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纳米材料的特性及应用

纳米材料的特性及应用

摘要

系统阐述了纳米材料的特性,并重点介绍了纳米材料在陶瓷领域,医学上,皮革制品上,环境保护等方面的应用。并对纳米材料未来的应用前景进行了展望。

关键词:纳米材料特性应用

前言

纳米,是一个物理学上的度量单位,1纳米是1米的十亿分之一,相当于万分之一头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后,大约是在1-100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料即为纳米材料[1]。纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,即接近于分子或原子的临界状态。

在纳米材料中,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷,和其他固体

材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料从根本上改变了材料的结构,使得它成为当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[2]。

近年来,纳米材料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[3]。充分显示了纳米材料在高技术领域应用的巨大应用潜力。

纳米材料诞生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年代后,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,基础研究和应用研究都取得了重要的进展。世界许多国家都将纳米科学技术的研究和发展作为一项重要的国家项目,加大投资力度。这也说明了纳米材料的研究仍然是将来最有发展前途的科研领域。

1 纳米材料的性质

纳米材料晶粒极小,表面积特大,在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态材料表面原子所占的百分数,导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊基本性质,如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等,从而使纳米材料具

有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的蓝移或红移现象等[3]。除上述的基本特性,纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质。

1.1 纳米材料的体积效应

当纳米材料的颗粒尺寸与光波波长、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改变,无论是否是非晶态的纳米颗粒,其颗粒表面层附近的原子密度减小,结果是导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现出与普通非纳米材料不同的新的效应。这些小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域[4]。

1.2纳米材料的表面效应

表面效应是指纳米粒子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。如当粒径降至10 nm时,表面原子所占的比例为20%,而粒径为1 nm时,几乎全部原子都集中在粒子的表面,纳米晶粒粒径的减小结果导致其表面积、表面能的增大,并具有不饱和性质,表现出很高的化学活性[5]。

1.3纳米材料的量子尺寸效应

当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级;并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的

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