纳米材料研究现状

纳米材料特性及研究现状

1 纳米材料的简介

纳米，实际上是一个长度单位，1纳米（nm）=1000000000米。纳米材料，纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成,是指材料至少有一个维度小于100纳米，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域[1]。纳米材料其实并不神秘和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。

纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料[2]。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。

1.1纳米材料按结构分类

零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等；一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线纳米管；二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜；三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性[3]。

2 纳米材料的奇特性质

由于尺寸的特殊性，纳米材料具有特定的物理效应，使其展现出不同于体相材料的特殊的物理性能和化学性能，特别是具有新颖的物理性能[4]，使纳米材料具有广泛的应用前景。纳米材料一般具有如下四大物理效应：

2.1 小尺寸效应

当纳米颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现出小尺寸效应[5]。例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向无序态，超导相向正常态的转变；声子谱发生改变等。

2.2 表面效应

由比表面积及表面原子数的增加而引起的特殊效应成为表面效应[6]。

纳米微粒尺寸小，表面面积大，位于表面的原子占很大的比例。随着粒径减

小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。如粒径为4 nm的微粒，包含4000个原子，表面原子占40；粒径为1 nm的微粒，包含30个原子，表面原子占99。随着粒径的减小，表面原子所占比例迅速增大，这是由于粒径小使表面原子增多所致。例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m粒径为5 nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2 nm，比表面积增至450m2/g。这样高比例的比表面积，使处于表面的原子数很多，增大了纳米粒子的活性。这种表面原子的活性，不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面原子自旋构像和电子能谱的变化。

2.3 量子尺寸效应

当金属或半导体粒子从三维减小到零维时，载流子(电子、空穴)在各个方向均受限制。当粒子尺寸下降到接近或小于某一值(激子玻尔半径)时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象[7]。纳米微粒中所含原子数有限，这就导致能级间距发生分裂。纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。由于量子尺寸效应的存在从而使纳米材料具有许多新颖的物理化学性质，如非线性光学性质和特异催化性质等。

2.4 宏观量子隧道效应

量子物理中把粒子能够穿过比它动能更高势垒的物理现象称为隧道效应。这种量子隧道效应即微观体系借助于一个经典被禁阻路径从一个状态改变到另一个状态的通道，在宏观体系中当满足一定条件时也可能存在。人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25um。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

3纳米材料的制备方法简介

纳米材料从制备手段来分，可归纳为化学方法和物理方法。下面介绍一些较为成熟的纳米材料制备方法。

3.1 化学方法

3.1.1 溶胶—凝胶法

该方法利用金属醇盐或无机盐类的水解或者聚合反应形成均匀溶胶，再使溶质聚合浓缩成透明凝胶，经过凝胶干燥、热处理等可以得到氧化物、金属单质等纳米材料[8]。溶胶一凝胶法制备纳米粉体的工作始于20世纪60年代，可以制备一系列纳米氧化物、复合氧化物、金属单质及金属薄膜等。近年来，用此法制备纳米微粒、纳米薄膜、纳米复合材料及纳米矩阵等的报道很多。此法的优点有:粒度小、制品纯、温度低(可以比传统方法低400-500℃，过程易控制;从同一原

料开始，改变工艺过程可获得不同的制品;制品粒径小、颗粒分布均匀、团聚少、介电性能较好。但是采用金属醇盐作为原料，成本高，

排放物对环境有污染。

3.1.2 化学气相沉积法

化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法[9]。该种方法是利用气态物质在一定温度、压力下，在固体表面进行反应，生成固态沉积物，沉积物首先是纳米粒子，然后形成薄膜。该种方法已广泛用于提纯物质，研制新晶体，沉积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。此法所得产品纯度高、粒度分布窄，但设备和原料要求高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积(MOCVD)、热丝化学气相沉积(HTCVD)、等离子体辅助化学气相沉积门(PACVD)、等离子体增强化学气相沉积((PECVD)及激光诱导化学气相沉积(LICVD)等技术。

3.1.3 溶剂热法

溶剂热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质通过溶解或反应生成该物质的溶解产物，并达到一定的过饱和度而进行结晶和生长的方法[10]。

