纳米材料

纳米技术（nanotechnology）是20世纪90年代出现的一门新兴技术。是在0.10～100 nm尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物，纳米技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。

现在纳米科学技术主要应用于材料学方面。所谓纳米材料，是指用纳米量级的微小颗粒制成的固体材料。其纳米颗粒的大小不超过100 nm，而通常情况下不超过10 nm。由于纳米颗粒的尺寸已经很接近原子的大小，量子效应便开始影响物质的结构与物理、化学性能。由此可见应用纳米技术可制成性能特别优良的各种特殊材料。例如，用单个原子制成的开关；单电子晶体管；各种单电子单原子的逻辑器件，它们将是新一代分子计算机的重要组成部分。纳米分子电脑将会小如谷粒，而其计算机能力将是现代“奔腾”芯片的1000亿倍。

纳米是介于宏观世界和微观世界的一种尺度，我们称纳米世界为“介观世界”。在介观世界，纳米是构成物质的主要材料，能产生令人不可想象的奇迹。

所谓纳米材料，就是用化学、物理、生物方法，把普通物质变成纳米级的微细颗粒后形成的材料,虽然我们在日常生活中无法直接见到这种材料，但它确实已经存在，并被广泛应用于生产和生活，取得了令人称奇的效果。如：五颇六色的金属，包括光彩夺目的黄金和白金，如果被切割成纳米微粒后，就成了“黑金”，可以吸收可见光而成为太阳黑体，是制造隐形飞机的最好材料。普通陶瓷坚硬、易碎，当我们把陶瓷原料粉碎成纳米微粒，制成名叫“纳米微晶陶瓷”的新瓷器后，不仅不会被摔碎，而且可以像金属一样弯曲变形，还可用来做成弹簧、刀具。如果在化妆品中添加一些纳米微粒，可有效吸收紫外线，防止皮肤癌变不仅如此人们还采用纳米技术使不能发光的半导体，发出了耀眼的蓝光，并由此又开拓了一门新的学科——光电子学

“纳米”是英文namometer的译名，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。1982年扫描隧道显微镜发明后，便诞生了一门以0 1至100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。

从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

1980年的一天，在澳大利亚的茫茫沙漠中有一辆汽车在高速奔驰，驾车人是一位德国物理学家H 格兰特(Gleiter)教授。他正驾驶租用的汽车独自横穿澳大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独，使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶体物理研究的科学家。此时此刻，一个长期思考的问题在他的脑海中跳动：如何研制具有异乎寻常特性的新型材料?

在长期的晶体材料研究中，人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体，是晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、位错和晶界看作晶体材料中的缺陷。此时，他想到，如果从逆方向思考问题，把“缺陷”作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会是怎样? 格兰特教授在沙漠中的构想很快变成了现实，经过4年

的不懈努力，他领导的研究组终于在1984年研制成功了黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。纳米固体材料(nanometer sized materials)就这样诞生了。

纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等；纳米相的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。

效应颜料这是纳米材料最重要最有前途的用途之一，特别是在汽车的涂装业中，因为纳米材料具有随角变统汽车面漆大增光辉，深受配受专家的喜爱。

防护材料由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品和材料中添加少量(一般不超过含量的2%)的纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和透明性。因而被广泛用于护肤产品、所装材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。

精细陶瓷材料使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因为这些纳米粒子非常小，很容易压实在一起。此外，这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨，还不易破碎。

催化剂纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要的条件。目前用纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，可大大提高反应效率。利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率急剧增大。

磁性材料纳米粒子属单磁畴区结构的粒子，它的磁化过程完全由旋转磁化进行，即使不磁化也是永久性磁体，因此用它可作永久性磁性材料。磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫顽力很高的特征，用它来做磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量。当磁性材料的粒径小于临界半径时，粒子就变得有顺磁性，称之为超顺磁性，这时磁相互作用弱。利用这种超强磁性可作磁流体，磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性，它在工业废液处理方面有着广阔的应用前景。

传感材料纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等特征，是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳料粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化，利用其电阻的显著变化可做成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。

材料的烧结由于纳米粒子的小尺寸效应及活性大，不论高熔点材料还是复合材料的烧结，都比较容易。具有烧结温度低、烧结时间短，而且可得到烧结性能良好的烧结体。例如普通钨粉耐在3000℃的高温下烧结，而当掺入0 1%～0 5%的纳米镍粉时，烧结成形温度可降低到1200℃到1311℃。

医学与生物工程纳米粒子与生物体有着密切的关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体。其粒度在15～20nm 之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。此外用纳米Si02微粒可进行细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息，特别是细胞内的各种信息，中利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物。甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。 印刷油墨根据纳米材料粒子大小不同，具有不同的颜色这一特点，可不依靠化学颜料而选择颗粒均匀、体积适当的粒子材料来制得各种颜色的油墨。

能源与环保德国科学家正在设计用纳料材料制作一个高温燃烧器，通过电化学反应过程，不经燃烧就把天然气转化为电能。燃料的利用率要比一般电厂的效率提高20%至30%，而且大大减少了二氧化碳的排气量。