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，以及能隙变宽。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点在高温或宏观尺寸情况下成立。而对于只有有限个导电电子的微粒子来说，低温下能级是离散的，宏观物理可以看做包含了无限个原子（即导电电子数N→∞），可以认为能级间距δ→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零，而对纳米微粒，所包含的原子数有限，N值相对很小，这就导致δ有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，体现出量子尺寸效应，将导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同，这将影响到纳米微粒的比热容、磁化率、光谱线的频移、物质的催化性质，导体的电导性质也被改变成绝缘体等[9]。

2.4 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。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件

进一步微化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应[10]。

3 纳米材料的制备

纳米材料的制备主要有纳米颗粒的制备和纳米复合材料的制备等两个主要研究方向。本文主要介绍纳米复合材料的制备。纳米复合材料的制备是研究纳米复合材料性能及其应用额的基础，其制备方法一直是该领域的研究热点。进行复合制备之前，一般应对粉体表面进行改性处理。改性的方法有包覆处理改性、表面化学改性、高能处理改性及胶囊化改性等。

3.1 溶胶-悬浮液混合法

通过添加分散剂、调整PH 值，先分别制备各组员充分分散的单相稳定悬浮液，然后找出各相颗粒均能良好分散的混合悬浮液条件，将各单相悬浮液混合，再找出共同絮凝的条件，去除水分，干燥、煅烧制得纳米复合材料。此法适用于制备纳米相分散与分布较理想的纳米复合陶瓷。王昕等采用加热水解氧化锆及醇水混合液体，制得单分散的纳米水合氧化锆溶胶和较高浓度的Al 2O 3水悬浮液混合在一起，经搅拌和超声分散，最后在电动搅拌下加热蒸发，至糊状时移至微波炉中烘干，混合粉体经热压烧结制得两相混合均匀的ZrO 2-Al 2O 3复合陶瓷

[11]。

3.2 插层法

插层法是制备有机、无机纳米复合材料的一种重要的方法。许多无机化合物，如硅酸盐类粘土、磷酸盐类、石墨、金属氧化物、二硫化物等具有典型的层状结构，层间往往具有某种活性，某些有机、金属有机、有机聚合物( 或某个单体) 可以作为客体插入无机化合物的层间，从而形成有机/ 无机纳米复合材料。这些无机化合物的特点是呈层状，层间存在间隙，每层厚度和层间距离尺寸都在纳米级。有机物的嵌入可以通过3 种途径来实现: ①有机单体插入到无机物晶体层间，接着在层间进行原位聚合；②有机物溶液直接嵌入法；③聚合物熔融直接嵌入法。根据热力学的原则，纳米复合材料的复合结构形成过程的自由能变化G ∆必须小于零，过程才能发生，已知:

S T H G ∆-∆=∆

其中为H ∆焓变，为S ∆熵变，T 为温度。有机物的嵌入途径①H ∆＜0实现G ∆＜0；途径②则利用S ∆＞0来影响G ，实现G ∆＜0；途径③的原理是利用柔软的高分子链插层的同时影响S ∆和H ∆，实现G ∆＜0。

日本丰田公司的Usuki 等[12]利用插层法制备的尼龙6/ 蒙脱土纳米复合材料（NCH ），其抗张强度和拉伸模量都有大幅度提高。表2列出了NCH 、NCC( 尼龙6/蒙脱土共混物)和