3.1.3 固相法

固相法是指利用机械粉碎、电火花爆炸、高能机械球磨等方法来制备纳米粉体。其中，高能机械球磨法是近年来发展起来的一种方法，它无需从外部供给热能。在干燥环境中进行高能球磨，使大晶粒变为小晶粒。固相法除了用来制备单质金属纳米材料外，还可以通过颗粒间的固相反应直接合成纳米陶瓷粉复合材料

[11]。固相法虽具有操作简单、成本较低等优点，但易引入杂质，使产品纯度降低，颗粒分布也不均匀。固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法以及球磨法等。

3.2 物理方法

早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法等等。近年来发展了一些新的物理方法，这些方法我们统称为物理凝聚法，物理凝聚法主要分为

3.2.1真空蒸发靛聚法

将原料用电弧高频或等离子体等加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷，使之凝结成纳米微粒[12]。其粒径可通过改变通入惰性气体的种类、压力、蒸发速率等加以控制，粒径可达1—100nm 。具体过程是将待蒸发的材料放人容器中的

柑锅中，先抽到410Pa 或更高的真空度，然后注人少量的惰性气体或性2N 、3

NH 等载气，使之形成一定的真空条件，此时加热，使原料蒸发成蒸气而凝聚在温度较低的钟罩壁上，形成纳米微粒。

3.2.2等离子体蒸发凝聚法

把一种或多种固体颗粒注人惰性气体的等离子体中，使之通过等离子体之间时完全蒸发，通过骤冷装置使蒸气奴聚制得纳米微粒[13]。通常用于制备含有高熔点金属合金的纳米微粒，如Fe-A1 ， Nb- Si 等。此法常以等离子体作为连续反应器制备纳米微粒。

综上所述，物理方法通常采用光、电等技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，

然后使原子或分子形成纳米颗粒，它还包括球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术[14]。物理法的特点是：操作简单，成本低，但产品纯度不高，颗粒分布不均匀，形状难以控制。

3.3 纳米材料的表征手段

纳米材料的表征手段很多，许多新表征方法相继出现，这对纳米材料科学的发展起到了推进作用。按照各种测试手段的研究侧重点，可将它们分为以下几个类型。

3.3.1粒度分析

由于粉体材料的颗粒大小分布较广，可以分为纳米颗粒、超微颗粒、微粒、细粒、粗粒等类型。依据这些颗粒的种类可以采用相应的粒度分析方法和仪器。传统的颗粒测量方法有筛选法、显微镜法、沉降法、电感应法等[15]。近年来发展的方法有激光衍射法、激光散射法、光子相干光谱法、电子显微镜图像分析法、基于颗粒布朗运动的粒度测量法及质谱法等。其中，激光散射法和光子相干光谱法由于具有速度快、测量范围广、数据可靠、重复性好、自动化程度高以及便于在线测量等优点而被广泛应用。扫描电镜和透射电子显微镜常用于直接观察大小在1 nm~5um范围内的颗粒，适合纳米材料的粒度大小和形貌分析。激光动态光散射粒度分析法和光子相关光谱分析法，测量颗粒最小粒径可以达到20 nm和1 nm。

3.3.2 形貌分析

材料的形貌尤其是纳米材料的形貌是材料分析的重要组成部分，材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。纳米材料常用的形貌分析方法有:扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描隧道显微镜((S TM)和原子力显微镜(AFM)。其中扫描电子显微镜和透射电子显微镜形貌分析不仅可以分析纳米粉体材料，还可以分析块体材料的形貌[16]。其提供的信息主要有材料的几何形貌、粉体的分散状态、纳米颗粒大小及分布、特定形貌区域的元素组成和物相结构。扫描电镜对样品的要求比较低，无论是粉体材料还是大块样品，均可以直接观察。透射电镜具有很高的空间分辨能力，特别适合纳米粉体材料的分析，但颗粒大小应小于300 nm，否则电子束就不能透过了。扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析，可以达到原子量级的分辨率，仅适合具有导电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构的分布分析。原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率可以达到几十纳米，比扫描隧道显微镜差，但适合导体和非导体样品，不适合纳米粉体的形貌分析。

