纳米材料的特性及应用——材料
纳米材料的特性以及应用
侯莹200911151020
（北京师范大学化学学院北京100875）
摘要：近些年，随着科技的飞速发展，纳米材料受到了越来越多的关注，也有越来越多的人开始开发以及使用纳米材料。纳米材料具有很多特性：表面与界面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应。纳米材料在很多的领域都得到了广泛的应用——力学，磁学，电学，热学，光学，生物学等方面。
关键词：纳米材料，特性，应用
Abstract: These years, with the rapid development of nanotechnology, nanoscale materials catch more and more attention. More and more people begin to develop and use nanoscale materials. Nanoscale materials have many characteristics: the effect of surface and interface , the effect of small size, the effect of quantum size, the effect of macro quantum tunnel. Nanoscale materials have many wide applications in many fields——mechanics, magnetism, electrical, thermal, optical, biology and so on.
Key words: nanoscale materials, characteristics, application
一、纳米材料的定义：
广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。
二、纳米材料的特性（一）：
（1）表面与界面效应
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
（2）小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
（3）量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
纳米材料的应用：
三、纳米材料的特性（二）：
（1）力学性质
纳米材料的位错密度很低，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。
纳米硅材料具有比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，经表面修饰后，在油田降压增注、三次采油以及水处理中已开始逐步应用，显示出巨大的潜力。纳米硅要在油田得到更广泛的应用，需要研究者很好的了解石油地质等方面的资料，运用纳米表面修饰的机理，进行功能团的结构设计，赋予纳米硅材料多种功能性，通过大量的室内实验与现场应用，为纳米硅材料提供更为广泛的应用空间。
（2）磁学性质
纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。
（3）电学性质
2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。
以CTAB为模板，Co(NO3)2·6H2O和NaOH为原料，空气作为温和氧化剂，室温下合成了具有菜花状分级多孔结构的Co 0 纳米颗粒电极材料，简化了Co。0 的制备方法，获得了优异的超级电容性能。以十六烷基三甲基溴化铵作为模板，通过简单化学沉淀方法，低温下直接合成了花状Co。0 电极材料。所制备的材料具有丰富的多孔结构，最高比容量为250 F／g，经过1 000次循环之后，比容量衰减只有16％，具有良好的循环稳定性。加入的CTAB质量对于Co O 电极材料的比容量也具有重要的调节作用，过多或者过少均不利于电容性能的改善。
（4）热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。
（5）光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中广泛。
对SiO纳米粒子进行硅烷化改性，再将其修饰到滤纸上，制备出静态水接触角>150。的超疏水滤纸，对制备条件进行了优化。用热重分析及扫描电子显微镜对超疏水滤纸表征后发现，二氧化硅纳米粒子在滤纸纤维表面形成一层包裹层，即纳米级粗糙结构，这种结构对滤纸的疏水性具有关键作用。对滤纸的油水分离性能进行了研究，发现其对非均相体系和高粘度油水混合物具有很好的分离效果。
（6）在生物医药方面，纳米技术更是有着独到的地方。
可装载抗癌药紫杉醇的生物可降解水溶性共聚物，可将药物直接注入肿瘤组织中。当温度达到体温时，聚合物所装载的抗癌药将会被释放出来。这一用药机制相比单一的药物治疗对癌细胞的杀伤力更强。这一机制通过构成共聚物的不同的单体块在亲水(俗称“喜水”和疏水(俗称“厌水”)特性上达到纳米级的精确平衡来发挥作用。科研人员通过纳米工程方法还研制出了分子量分布狭窄的共聚物，分子量分布狭窄是使整个样本的特性保持一致的重要因素。
四、纳米材料的主要应用
借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。
（1）特殊性能材料的生产
材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。
另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1 200℃～1 311℃。
复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。
（2）纳米技术在生物医学中的应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。
遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。
纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
（3）新的国防科技革命
纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。
纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米
颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。
（4）其他领域
纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。
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