納米材料科學(xué)簡介

杜亞冰，花春飛

（河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467000）

納米（nanometer），是一種長度單位，一納米等于十億分之一米，大約是三四個原子排列起來的寬度。納米材料又稱超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子一般是指尺寸在 1～100 nm間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米科學(xué)技術(shù)（nano－tecnology），是指用數(shù)千個分子或原子制造新型材料或微型器件的科學(xué)技術(shù)。它以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。納米科學(xué)技術(shù)將使人們邁入了一個奇妙的世界。［1］

1 納米材料的分類

納米材料按其形態(tài)，可以分為4種：

1.1 納米顆粒型材料［2］

這種材料的表面積大大增加，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，與表面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化以及擴(kuò)散等物理化學(xué)性質(zhì)均有明顯改變。納米顆粒型材料在催化領(lǐng)域有很好的前景，在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加 l%重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。

1.2 納米固體材料［3］

通常指由尺寸小于 15 nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。其主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5 nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1 019個晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1 014～1 016倍，因此使納米材料具有高韌性。

1.3 納米膜材料［4］

將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫下互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜。改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中顆粒的大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。顆粒膜材料有很多應(yīng)用，硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；氧化錫顆粒膜可制成氣體－濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測多種氣體。

1.4 納米磁性液體材料［5］

由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體運(yùn)動，因此具有其他液體所沒有的磁控特性，用途十分廣泛。

2 納米材料的奇異特性

當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒后，它將顯示出許多奇異的特性。

2.1 表面效應(yīng)［6］

球形顆粒的表面積與直徑平方成正比，其體積與直徑立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著增加。直徑大于0.1 μm的顆粒，表面效應(yīng)可忽略不計(jì)；當(dāng)顆粒尺寸小于0.1 μm時，其表面原子百分?jǐn)?shù)急劇增長，1g超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100 m2，這時的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，利用表面活性，金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。

2.2 小尺寸效應(yīng)［7］

顆粒尺寸的量變在一定條件下，將引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，其比表面積會顯著增加，從而會產(chǎn)生一些新奇的性質(zhì)，如：

2.2.1 特殊的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌%，大約幾個微米的厚度就會完全消光。利用這個特性，可以將它作為高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，還可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能?/p>

2.2.2 特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)的形態(tài)為大尺寸時，其熔點(diǎn)是固定的，但是超細(xì)微化后熔點(diǎn)會顯著降低，當(dāng)顆粒小于10 nm量級時尤為顯著。例如，銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670 ℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100 ℃。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。

2.2.3 特殊的磁學(xué)性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在有超微磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 2 nm的磁性氧化物顆粒，它實(shí)質(zhì)上是一個生物磁羅盤，趨磁細(xì)菌依靠它可以游向營養(yǎng)豐富的水底。

2.2.4 特殊的力學(xué)性質(zhì)

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，而界面原子的排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。

此外，小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等諸多方面。

2.3 量子尺寸效應(yīng)［7］

各種元素的原子具有特定的光譜線，無數(shù)原子構(gòu)成固體時，單獨(dú)原子的能級就并合成能帶。由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，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的減小而增大。當(dāng)周圍環(huán)境中的熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電金屬為超微顆粒時，可以變成絕緣體。磁矩大小和顆粒中電子數(shù)的奇、偶有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會向短波長方向移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。

2.4 宏觀量子隧道效應(yīng)［8］

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。電子既有粒子性又有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如超微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。它與量子尺寸效應(yīng)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。

本文介紹了納米材料的種類及其特性，展示了納米新材料和納米科技在能源、化工、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)以及航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。納米技術(shù)無疑掀起了一場技術(shù)革命。著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman就曾預(yù)言：如果對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量異乎尋常的特性。這些神奇特性將使它在陶瓷、微電子學(xué)、生物工程、光電、化工、醫(yī)學(xué)、分子組裝、傳感器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。尤其納米材料的性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴著材料的尺寸、微結(jié)構(gòu)乃至形狀，這就對合成技術(shù)提出了十分苛刻的要求。理想的合成方法應(yīng)使產(chǎn)物具有很窄的尺寸分布，且不發(fā)生團(tuán)聚。因此，探索如何制備出尺寸可控、分布狹窄且排列有序的納米結(jié)構(gòu)材料是目前納米科學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 C. R. Martin, Nanomaterials--a membrane－based synthetic approach ［J］. Science, 1994（5193）: 1961

2 C. I. Simionescu, S. Dumitriu. Apatite: a new catalyst in synthetic organic chem istry ［J］. Chem. Technol.,1978（12）: 585

3 H. Nagayama, H. Honda, H. Kawahara. A new method of liquid－phase deposited （LPD） oxide films ［J］. J. Electrochem.Soc., 1988（8）: 2013

4 T. N. Kin, Q. L. Feng, et. al., Antim icrobial effects of metal ions（Ag+, Cu2+, Zn2+） in hydroxyapatite ［J］. Journal of Materials Science: Materials Medicine, 1998（9）: 129

5 Y. C. Zhu, M. H. Huang, C. X. Ding, et al., Investigation on structural transform of nano－titania powders during plasma spraying pocess ［J］. J. Inrog. Mater., 1998（6）: 923

6 張立德、牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)［M］.科學(xué)出版社，2001：118

7 張立德、牟季美.開拓原子和物質(zhì)的中間領(lǐng)域－納米微粒與納米固體［J］.物理，1992（3）:167