納米材料的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

段利利

摘 要：納米材料是當(dāng)今非常熱門(mén)的新型材料。本文系統(tǒng)闡述了納米材料的研究現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.198

0 引言

自從人類(lèi)能夠認(rèn)識(shí)世界，從尺寸角度講，人類(lèi)文明史的發(fā)展過(guò)程可分為模糊（產(chǎn)業(yè)革命之前）時(shí)期，毫米時(shí)期（20世紀(jì)初的產(chǎn)業(yè)革命）、微觀和納米時(shí)代（20世紀(jì)40年代以來(lái)）[1]。20世紀(jì)80年代初以來(lái)，德國(guó)的科學(xué)家格雷特[2]提出的納米結(jié)晶材料的概念，是人工制造納米結(jié)晶史上，首次研究其系統(tǒng)的不同物理性質(zhì)。納米材料，在世界各國(guó)的受人矚目。納米材料，其特征是尺寸大小通常在1 ～ 100nm的固體材料的微粒子。納米材料的研究是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的新層次，是交叉學(xué)科跨世紀(jì)的戰(zhàn)略科技領(lǐng)域。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1980年代以后，納米材料的研究迅速發(fā)展。這個(gè)過(guò)程分類(lèi)方法有很多，按內(nèi)容特點(diǎn)有3個(gè)階段：第一階段，1990年之前為止，只是探索制造各種材料納米粒粉，探索納米材料不同于傳統(tǒng)材料的特殊的性能。納米粒子和納米塊結(jié)構(gòu)的研究，是80年代末開(kāi)始的。研究對(duì)象一般只停留在單一材料和單相材料。納米晶一般都指的是這類(lèi)材料。第2階段是1990年到1999年，人們已經(jīng)把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到納米材料的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，從而開(kāi)發(fā)納米復(fù)合材料。納米復(fù)合材料是將不同納米粒子之間或者和傳統(tǒng)材料復(fù)合，并發(fā)展到復(fù)合納米膜層。探究納米復(fù)合材料合成的方法已經(jīng)成為這個(gè)階段的主導(dǎo)。第三階段，自1994年以來(lái)人工組裝的納米結(jié)構(gòu)材料的合成系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)心、新焦點(diǎn)。國(guó)際上稱(chēng)這種材料為納米組裝材料。

納米研究的第1階段到第3階段，從顆粒到納米管，納米材料的研究，再到組裝納米材料。與此同時(shí)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并行發(fā)展的新的情況下，納米材料的應(yīng)用成為了科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。迄今為止，研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝納米粒子和高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成與性改，改進(jìn)了傳統(tǒng)材料和涂層材料，對(duì)納米顆粒性改與表面涂層的研究取得了驚人的進(jìn)步，應(yīng)用前景更加擴(kuò)大。

經(jīng)過(guò)1、2兩個(gè)階段的研究發(fā)現(xiàn)，納米材料的新特性對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)材料及其它產(chǎn)品都有重要的影響。日本、美國(guó)和西歐實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果表明，納米材料已經(jīng)進(jìn)入了批量生產(chǎn)。初步統(tǒng)計(jì)，20多個(gè)國(guó)際納米材料公司生產(chǎn)制造銷(xiāo)售粉體。高技術(shù)的陶器納米功能改性材料和涂料備技術(shù)已經(jīng)得到了環(huán)保、醫(yī)藥和能源方面的應(yīng)用。自1994年以來(lái)，納米材料及相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)生的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)每年增長(zhǎng)25%。

納米材料制備方法還有技術(shù)研究重要發(fā)展方向趨勢(shì)是加強(qiáng)控制其成型過(guò)程。這其中包括對(duì)顆粒尺寸、粒子形狀、表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)的控制。因?yàn)榧{米粒子的小尺寸效果、表面效果同時(shí)和量子尺寸效應(yīng)，與此同時(shí)，這些材料將采取什么樣的性能，貢獻(xiàn)力量的多少，往往很難區(qū)分的損益的影響，并不像想象中那么容易判斷。不僅如此，他還向解釋這種現(xiàn)象，但很難也遇到了困難，擴(kuò)大設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)材料。如何管制影響納米材料的性質(zhì)控制的問(wèn)題是工學(xué)研究迫在眉睫。

近年來(lái)，國(guó)際納米材料，主要研究控制形成過(guò)程幾個(gè)方面：一通過(guò)改性納米表面物質(zhì)和異性沉積層表面，來(lái)改變表面電子狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；二是納米顆粒在多空隙基體中分布狀況進(jìn)行控制量子尺寸效果和滲流效果；三是通過(guò)設(shè)計(jì)納米絲、軟管等陣列系統(tǒng)獲得必要的特性。