3.3.3成分分析

纳米材料的光、电、热、磁等物理性能与组成纳米材料的化学成分和结构具有密切的关系。因此，确定纳米材料的元素组成，测定纳米材料中杂质的种类和浓度是非常重要的。X光电子能谱(XPS)可以分析材料表面的化学组分、原子价态和化学键的有关信息。等离子体光谱((ICP)测试仪可对样品进行化学组成和含量分析。此外还有电子探针微区分析法(EPMA)，俄歇电子能谱(AES)原子发射光谱(AAS)等。除上述表征方法外，ESR分析、DSC分析、热重分析、X光显微技术、X射线微探针分析、固体核磁共振、单晶X射线测量等[17]可根据具体需要作适宜选取，同时采用多种方法互相补充。

3.3.4 结构分析

人们己经了解到，不仅纳米材料的成分和形貌对其性能有重要影响，纳米材

料的物相结构和晶体结构对材料的性能也有着重要的作用。物相结构分析的目的是精确表征晶粒的尺寸、分布和形貌;晶界和相界面的本质;晶体的完整性和晶间缺陷;跨晶粒和跨晶界的组成和分布;微晶及晶界中杂质的剖析等。紫外一可见光谱(UV-Vis)可观察能级结构的变化，通过吸收峰位置变化可以考察能级的变化[18]。光声光谱主要是通过吸收峰位移提供带隙位移及能量变化信息。拉曼(Raman)光谱则可揭示材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面信息[19]。根据纳米固体材料的拉曼光谱进行计算，可望能够得到纳米表面原子的具体位置。广延X一射线吸收精细结构光谱(EXAF S)提供X一射线吸收边界之外所发射的精细光谱，该法己成为分析缺少长程有序体系的有效表征手段，它能获取有关配位原子种类、配位数、键长、原子间距等吸收X-射线的有关原子化学环境方面的信息[20]。傅立叶变换远红外光谱(F T-far-IR)可检验金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位等化学环境情况及变化，而红外、远红外分析精细结构也很有效[21]。高分辨X一射线粉末衍射能够获取有关单晶胞内相关物质的元素组成比、尺寸、粒子间距与键长等纳米材料的精细结构方面的数据与信息。穆斯堡尔谱学物质的原子核与其核外环境(指核外电子、邻近原子以及晶体等)之间存在细微的相互作用，从而出现超精细相互作用。穆斯堡尔谱学是提供这种微观结构信息的有效手段，它对铁磁材料超精细相互作用的测定具有很高的分辨本领。

4 国内外研究现状

1980年代以后，纳米材料的研究迅速发展这个过程分类方法有很多，按内容特点有3个阶段:第一阶段，1991)年之前为止，只是探索制造各种材料纳米粒粉，探索纳米才料不同于传统材料的特殊的性能纳米粒子和纳米块结构的研究，是朋年代末开始的研究对象一般只停留在单一材料和单相材料纳米晶一般都指的是这类材料第2阶段是1991年到1999年，人们已经把焦点转移到纳米材料的物理、化学、机械性能，从而开发纳米复合材料纳米复合材料是将不同纳米粒子之间或者和传统材料复合，并发展到复合纳米膜层探究纳米复合材料合成的方法已经成为这个阶段的主导第三阶段，自1991年以来人工组装的纳米结构材料的合成系统越来越受到关心、新焦点国际上称这种材料为纳米组装材料。

纳米研究的第1阶段到第3阶段，从颗粒到纳米管，纳米材料的研究，再到组装纳米材料与此同时，在基础研究和应用研究并行发展的新的情况下，纳米材料的应用成为了科学家们关注的焦点迄今为止，研究系统设计、组装纳米粒子和高性能纳米结构材料的合成与性改，改进了传统材料和涂层材料，对纳米颗粒性改与表面涂层的研究取得了惊人的进步，应用前景更加扩大

经过1. 2两个阶段的研究发现，纳米材料的新特性对传统工业材料及其它产品都有重要的影响日本、美国和西欧实验室的结果表明，纳米材料已经进入了批量生产初步统计，20多个国际纳米材料公司生产制造销售粉体高技术的陶器纳米功能改性材料和涂料备技术已经得到了环保、医药和能源方面的应用自1991年以来，纳米材料及相关产品产生的市场经济效应每年增长25%。纳米材料制备方法还有技术研究重要发展方向趋势是加强控制其成型过程这其中包括对颗粒尺寸、粒子形状、表面形貌、微观结构的控制因为纳米粒子的小尺寸效果、表面效果同时和量子尺寸效应，与此同时，这些材料将采取什么样的性能，贡献为量的多少，往往很难区分的损益的影响，并不像想象中那么容易判断不仅如此，他还向解释这种现象，但很难也遇到了困难，扩大设计新型纳米结构材料如何管制

