納米材料科學(xué)簡(jiǎn)介

杜亞冰，花春飛

（河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467000）

納米（nanometer），是一種長(zhǎng)度單位，一納米等于十億分之一米，大約是三四個(gè)原子排列起來的寬度。納米材料又稱超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子一般是指尺寸在 1～100 nm間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米科學(xué)技術(shù)（nano－tecnology），是指用數(shù)千個(gè)分子或原子制造新型材料或微型器件的科學(xué)技術(shù)。它以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。納米科學(xué)技術(shù)將使人們邁入了一個(gè)奇妙的世界。［1］

1 納米材料的分類

納米材料按其形態(tài)，可以分為4種：

1.1 納米顆粒型材料［2］

這種材料的表面積大大增加，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，與表面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化以及擴(kuò)散等物理化學(xué)性質(zhì)均有明顯改變。納米顆粒型材料在催化領(lǐng)域有很好的前景，在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加 l%重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。

1.2 納米固體材料［3］

通常指由尺寸小于 15 nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。其主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5 nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1 019個(gè)晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1 014～1 016倍，因此使納米材料具有高韌性。

1.3 納米膜材料［4］

將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫下互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜。改變?cè)及胁闹袃煞N組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中顆粒的大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。顆粒膜材料有很多應(yīng)用，硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谎趸a顆粒膜可制成氣體－濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測(cè)多種氣體。

1.4 納米磁性液體材料［5］

由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體運(yùn)動(dòng)，因此具有其他液體所沒有的磁控特性，用途十分廣泛。

2 納米材料的奇異特性

當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒后，它將顯示出許多奇異的特性。

2.1 表面效應(yīng)［6］

球形顆粒的表面積與直徑平方成正比，其體積與直徑立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著增加。直徑大于0.1 μm的顆粒，表面效應(yīng)可忽略不計(jì)；當(dāng)顆粒尺寸小于0.1 μm時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)急劇增長(zhǎng)，1g超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100 m2，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，利用表面活性，金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。

2.2 小尺寸效應(yīng)［7］

顆粒尺寸的量變?cè)谝欢l件下，將引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，其比表面積會(huì)顯著增加，從而會(huì)產(chǎn)生一些新奇的性質(zhì)，如：

2.2.1 特殊的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l%，大約幾個(gè)微米的厚度就會(huì)完全消光。利用這個(gè)特性，可以將它作為高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，還可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔堋?/p>

2.2.2 特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)的形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，但是超細(xì)微化后熔點(diǎn)會(huì)顯著降低，當(dāng)顆粒小于10 nm量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670 ℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100 ℃。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。

2.2.3 特殊的磁學(xué)性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在有超微磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 2 nm的磁性氧化物顆粒，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，趨磁細(xì)菌依靠它可以游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。

2.2.4 特殊的力學(xué)性質(zhì)

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，而界面原子的排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。

此外，小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等諸多方面。

2.3 量子尺寸效應(yīng)［7］

各種元素的原子具有特定的光譜線，無數(shù)原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶。由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸的減小而增大。當(dāng)周圍環(huán)境中的熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電金屬為超微顆粒時(shí)，可以變成絕緣體。磁矩大小和顆粒中電子數(shù)的奇、偶有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。

2.4 宏觀量子隧道效應(yīng)［8］

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。電子既有粒子性又有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如超微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。它與量子尺寸效應(yīng)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。

本文介紹了納米材料的種類及其特性，展示了納米新材料和納米科技在能源、化工、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)以及航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。納米技術(shù)無疑掀起了一場(chǎng)技術(shù)革命。著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Feyneman就曾預(yù)言：如果對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量異乎尋常的特性。這些神奇特性將使它在陶瓷、微電子學(xué)、生物工程、光電、化工、醫(yī)學(xué)、分子組裝、傳感器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。尤其納米材料的性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴著材料的尺寸、微結(jié)構(gòu)乃至形狀，這就對(duì)合成技術(shù)提出了十分苛刻的要求。理想的合成方法應(yīng)使產(chǎn)物具有很窄的尺寸分布，且不發(fā)生團(tuán)聚。因此，探索如何制備出尺寸可控、分布狹窄且排列有序的納米結(jié)構(gòu)材料是目前納米科學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 C. R. Martin, Nanomaterials--a membrane－based synthetic approach ［J］. Science, 1994（5193）: 1961

2 C. I. Simionescu, S. Dumitriu. Apatite: a new catalyst in synthetic organic chem istry ［J］. Chem. Technol.,1978（12）: 585

3 H. Nagayama, H. Honda, H. Kawahara. A new method of liquid－phase deposited （LPD） oxide films ［J］. J. Electrochem.Soc., 1988（8）: 2013

4 T. N. Kin, Q. L. Feng, et. al., Antim icrobial effects of metal ions（Ag+, Cu2+, Zn2+） in hydroxyapatite ［J］. Journal of Materials Science: Materials Medicine, 1998（9）: 129

5 Y. C. Zhu, M. H. Huang, C. X. Ding, et al., Investigation on structural transform of nano－titania powders during plasma spraying pocess ［J］. J. Inrog. Mater., 1998（6）: 923

6 張立德、牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)［M］.科學(xué)出版社，2001：118

7 張立德、牟季美.開拓原子和物質(zhì)的中間領(lǐng)域－納米微粒與納米固體［J］.物理，1992（3）:167