納米材料的研究及應(yīng)用

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納米材料的研究及應(yīng)用

納米材料的研究及應(yīng)用

魏方芳

( 福建師范大學化學與材料學院重點實驗室. 福建 3 0 0 ) 5

摘 要: 介紹納米材料的范圍、定義、四個基本效應(yīng)及應(yīng)用領(lǐng)城。 關(guān)鑲詞: 納來材并; 基本效應(yīng); 應(yīng)用

1 概述

納米材料是近年來發(fā)展起來的一種新型高性能 材料。納米材料 ( 又 稱超細微粒) 是處在原子簇和 宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，根據(jù)其形

象即為表面效應(yīng)[ 。主 1 3 要表現(xiàn)為熔點降低、比熱

增大。

超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金 屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用 表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化 生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。 利用表面活性，金屬超微顆�？赏�成為新一代的高 效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

態(tài) 分為零維、 一 可 維、二維和三維納米材料t 。 l

納米材料的晶粒尺 寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在

l o nm 以下，隨著晶格數(shù)量大幅度增加，材料的 強度、韌性和超塑性都大為提高，對材料的電學、 磁學、光學等性能產(chǎn)生重要的影響。目 前對納米材 料的定義為: 粒徑為1一100nm 的納米粉，直徑為 1一10O 的納米線，厚度為 1一lo n 的納米薄 m n o m

2。 小尺寸效應(yīng) 2 在一定條件下，顆粒尺寸的量變，會引起顆粒

的質(zhì)變。由于穎粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)

膜， 且 現(xiàn) 米 應(yīng) 材 [ 。 并 出 納 效 的 料 1 2

2 納米材料的基本特性

納米材料有四個基本的效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、 表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效 應(yīng)，因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能，如

的 變化稱為小尺寸效應(yīng)4]。對超微頤粒而言，尺 【

寸變小，同時比 表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系 列新奇的性質(zhì)。 ) 1 熱學性質(zhì)變化 大尺寸固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過超細微化后，發(fā)現(xiàn)其熔點 將顯著降低，當顆粒小于 1 納米量級時尤為顯著。 0 例如，金的常規(guī)熔點為 1 64℃，當顆粒尺寸減小 0 到 10 納米尺寸時，則降低 27℃，2 納米尺寸時的 熔點僅為 32 ℃左右; 銀的常規(guī)熔點為 67 ℃，而 7 0 超微銀顆粒的熔點可低于 100℃。因此，超細銀粉 制成的導電漿料使膜厚均勻，覆蓋面積大，可以進 行低溫燒結(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶

瓷材料。

高強度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔

點、奇特的磁性和極強的吸波性等，從而使納米材 料己獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。 2 ， 表面效應(yīng) 1 納米晶粒表面原子數(shù)和總原子數(shù)之比與穎粒直 徑成反比，隨著顆粒直徑變小，比 表面積將會顯著

增大。如將體積為 Ic 3物質(zhì)粉碎成 In 的微粒， n t m 表面積就從6 ， 一 增加到一

二 澎，而比 ) z ( n l 4r 1護 表 面積從6 ， 102m一增加到6 * 109m一。表明表面原 ’ ‘

子所占的百分 將會顯著地增加，從而增大其活 性。這種表活性引起的納米粒子表面原子輸送和結(jié) 構(gòu)變化，及表面電子自 旋構(gòu)象和電子能譜的變化現(xiàn)

2) 光學性能變化 金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色，且尺寸越 小，顏色愈黑，銀白色的鉑 ( 白金) 變成鉑黑，金 屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反 射率很低，通常可低于 1%，大約幾微米的厚度就

化學工程與裝備

2007 年

第3 期

能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光 熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變 為熱能、電能。此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元

態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等 特點，導致表面的活性位置增加，使納米顆粒具備

了 作為催化劑的先決條件[ 。納米微粒作催化劑 1 6

可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。納 米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導體光催化劑， 特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個

件、 紅外隱身技術(shù)等。 ) 3 磁學性質(zhì)變化 隨著納米晶粒尺寸變小，與體積成正比的磁各 項異性也降低，當體積能與熱能相當或更小時，會 呈現(xiàn)出超順磁性。利用超順磁性，可制成用途廣泛 的磁性液體。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特 性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于

磁帶、磁盤、磁卡以 及磁性鑰匙等。 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在力學、超導電

半導體穎粒，可近似地看成是一個短路的微型電

池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系

時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子 一一空穴對。 在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子 表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和

還原反應(yīng)。

性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

2 . 3 界面效應(yīng)

光催化是一種具有應(yīng)用潛力的特殊催化劑〔 7]，

涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子 氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成， 固嘴 反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些

納米材料具有非常大的界面，且界面原子的排

列相當混亂。原子在外力的作用下很容易發(fā)生遷

移，從而表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，因而

使材料具有特殊的界面效應(yīng)。

是

催化難以實現(xiàn)的川。半導體多相光催化劑

2， 量子效應(yīng) 4 量子尺寸效應(yīng) 導電的金屬在超微顆粒時可以 變成絕緣體; 磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是 偶數(shù)有關(guān); 比熱亦會反常變化; 光譜線會產(chǎn)生向短 波長方向的移動，探究造成這些現(xiàn)象的原因即為量