影响纳米材料的性质控制的问题是工学研究迫在眉睫

近年来，国际纳米材料，主要研究控制形成过程几个方面:一通过改性纳米表面物质和异性沉积层表面，来改变表面电子状态、表面结构和粗糙度;二是纳米颗粒在多空隙基体中分布状况进行控制量子尺寸效果和渗流效果;三是通过设计纳米丝、软管等阵列系统获得必要的特性。

5 纳米材料的应用

5.1 在陶瓷领域的应用

纳米添加使常规陶瓷的综合性能得到改善，纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能，抗弯强度、断裂韧性均有显著提高。把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合已获得高韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低100℃。我国已成功地制备了纳米陶瓷粉体材料，其中氧化锆、碳化硅、氧化铝、氧化铁等制备工艺稳定，生产量大，已为规模生产提供了良好的条件。

5.2催化方面的应用

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2、Fe2O3，CdS，ZnS，PbS，PbSe，等。主要用处：将在这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米TiO2 粒子表面用Cu+，Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用情景。

5.3 在光学方面的应用。

①红外反射材料：纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯、碘弧灯都要求强照明，但电能的69％转化为红外线，仅有一少部分电能转化为光能来照明。用纳米SiO2和纳米TiO2 微粒制成多层干涉膜，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力；②优异的光吸收材料：纳米Al2O3粉体对250 nm 以下的紫外光有很强的吸收能力，可用于提高日光灯管使用寿命。一般地，185 nm 的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的紫外线纳米微粒与树脂结合可用于紫外吸收。大气中的紫外线主要是在300－400 nm 波段，防晒油、化妆品中加入纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3 可吸收大气中的紫外线。塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300－400 nm 范围有较强的紫外吸收性能，这样就可以防止塑料老化。汽车、舰船的面漆中，加入能强烈吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆，防止油漆脱落的作用。

5.4 在静电屏蔽方面的应用

纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用。具有半导体特性的纳米氧化粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到良好的静电屏

蔽作用。日本已研制成功具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO 等。同时纳米微粒的颜色不同，TiO2，SiO2 纳米粒子为白色，Cr2O3 为绿色，Fe2O3 为褐色，这样还可以控制静电屏蔽涂料的颜色。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。化纤衣服和化纤地毯由于静电效应，容易吸附灰尘，危害人体健康。在其中加入少量金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低，同时还有除味杀菌的作用。

5.5 在医药方面的应用

控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，是健康医学的要求。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离；用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。

总结

纳米材料将在众多方面改变人类的生产和生活。过去几年，纳米材料已经发展了几十亿美元的市场。基础性的新现象和新过程孕育了全新的、高附加值的技术。纳米科学和技术的基础研究和基本设施的投资肯定会有极高的经济和社会回报。

预计纳米材料总的社会影响将大于硅集成电路，因为它可以被应用到许多领域。在纳米尺度上进行控制意味着在定义物理、化学和生物特性及现象的尺度上对基本的特性、现象和过程进行精确地设计[26]，因此纳米材料具有改变几乎每一种人造物性质的潜能。然而，当了解纳米材料在未来几十年里可能产生一场工业革命的同时，也应认识到纳米技术的基本发现和发明，以及最终生产所面临的挑战也是非常巨大的。纳米尺度的新研究方法、新科学理论和不同的制作模式将是纳米材料研究的关键。