2 納米材料的應(yīng)用

納米材料是21世紀(jì)非常有潛力的材料，有非常廣闊的應(yīng)用。主要有下面幾個(gè)應(yīng)用：（1）微電子器件方面。在電子產(chǎn)品達(dá)到納米尺寸的時(shí)候，量子效果變得十分明顯，因此，電子產(chǎn)品中應(yīng)用納米材料產(chǎn)生的反應(yīng)，普通的材料根本達(dá)不到這種程度。目前，國(guó)際上對(duì)納米硅材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，有很多科學(xué)家用納米硅材料居然制作了只允許單個(gè)電子通過(guò)的二極管，也有人試圖制作納米硅超晶體。另外，納米磁性材料領(lǐng)域也在壯大發(fā)展，納米尺寸的多層膜微電子終端、磁光存儲(chǔ)磁記錄等方面都有非常優(yōu)秀的性能。（2）磁記錄方面。21世紀(jì)是知識(shí)情報(bào)化社會(huì)，錄音材料的性能和記錄密度有較高的要求。例如， 要求1千萬(wàn)億信息的記錄/1cm2，應(yīng)該是在幾個(gè)平方微米內(nèi)記錄信息，高密度記錄材料的納米粒子能改善信噪比，改善畫(huà)質(zhì)。日本松下電器公司的納米粉錄像，影像清晰，信噪比高，失真率小等優(yōu)點(diǎn)；（3）傳感器方面。納米粒子的材料表面和界面，對(duì)外部環(huán)境溫度、陽(yáng)光、濕度表現(xiàn)出了敏感的反應(yīng)。外部環(huán)境的變化將會(huì)快速使表面和接口的離子價(jià)位和電子傳輸?shù)淖兓曳磻?yīng)快速靈敏度高。日本從80年代，采用錫納米薄膜傳感器。納米陶瓷材料中使用的傳感器也存在潛在發(fā)展能力；（4）其它方面。納米科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，使得科學(xué)家能夠“自由”的改變材料的屬性。結(jié)果，有很多人生動(dòng)的把納米稱(chēng)作材料界的調(diào)味品，添加到傳統(tǒng)材料后，產(chǎn)品就煥然一新了。例如，傳統(tǒng)的內(nèi)衣。金屬、冰箱、洗衣機(jī)等添加納米粒子后，金屬制品可獲得抗菌功能。砧板、布料、瓷磚和門(mén)把手，如果加入納米粒子，居然可以殺菌，去除異味。納米材料，導(dǎo)致了我們產(chǎn)品尺寸的減小。現(xiàn)在已經(jīng)有了微型機(jī)器人，小到像蚊子，蒼蠅一幫大小，最具吸引力的還是納米生物導(dǎo)彈，它可以進(jìn)入人體去慘殺無(wú)數(shù)癌細(xì)胞而不損害健康的細(xì)胞，還可以往返與我們的身體，送取藥物、維修心臟、腦和其他器官，接受手術(shù)的患者可以最大程度的見(jiàn)面手術(shù)帶來(lái)的痛苦。在新涂料方面，納米技術(shù)不僅提高10倍以上的耐磨性，而且有機(jī)揮發(fā)物含量極低，從而加強(qiáng)密封建筑物的有害氣體排放問(wèn)題。科學(xué)技術(shù)人才的輻射電阻納米尺寸材料混合纖維，制成的納米衣服可阻礙90%的紫外線(xiàn)電磁輻射，而且沒(méi)有揮發(fā)性，不溶于水并，且防護(hù)能力持久。化纖材料制成的衣服容易產(chǎn)生摩擦生電，如果在制作過(guò)程中加入少許納米顆粒可以消除令人頭疼的靜電現(xiàn)象。納米技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還可以制造“隱形飛機(jī)”、隱形軍用車(chē)躲過(guò)雷達(dá)的跟蹤。納米技術(shù)是一種最具有市場(chǎng)潛力的新技術(shù)，發(fā)展?jié)摿Ψ浅Ａ己谩?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

納米技術(shù)分析人士認(rèn)為，從整體上觀察還是處于試驗(yàn)的研究階段和小規(guī)模的生產(chǎn)階段，但從歷史的角度出發(fā)，20世紀(jì)70年代的擁有微米科學(xué)技術(shù)的國(guó)家已經(jīng)成為了先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家。高度重視發(fā)展納米技術(shù)的國(guó)家是成為先進(jìn)國(guó)家的可能性。在21世紀(jì)的，納米技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。納米技術(shù)和基本理論知識(shí)一定要受到加倍關(guān)心，這是我國(guó)成為21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)騰飛的基礎(chǔ)。人類(lèi)社會(huì)將發(fā)生根本改變因?yàn)榧{米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化。

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