纳米材料的物理性能及其应用

走进纳米时代课程报告

纳米材料的物理性能及其应用

院系：材料科学与工程学院

专业：材料物理

班级：材物09级1班

姓名：潘伯津

学号：20090600

课程名称：走进纳米时代

任课教师：王学伟

题目：纳米材料的物理性能及其应用

提交论文报告时间：2011年6月7日

天津理工大学

纳米材料的物理性能及其应用

作为新材料领域的一个很重要的组成的纳米材料，近些年一直是科学研究的一个很热门的领域。为何纳米材料会成为如此受研究人员关注的对象呢？未来学家说，谁赢得了纳米科技，谁就赢得了21世纪。还有人预测过中国要在在21

世纪一跃成为发达国家，那就一定是通过纳米技术。

纳米材料的特殊性能

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

而正是因为其在尺度上的差异，使其具有了与宏观物体不同的物理性能，总的归结起来可分为四大效应：表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应。

表面效应：

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。随着纳米材料粒径的减小，表面原子数迅速增加。由于表面原子周围缺少相邻的原子：有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。

量子尺寸效应:

量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。同时处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性、强氧化性和还原性等。

小尺寸效应：

当颗粒的尺寸与光波波长、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破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。

宏观量子隧道效应：

隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 ,人们发现一些宏观量 ,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应 ,称之为宏观量子隧道效应。

以上是纳米材料具有的与宏观材料不同的四大特殊效应，而正是由于纳米粒子的特殊效应导致了纳米材料的特殊性质, 而这些特殊性质带来了纳米材料的广泛应用。目前, 纳米材料已经在催化、环保、能源行业以及新型工程、磁性和防护材料的制备等方面得到了一定的应用。加之各学科的互相渗透，使纳米材料展现出更为强大的生命力。

纳米材料特殊性能的广泛的应用

1.纳米粒子在催化方面的应用

在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间，提高反应效率和反应速度。但是，大多数的传统催化剂催化效率低，制备过程并不严谨。所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势，纳米材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性.它可大大提高反应效率，控制反应速度，对比一般的催化剂，用纳米微粒作催化剂的话，可以将反应速度提高10～15 倍。纳米催化剂的催化活性和选择性大大高于传统催化剂。国际上已把纳米催化剂称为第四代催化剂。

2..纳米材料在传感器领域的应用

纳米微粒材料由于表面比大、活性高, 对周围环境如温度、光、湿度、气氛等十分敏感, 外界环境的改变能迅速引起表面离子价态和电子输运显著变化, 且响应速度快、灵敏度高、选择性能优良. 因此, 被广泛应用于光敏、气敏和湿敏等传感器领域。

而其中尤为突出的是在生物传感器中的应用。生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置,用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物，是一种全新的检测技术，在生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和稳定性，且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。所以，纳米颗粒一般用作固定载体。

3. 纳米材料在涂料方面的应用

由于纳米粒子的吸波性，纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。厚度几十纳米的纳米固体薄膜的吸波效果，与比它厚1000倍的现有的吸波材料相同。所以纳米材料通常可以作为隐形飞机的涂层材料。

纳米涂料利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。利用纳米材料在高温下的高强、高韧、稳定性好的特点，可改造传统工具和工件。芬兰、美国在普通工具钢刀具上覆盖了纳米涂层，其硬度可提高几倍，产品已进入市场。欧美一些发达国家都把纳米陶瓷刀具作为跨世纪刀具革命的目标。

4. 纳米材料在计算机领域的应用

计算机技术利用纳米技术制造的纳米结构微处理器的效率可提高 100倍左右；纳米存储器的容量可实现兆兆比特而存储器密度可以提高大约100倍；纳米技术和集成技术的结合，可以制备纳米传感系统，达到对微小体系以及复杂体系的在线检测。用纳米粉末制成的磁记录材料，可使磁带和软盘的记录密度提高数十倍，并能大幅度改善它们的保真性能。