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(完整版)纳米抗菌材料国内外研究现状

1.国内外研究现状和发展趋势 （1）多尺度杂化纳米抗菌材料的国内外研究进展 Ag+、Zn2+和Cu2+等金属离子具有抗菌活性，且毒性小、安全性高而被广泛用作抗菌剂使用。但是，由于其存在易变色、抗菌谱窄、长效性差、耐热性和稳定性不好等缺点而成为其进一步发展的障碍。相比而言，纳米银、纳米金、纳米铜、纳米氧化锌等纳米材料则可以在一定程度上克服这些问题。例如纳米银，在抗菌长效性和变色性方面均比银离子（多孔纳米材料负载银离子）抗菌剂有显著改善，而且其毒性也更低（Adv. Mater. 2010）；关于其抗菌机理，被认为是纳米银释放出银离子而产生抗菌效果（Chem. Mater 2010，ACS Nano 2010）。纳米金也有类似的效果（Adv. Mater. Res.2012），尽管活性比纳米银稍差，但其对耐药菌株表现出良好的抗菌活性(Biomaterials 2012)。铜系抗菌材料可阻止“超级细菌”（NDM-1）的传播（Lancet Infec.Dis. 2010）。活性氧化物是使用时间最长、使用面最广泛的一类长效抗菌剂，其中氧化锌是典型代表，特别是近年来随着纳米技术的发展，一系列低维结构氧化锌的出现，为氧化锌系抗菌材料提供了极大的发展空间，由于其良好的安全性，氧化锌甚至可用于牙科等口腔材料（Wiley Znter Sci.，2010）。本项目相关课题组多年的研究发现，ZnO的形貌差异、结构缺陷和极化率等都会影响其抗菌活性（Phys. Chem. Chem. Phys. 2008）；锌离子还可以与多种成分杂化，产生协同抗菌活性而提高其抗菌性能（Chin. J. Chem. 2008, J. Rare Earths 2011）。 利用杂化纳米材料结构耦合所带来的协同作用提高纳米材料的抗菌活性是近年来的研究热点。例如：纳米铜与石墨烯杂化体系中存在显著的协同抗菌作用（ACS Nano2010）。用络氨酸辅助制备的Ag-ZnO杂化纳米材料，表现出良好的抗菌和光催化性能（Nanotechnology 2008）；但是Ag的沉积量过大，催化活性反而有所降低（J. Hazard. Mater. 2011）。以壳聚糖为媒质，通过静电作用合成得到均匀的ZnO/Ag纳米杂化结构，结果显示，ZnO/Ag纳米杂化结构比单独的ZnO 和单独纳米Ag的抗菌活性都高，表现出明显的协同抗菌作用（RSC Adv. 2012）。Akhavan等用直接等离子体增强化学气相沉积技术，结合溶胶-凝胶技术把锐钛

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

纳米材料的研究进展及其应用全解

纳米材料的研究进展及其应用 姓名：李若木 学号：115104000462 学院：电光院

1、纳米材料 1.1纳米材料的概念 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。 1.2纳米材料的发展 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

2、纳米材料：石墨烯 2.1石墨烯的概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。 另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

纳米复合材料最新研究进展与发展趋势

智能复合材料最新研究进展与发展趋势 1.绪论 智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴，通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。 在一般工程结构领域，智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性，来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域，智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域，智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果，航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物（FRP）与光纤光栅（OFBG）复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中，可以有效地检测混凝土的裂纹和强度，而且它可以根据需要加工成任意尺寸，十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状，同时展望了其应用前景。 2.形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymer）智能复合材料的研究 形状记忆聚合物（SMP）是通过对聚合物进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200％，是可变形飞行器

纳米材料的发展及研究现状

纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单

元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法

纳米材料研究现状及应用前景要点

纳米材料研究现状及应用前景 摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。 关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言 自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体( 零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等) 、纳米纤维( 一维纳米材料) 、纳米薄膜( 二维纳米材料) 、纳米块体( 三维纳米材料) 、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤( 未来量子计算机与光子计算机的重要元件) 材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合( 0- 0 复合) 、纳米微粒与常规块体复合( 0- 3复

