纳米材料的背景、意义

纳米知识介绍

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

纳米

纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。

纳米技术

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。

纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：

第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。

第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料：

•纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，

•纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，

•纳米复合薄膜(0-2复合)。

第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。

纳米材料

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就称为纳米材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图

一、纳米材料的基本特性

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。

纳米结构

以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的新体系。它不仅具有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性。

Gleiter认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量界面，晶界原子达15%一50%。可以利用TEM、X射线、中子衍射和一些其它方法来表征纳米材料及其结构。对于纳米材料晶界的结构有三种不同的理论:

（1） Gleiter的完全无序说。[3]这种假说认为纳米晶粒间界具有较为开放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序，又无短程有序。（2）Seagel的有序说。[4]有序说认为晶粒间界处含有短程有序的结构单元，晶粒间界处原子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的最低状态;（3）叶恒强、吴希俊的有序无序说。[5]该理论认为纳米材料晶界结构受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化。

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