納米材料的特性及應(yīng)用前景

王德紅+劉文

摘要：本文通過對納米材料的簡介引出納米材料的定義，從而介紹了納米材料的兩大特性，尤其是小尺寸性質(zhì)中的力學(xué)特性、熱學(xué)特性、電學(xué)特性、磁特性等，并分析了納米材料在信息技術(shù)、環(huán)境保護、能源工程、精細(xì)化工和醫(yī)藥衛(wèi)生等方面的應(yīng)用及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：納米材料；特性；應(yīng)用

中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）14-001-01

一、引言

自從20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)納米材料以來，納米材料被譽為是21世紀(jì)構(gòu)成未來智能社會的四大支柱之一，而碳納米管是納米材料中最富有代表性，并且是性能最優(yōu)異的材料。由于碳納米管具有強度高、重量輕、性能穩(wěn)定、柔軟靈活、導(dǎo)熱性好、比表面積大并具有許多吸引人的電子性質(zhì)。

二、納米材料的基本特性

由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因為這樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。

1、表面效應(yīng)

納米材料的表面效應(yīng)[1]是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑變小，表面原子所占百分?jǐn)?shù)將會顯著增加。當(dāng)粒徑降到1nm時，表面原子數(shù)比例達到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。

2、小尺寸效應(yīng)

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)。對超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)：

（1）力學(xué)性質(zhì)

（2）熱學(xué)性質(zhì)

納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。

（3）電學(xué)性質(zhì)

由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。

（4）磁學(xué)性質(zhì)

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體

三、納米材料的應(yīng)用前景

1、信息產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)

納米技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用主要表現(xiàn)在3個方面：①網(wǎng)絡(luò)通訊、寬頻帶的網(wǎng)絡(luò)通訊、納米結(jié)構(gòu)器件、芯片技術(shù)以及高清晰度數(shù)字顯示技術(shù)。②光電子器件、分子電子器件、巨磁電子器件，這方面我國還很落后，但是這些原器件轉(zhuǎn)為商品進入市場也還要10年時間，所以，中國要超前15年到20年對這些方面進行研究。③網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵納米器件，如網(wǎng)絡(luò)通訊中激光、過濾器、諧振器、微電容、微電極等方面。

2、環(huán)境產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)

納米技術(shù)對空氣中20納米以及水中的200納米污染物的降解是不可替代的技術(shù)。要凈化環(huán)境，必須用納米技術(shù)。近年來，不少公司致力于把光催化等納米技術(shù)移植到水處理產(chǎn)業(yè)，用于提高水的質(zhì)量，已初見成效；采用稀土氧化鈰和貴金屬納米組合技術(shù)對汽車尾氣處理器件的改造效果也很明顯；治理淡水湖內(nèi)藻類引起的污染，最近已在實驗室初步研究成功。

3、能源環(huán)保中的納米技術(shù)

合理利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)新能源是我國當(dāng)前和今后的一項重要任務(wù)。在合理利用傳統(tǒng)能源方面，現(xiàn)在主要是凈化劑、助燃劑，它們能使煤充分燃燒，燃燒當(dāng)中自循環(huán)，使硫減少排放，不再需要輔助裝置。另外，利用納米改進汽油、柴油的添加劑已經(jīng)有了，實際上它是一種液態(tài)小分子可燃燒的團簇物質(zhì)，有助燃、凈化作用。

4、精細(xì)化工方面的應(yīng)用

精細(xì)化工是一個巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細(xì)化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。

5、納米生物醫(yī)藥

這是我國進入WTO以后一個最有潛力的領(lǐng)域。目前，國際醫(yī)藥行業(yè)面臨新的決策，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。納米生物醫(yī)藥就是從動植物中提取必要的物質(zhì)，然后在納米尺度組合，最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)的想法。在提取精華后，用一種很少的骨架，比如人體可吸收的糖、淀粉，使其高效緩釋和靶向藥物。對傳統(tǒng)藥物的改進，采用納米技術(shù)可以提高一個檔次。

納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，尤其是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。可見，納米技術(shù)對我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國在21世紀(jì)實現(xiàn)經(jīng)濟騰飛奠定堅實的基礎(chǔ)。整個人類社會將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革。

參考文獻：

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