纳米材料研究进展

2011年第4期甘肃石油和化工2011年12月 纳米材料研究进展 李彦菊1，高飞2 （1.河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050018； 2.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄050000） 摘要：纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。综述了纳米材料 的分类、特性以及应用领域。 关键词：纳米材料；功能材料；复合材料 1前言 纳米（nm）是一个极小的长度单位，1nm=10-9m。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100nm 这个范围空间，物质的性能就会发生突变，呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。纳米技术正是利用纳米粒子这些特性实现其在各行各业中的特殊应用［1，2］。纳米技术和纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识，纳米科学与技术被认为是21世纪的三大科技之一。目前世界各国都对纳米材料和纳米科技高度重视，纷纷在基础研究和应用研究领域对其进行前瞻性的部署，旨在占领战略制高点，提升未来10～20年在国际上的竞争地位。我国政府对纳米科技十分重视，先进的纳米产业正在蓬勃发展［3，4］。 2纳米材料的分类 以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1～100nm［5］。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言，纳米材料是指在3维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数［6］，纳米材料的基本单元可以分为3类：①0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； ③2维，指在3维空间中有1维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。按化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料［7，8］。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的［9，10］。 3纳米材料的特性［11，12］ 3.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面体 收稿日期：2011-07-05 作者简介：李彦菊（1981-），女，河北廊坊人，硕士，已发表论文10余篇，其中SCI2篇。主要从事纳米材料的研究工作。8

纳米材料国内外研究进展

纳米材料国内外研究进展 一、前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)[1]。自20世纪80年代初, 德国科学家 Gleiter[2]提出“纳米晶体材料”的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒)，一维材料(直径为纳米量级的纤维)，二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)[3]。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域。 二、国内外研究现状 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料, 同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议, 使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议, 标志着纳米科技的正式诞生；l994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。近年来，世界各国先后对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列人近期高科技开发项目。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元，2005年预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一[4]。 自70年代纳米颗粒材料问世以来，80年代中期在实验室合成了纳米块体材料, 至今已有 30多年的历史, 但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80年代中期以后。因此 ,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段[5]。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人

金属纳米材料研究进展

高等物理化学 学生姓名：聂荣健 学号：…………….. 学院：化工学院 专业：应用化学 指导教师：………….

金属氧化物纳米材料研究进展 应用化学专业聂荣健学号：……指导老师：…… 摘要:综述了近年来金属氧化物纳米材料水热合成方法的研究进展，简要阐述了金属氧化物纳米材料的应用，对其今后的研究发展方向进行了展望。 关键词: 纳米材料水热合成金属氧化物

Research progress of metal oxide nanomaterials Name Rongjian Nie Abstract: This article reviews the recent progress in hydrothermal synthesis of metal oxide nanomaterials. The application progress of metal oxide nanomaterials is briefly describrd．The future research directions are prospected. Keywords: nanomaterials; hydrothermal; metal oxides ;

引言 纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向，近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。作为纳米材料的一个方面，金属氧化物纳米材料在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色。 1.纳米材料简介 1.1 纳米材料概述 纳米是长度的度量单位，1纳米=10-9米，1纳米大约为10个氢原子并排起来的长度，仅仅相当于一根头发丝直径的0.1%。纳米材料则是在纳米量级（lnm-100nm)内调控物质结构所制成的具有特殊功能的新材料，其三维尺寸中至少有一维小于100nm，且性质不同于一般的块体材料。 纳米材料是指在三维尺度上至少存在一维处于纳米量级或者由它们作为基本单元所构成的材料，一般将纳米材料分为零维、一维以及二维纳米材料: (1)零维纳米材料，是指在空间三维尺度上都处于纳米量级的纳米材料，如纳米球，纳米颗粒等； (2)一维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有两维处于纳米量级，而第三维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米棒、纳米管、纳米线/丝等； (3)二维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有一维处于纳米量级，而其他两维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米片，纳米薄膜等。 1.2纳米粒子基本效应的研究 纳米粒子是尺寸为1-100nm的超细粒子。纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着粒径的减小而急剧增大，显示出强烈的体积效应(即小尺寸效应)、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。 1.2.1 量子尺寸效应[1] 当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明:金属纳米粒子所包含的原子数有限，能级间距发生分裂。当此能级间隔大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体有显著的不同。 1.2.2 体积效应[2] 由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子的尺寸与德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米粒子的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的体积效应。例如：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加；声子谱发生改变；强磁性纳米粒子(Fe-Co合金，氧化铁等)尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变[3]。 1.2.3 表面效应[4] 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧增大后引起的性质上改变。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，粒子的表面张力和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米粒子表面输运和构型的变化，也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。

纳米材料研究现状复习课程

纳米材料研究现状

纳米材料特性及研究现状 1 纳米材料的简介 纳米，实际上是一个长度单位，1纳米（nm）=1000000000米。纳米材料，纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成,是指材料至少有一个维度小于100纳米，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域[1]。纳米材料其实并不神秘和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。 纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料[2]。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。 1.1纳米材料按结构分类 零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等；一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线纳米管；二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜；三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要