子尺寸效應(yīng)。介于原子、分子與大塊固體之間的超 微穎粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能

級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱 能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，

能有 地降解水中的有機污染物。例如納米T O ， I Z 既有軟高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，

無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選

擇。

3。 在涂料方面的應(yīng)用 2 納米材料制備的涂層具有特有的優(yōu)異性能。在 涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力， 實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色

等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。已有

美國的研究人員用納米級二氧化錫、二氧化欽、三 就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性， ， 氧化二鉻等與樹脂復合作為靜電屏蔽的徐層; 在標 稱之為量子尺寸效應(yīng)[ 。 ] s 牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到 量子隧道效應(yīng) 電子具有粒子性又具有波動性， 儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻 因此存在隧道效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如 璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光 微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦 的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。納 顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)確立了 現(xiàn)存 微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進 米SIC反是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入 納米 S m ，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強 i 度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將 為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復合 材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。 3。 在生物醫(yī)學 面的應(yīng)用 3 地 磁性納米粒子作為藥濟的載體，在外磁場

一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

3 納米材料的應(yīng)用

3， 在催化 面的應(yīng)用 1 納米微粒作催化劑，是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng) 域之一。納米顆粒具有很高的比表面積，表面的鍵

的引導下集中于病患部位，以提高藥效[ ，使藥 1 0

納米材料的研究及應(yīng)用 物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹

納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更

的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或 修補損傷組織; 使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只 需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和 DNA 診 斷出各種疾病。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的 作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表

加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯 示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技 術(shù)用

于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高 1 0 倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達 放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。 納米科學是一門將基礎(chǔ)科學和應(yīng)用科學集于一 體的新興科學，納米材料被稱為 “ 世紀最有前 1 2

面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高2 0 倍左右，對臨 0 床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。 微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本

性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不 發(fā)生化學反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生

途的 材料”0 ，在世界納米材料與 [’ ] 納米科技取得成

就的同時，也涉及到許多有關(guān)重要的問題有待進行 深入的探索和解決。2 世紀將是納米技術(shù)的時代， 1 納米科學技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影

物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。

納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過

響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，

特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。隨

程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金 屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為 5 一2 nm 的聚 0 合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制

生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使

著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細 化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到 日益廣泛的應(yīng)用

參考文獻

I Sa巧a r a n ya a C，F(xiàn)~ n F H. Th s o ctU e a d Me ha :c PrO 時 e t 團n c n a l 戶-

納米技術(shù)和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利納米材料的研究及應(yīng)用 用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而

了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。 3.4 在環(huán)保方面的應(yīng)用

納米材料的控制污染源方面可起到關(guān)鍵性的作 用。主要體現(xiàn)在它降低能源消耗和有毒物質(zhì)的使 用; 減少水資源消耗; 減少廢物的產(chǎn)生; 治理環(huán)境 污染物及大氣污染。

‘ o Met. Jlic N二 斗 山，Me劫 u目ca Tr田蛇uo們 匯 卜 2， s e f 油 山 歹l 泌‘ 曰 J] 19 9

. A 23A ; 1071 一108 1.

2 白 春禮. 納 米科技 發(fā)展 及其 前景川 科學通報， 1 ， (2 ; 2o0 4 ) 6

0 9 .

3 劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳 . 納米材料的特殊性能及其應(yīng)用; 沈陽

工業(yè)大學學報，2 0 ，2 ( 1 . 0 2 )

4 單志強 . 納米材料特性及其在環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用; 環(huán)保材料.

( 20 5 ) 0 一 4 0 一 . ) ( 2 00 03

3， 在微電子學上的應(yīng)用 5

納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的

5 劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳 . 納米材料的特殊性能及其應(yīng)用; 沈陽

工業(yè)大學學報，20 搶. 2 ( 1) . (

工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開 發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采 集和處理能力的革命性突破，納米電子學

將成為下 世紀信息時代的核心。

3.6 在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

6 都有為 . 化工進展; 1993 (4) ; 21一 24.

7 古宏展 . 化工進展; 1999 (4) ; 5一 7 8 吳鳴 . 首屆全國納米材料應(yīng)用技術(shù)交流會論文集; 11 一11 . 1 4 9 李良訓 . 金山油化纖; 2儀K，第一期. )

10 張立德 . 納米材料的發(fā)展〔 ; 中國科學基金，1994 (3 ，19 J〕 ) 8

一2 2 0

(上接第 37 頁) 兩年來使用效果很好，受到使用單位好評。汽包水

現(xiàn)實意義。

位可改裝成變頻調(diào)速水位控制的臥式快裝鍋爐占福 建省鍋爐總數(shù)的 1 3，約有 3 00 臺。該系統(tǒng)的成功 / 0 應(yīng)用，對中小型企業(yè)推廣鍋爐汽包水位連續(xù) 自動控 制和鍋爐安全運行，在建設(shè)節(jié)約型社會的今天有著

參考文獻

吳忠智等， 變頻器應(yīng)用手冊. 機械工業(yè)出版社， 9 .7. 1， 5 徐炳華等，流體翰送設(shè)備的 自動調(diào)節(jié). 化學工業(yè)出版社，

19 8 . 4 . 2

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