纳米材料的进展及展望 1．纳米技术的主要基础及其研究发展方向 富有挑战性的21世纪将人类带进了又一个新的关键历史时期。纳米技术作为2ｌ世纪的主导科学技术,将会像20世纪70年代微米技术在世纪之交的信息革命中起的关键作用一样,给人类带来一场前所未有的新的工业革命。近年来,纳米技术正向各个学科领域全面渗透,速度之快,影响面之广,出乎人们的意料之外。纳米技术与传统学科相结合形成的新兴学科包括有纳米电子学、纳米生物学和纳米医学、纳米材料学、纳米机械学、纳米物理学和化学、纳米力学和纳米测量学等学科。这些新兴学科的发展趋势和潜力使我们完全有理由相信,21世纪将会是一个纳米技术的世纪。这个由纳米技术主导的世纪会在不久的将来带给人类新的信息时代、新的生命科学时代、新的医学时代、新的材料科学和制造技术时代。目前,纳米技术的基础和应用研究正在我国兴起,为使我国在这场科学技术的巨大变革中能够赶上世界新技术的发展潮流,与发达国家齐头并进,我国的科技工作者正不断涉入纳米技术的不同研究领域,取得了很多可喜的成果。 其实,纳米就字面来说,只是一种尺度,它和我们所熟悉的米(ｍ)、毫米(ｍｍ)、微米(μｍ)一样都是长度计量单位。1纳米等于10-9米,也就是说,1纳米只有10亿分之一米,百万分之一毫米,和千分之一微米。仅从上述的数字,也许我们不能马上想象出纳米的大小,让我们再进一步来描述一下:1纳米大约是3～4个原子排列在一起的宽度;如果用最小的氢原子来排列的线个氢原子的宽度,人头发的直径大约有6～8万纳米;由此来看,纳米是一个很小很小的长度单位,其意义也仅此计量长度而已,本身并没有任何的“价值”可言。 纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分子创制新物质的技术,是研究尺寸范围在0.1～100ｎｍ之间的物质的组成。这个极其微小的空间,正好是原子和分子的尺寸范围,也是它们相互作用的空间。纳米技术之所以会受到如此的重视,是因为当物质小到纳米的尺度时,由于量子效应、物质的局域性及巨大的表面和界面效应,使物质的很多性能发生质变。如图1所示米乐中国 m6平台官网,不同维度材料的能态密度ρ(Ｅ)会发生明显改变。 图1不同维度材料的结构和能态密度分布Ｅ-ρ(Ｅ) 纳米技术是一门以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,是现代科学(量子力学、分子生物学等)和现代技术(微电子学技术、计算机技术、高分辨显微技术、核分析技术等)结合的产物。它代表着今后人类科学和技术发展的趋势,它也将成为现代高科技和新兴学科发展的基础。 而几乎贯穿于全部纳米技术各个分支学科的扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，因其具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力,在纳米技术的发展中占有着极其重要的地位。SPM的发明及一些先进的加工制备技术的产生,使人们可以越来越多地观察、测量,并进而分析、了解纳米尺度的材料或具有纳米尺度的结构所具有的不同寻常的特性,且将它们投入应用。 从一定程度上讲,纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量表征技术构成为纳米科技发展的三个非常重要的支撑技术。如果将纳米科技比喻为—只鼎,它们就是这只鼎的三个足,奠定整个纳米科技发展的基础,如图2所示。 图2纳米技术的主要基础与重要研究发展方向 2．纳米材料 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,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研究取得了引人注目的成就。例如,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、高效能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件;用作炮弹轨道的耐烧蚀高强度高韧性纳米复合材料,以巨磁电阻为原理的纳米结构器件等。这些研究成果充分显示了它作为国民经济新型支柱产业和在高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家所说的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给各个领域带来一场革命”。 2.1纳米材料的分类 根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计,纳米材料大致可分为零维的纳米粉末(颗粒和原子团簇)(见图3)、一维的纳米纤维(管)(见图4)、二维的纳米膜,三维的纳米块体等。其中纳米粉末开发时间最长,技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础,纳米块体材料是基于其他低维材料所构成的致密或非致密固体。 图3零维的纳米材料粒子(图中为PbS纳米粒子) 图4一维纳米阵列 纳米材料所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。20世纪90年代以来,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。 2.2纳米粉末 纳米粉末,一般指粒度在100ｎｍ以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料,包括结晶和非晶材料。纳米粉末按组成可分为无机纳米微粒、有机纳米微粒和有机/无机复合微粒。无机纳米微粒包括金属与非金属(半导体/陶瓷、铁氧体等),有机纳米微粒主要是高分子和纳米药物。纳米颗粒的基本特征主要有表面效应和体积效应。表面效应指的是随着线度的减小,颗粒的比表面增大,表面能也随之增大,如表1所示。体积效应主要表现为小尺寸效应、量子化效应和宏观量子隧道效应。表1表面原子数与总原子数之比和粒径的关系粒径/ｎｍ1251020100总原子数/个3025040003×10425×1043×107表面原子数/总原子数(%)纳米粉末是纳米体系的典型代表,一般为球形或类球形(与制备方法密切相关),它属于超微粒子范围(1～1000ｎｍ);由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效应等原因,它具有不同于常规固体的新特性,也有异于传统材料科学中的尺寸效应。纳米粒子既不同于微观原子、分子团簇,又不同于宏观体相材料,是介于团簇和体相之间的特殊状态,既具有宏观体相的元胞和键合结构,又具备块体所没有的崭新的物理化学性能,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相比有显著的不同,从而使它在催化、粉末冶金、燃料、磁记录、涂料、传热、雷达波吸收、光吸收、光电转换、气敏传感等方面有巨大的应用前景,可作为高密度磁记录材料、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、人体修复材料及抗癌制剂等。 超细粉末在日本、美国等国家已经实现了产业化,创造了很高的经济效益和社会效益。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体,预计将给彩色印刷带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量,在未来市场上占有重要的份额。我国在超细粉末的研究与发达国家相比,差距很大,还有很长一段路要走。全国约有近30家企业从事纳米材料的生产,这些厂家均具有了一定规模的生产能力。纳米制备技术有溶胶凝胶法、直流伸展弧等离子体法、液相水解法、均匀沉淀法等。目前我国国内自主生产的纳米粉体主要包括:纳米TiO2,SiO2,Al2O3,SiC,CaCO3,Fe3O4,Fe2O3和金属粉等。 纳米材料是国际材料界研究的热点，它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次，即从微米级层次进入到纳米米乐中国 m6平台官网级层次。鉴于纳米材料是节能，低耗和技术密集型的新技术，发展纳米科技的投入产出比可能高于其它高科技项目。因此应在政策、财力、物力和人力给予大力支持，让纳米技术尽快实现产业化。
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