特征是具有巨大的颗粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性[3]。 2 纳米材料的奇特性质 由于尺寸的特殊性，纳米材料具有特定的物理效应，使其展现出不同于体相材料的特殊的物理性能和化学性能，特别是具有新颖的物理性能[4]，使纳米材料具有广泛的应用前景。纳米材料一般具有如下四大物理效应： 2.1 小尺寸效应 当纳米颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现出小尺寸效应[5]。例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向无序态，超导相向正常态的转变；声子谱发生改变等。 2.2 表面效应 由比表面积及表面原子数的增加而引起的特殊效应成为表面效应[6]。 纳米微粒尺寸小，表面面积大，位于表面的原子占很大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。如粒径为4 nm的微粒，包含4000个原子，表面原子占40；粒径为1 nm的微粒，包含30个原子，表面原子占99。随着粒径的减小，表面原子所占比例迅速增大，这是由于粒径小使表面原子增多所致。例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m粒径为5 nm 时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2 nm，比表面积增至450m2/g。这样高比例的比表面积，使处于表面的原子数很多，增大了纳米粒子的活性。这种表

纳米技术的发展历程及现状

纳米技术的发展历程及现状 纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。它是在0.10～100纳米（即十亿分之一米）尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。由于纳米技术将最终使人类能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制，所以被认为是对21世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一门热点学科，被世界各国列为21世纪的关键技术之一，并投入大量的人力物力进行研究开发。 纳米技术的思想是1959年美国物理学家费曼（Feynman R.P.）提出。到了70年代后半期，有人倡导发展纳米技术，但是当时多数主流科学家对此仍持怀疑态度。在70年代中期到80年代后期，不少科学家相继在实验室制备得到纳米尺寸的材料，并发现这种材料具有不少奇妙特性。1990年，当国际商用机器公司（IBM）的科学家运用扫描隧道显微镜将氙原子拼成了该公司商标\"IBM\"，这是第一次公开证实在原子水平有可能以单个原子精确生产物质，纳米技术开始成为媒体关注的热点。1990年7月，在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科技大会，标志着纳米科技的正式诞生。 纳米科技主要包括纳米生物学、纳米机械学、纳米电子学、纳米材料学以及原子、分子操纵和纳米制造等很多领域。扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）在其中起着重要作用。 21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。英特尔、IBM、SONY、夏普、东芝、丰田、三菱、日立、富士、NEC等具有国际影响的大型企业集团纷纷投入巨资开发自己的纳米技术，并到得了令世人瞩目的研究成果。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。 目前纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于过于效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出，纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见细。 我国纳米材料研究始于20世纪80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。此后，国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，国家863计划、973计划新材料领域也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。其中，863计划纳米材料与微机电系统重大专项于2002年正式启动。2002年重大专项以市场、应用和国家重大战略需求为导向，面向和促进产业化为重点，针对国际纳米材料技术发展趋势，并结合我国国情，在有相对优势和战略必争的关键领域，如纳米信息材料及器件的集成

磁性纳米材料的研究进展

磁性纳米材料的研究进展 Progress of magnetic nanoparticles 李恒谦﹡贾雪珂李艳周康佳 （合肥工业大学，安徽宣城） （Hefei University of Technology, Xuancheng, Anhui, China) 摘要：纳米技术是近年来发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的科学领域。而磁性纳米材料因其优异的磁学性能，也逐渐发挥出越来越大的作用。随着科学工作者在制备、应用领域的拓展逐渐深入，也使得纳米材料的外形、尺寸的控制日趋完善。因此，磁性纳米材料在机械、电子、化学和生物学等领域有着广泛的应用前景。文章综述磁性纳米材料的制备方法、性能及其近年来在不同领域的应用状况。 关键词：磁性；纳米；制备；性能；应用 Abstract: Nanotechnology is developed in recent years as a kind of science with wide coverage and multidisciplinary. Magnetic nanoparticles also play an increasing role due to its excellent magnetic properties．As scientists research take them deeper along the aspects of synthesis and application．the control of shape and dimensions of magnetic nanoparticles has become more mature．Therefore, magnetic nanoparticles have wide application propects in machinery, electronics, chemistry, biology, etc. In this paper，the synthesis method is discussed, the character is mentioned and the application of magnetic nanoparticles is summarized． Keywords：magnetic；nanoparticles；synthesis；character; application 1.引言 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。 纳米表征技术是高新材料基础理论研究与实际应用交叉融合的技术。对我国高新材料产业的发展有着重要的推动作用，其在全国更广泛的推广应用，能加速我国高新材料研究的进程，为我国高新技术产业的发展作出更大的贡献。在纳米表征技术下，磁性纳米材料的应用日显勃勃生机。例如磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体。 磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域。在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响。并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。特别是能源，人类健康和环境保护等重大问题。下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。已出现可喜的苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点的基础。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 2.制备 在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性微粒的仅有少数几种，主要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4(M为Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕

金属镍纳米材料研究进展

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金属镍纳米材料研究进展 作者：张磊， 葛洪良， 钟敏， ZHANG Lei， GE Hongliang， ZHONG Min 作者单位：浙江省磁性材料实验基地中国计量学院材料学院纳米材料化学制备室,杭州,310018 刊名： 材料导报 英文刊名：MATERIALS REVIEW 年，卷(期)：2008,22(z1) 参考文献(32条) 1.Zeng H;Li J;Liu J P Exchange-coupled nanocomposite magnets via nanoparticle self-assembly 2002 2.Xiao Y;Patolsky F;Katz E Plugging into enzymes:Nanowiring of redox enzymes by a gold nanoparticle 2003 3.Xia Y;Yang P;Sun Y One-dimensional nanostructures:synthesis,characterization,and applications 2003 4.Gudiksen M S;Lauhon L J;Wang J F Growth of nanowire superlattice structure for mnoscale photonics and electronics 2002 5.Chu S Z;Wada K Fabrication and characteristics of ordered Ni nanostructures on glass by anodization and direct current electrodeposition[外文期刊] 2002(11) 6.谈玲华;李勤华;杨毅纳米镍粉的制备及其催化性能研究[期刊论文]-固体火箭技术 2004(03) 7.葛秀涛;焦健;肖建平常温常压下吡咯及其衍生物的镍催化加氢反应考察[期刊论文]-化学物理学报 2001(02) 8.Glerter H Nanocrystalline materials 1989(04) 9.魏智强;温贤伦;王君工艺参数对阳极弧放电等离子体制备镍纳米粉的影响[期刊论文]-稀有金属材料与工程2004(03) 10.左东华;张志琨;崔作林纳米镍在硝基苯加氢中催化性能的研究 1995(04) 11.屈子梅羰基法生产纳米镍粉[期刊论文]-粉末冶金工业 2003(05) 12.Eckert J;Holzer J C;Krill C E Structural and thermody-namic properties of nanocrystalline fcc metals prepared by mechenical attrition 1992 13.韦钦;刘雄飞;曹建纳米Ni的制备与微观结构的研究 1994(01) 14.Baburaj E G;Hubert K T;Fores F H S Preparation of Ni powder by mechanoehemical process 1997 15.Tepper F Nanosize powders produced by electro-explosion of wire and their potential applications [外文期刊] 2000(04) 16.Chatterjee A Chakravorty n Preparation of nickel nanoparticles by metalorganic route 1992(01) 17.高宝娇;高建峰;周加其超微镍粉的微乳液法制备研究[期刊论文]-无机化学学报 2001(04) 18.Ni Xiaomin;Su Xiaobo;Yang Zhiping The preparation of nickel nanorods in water-in-oil microemulsion[外文期刊] 2003(4) 19.Liu Z P;Li S;Yang Y Complex-surfactant-assisted hydrothermal route to ferromagnetic nickel nanobelts[外文期刊] 2003(22) 20.Niu H L;Chan Q W;Ning M Synthesis and one-dimensional self-assembly of acicular nickel nanocrystallites under magnetic fields 2004 21.Liu Qi;Liu Hongiiang;Han Min Nanometer-sized nickel hollow spheres[外文期刊] 2005(16) 22.Wang Xuewei Size-dependent orientation growth of large area ordered Ni nanowire arrays 2005 23.Mock J J;Oldenburg S J;Smith D R Composite pias mon resonant nanowires 2002