納米材料的功能特性及其應(yīng)用

梁 敏，鄒豐謙

(1.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

納米材料的功能特性及其應(yīng)用

梁 敏1，鄒豐謙2

(1.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，它的發(fā)展給化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機(jī)遇。本文論述了納米材料的特殊性能以及應(yīng)用領(lǐng)域。

納米材料；特性；應(yīng)用

納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9m) 的超細(xì)材料,其尺寸介于分子、原子與塊狀材料之間, 通常泛指1～100nm 范圍內(nèi)的微小固體粉末。納米材料是一種既不同于晶態(tài)也不同于非晶態(tài)的第三類固體材料, 它是以組成納米材料的結(jié)構(gòu)單元——晶粒、非晶粒、分離的超微粒子等的尺度大小來定義的[1-2]。目前, 國際上將處于1～100nm尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密聚集體，以及由納米微晶所構(gòu)成的材料，統(tǒng)稱為納米材料，包括金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)和生物等多種粉末材料。

納米材料微觀結(jié)構(gòu)的奇異性和特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)為尋找和制造具有特異功能的新材料開辟了道路。納米材料的研究是一個(gè)涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域的交叉科學(xué), 在不同學(xué)科有不同的稱謂，在材料學(xué)中稱之為超微顆粒, 晶體學(xué)中稱之為微晶，原子分子物理學(xué)中稱之為團(tuán)簇, 理論物理學(xué)中稱之為量子點(diǎn),膠體化學(xué)中稱之為膠體微料, 生物領(lǐng)域稱之為超分子結(jié)構(gòu)。其研究應(yīng)用使化工、陶瓷、生物工程、醫(yī)學(xué)等[3-4]許多行業(yè)都呈現(xiàn)出嶄新局面。

1 納米材料的特性

1.1 表面效應(yīng)

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，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，比表面積將會顯著地增加。例如粒徑為10nm時(shí)，比表面積為90m2·g-1；粒徑為5 nm時(shí)，比表面積為180m2·g-1；粒徑下降到2nm時(shí)，比表面積猛增到450m2·g-1[5]。粒子直徑減小到納米級，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的表面積、表面能都會迅速增加。

1.2 尺寸效應(yīng)

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，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生特殊的光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。超微顆粒的小尺寸效應(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)性能等方面。

1.3 體積效應(yīng)

由于納米粒子體積極小, 所包含的原子數(shù)很少。因此, 許多現(xiàn)象如與界面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化、擴(kuò)散、燒結(jié)等物理、化學(xué)性質(zhì)將與大顆粒傳統(tǒng)材料的特性顯著不同, 就不能用通常有無限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明, 這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。

1.4 量子尺寸效應(yīng)

該效應(yīng)指微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)殡x散能級。納米材料中處于離散的量子化能級中的電子的波動(dòng)性使納米材料具有一系列特殊性質(zhì)，如特異性催化，強(qiáng)氧化性和還原性。

1.5 量子隧道效應(yīng)

微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用,如導(dǎo)電、導(dǎo)磁高聚物、微波吸收高聚物等[6]，都具有重要意義。

2 納米材料的應(yīng)用

隨著納米科技的發(fā)展, 利用納米材料特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)和生物學(xué)性能，納米材料已被廣泛應(yīng)用于電子、化工、醫(yī)學(xué)和生物工程等國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的許多領(lǐng)域，不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用, 也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來生機(jī)和活力。

2.1 在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。納米粒子作為光催化劑，有著許多優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多,則化學(xué)反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。目前，工業(yè)上利用納米二氧化鈦、三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理已經(jīng)取得了很好的效果[7]。

2.2 在生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)上使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。由于納米材料的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多, 因此可以利用它進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色以及制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療，還可以利用納米微粒研制成納米機(jī)器人(nanorobot)，注入人體的血管內(nèi)，對人體進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至能吞掉病毒，殺死癌細(xì)胞等[8]。

2.3 在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用

隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國著名材料專家Cahn 指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。所謂納米陶瓷, 是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料， 也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上[9]。

2.4 在生物工業(yè)中的應(yīng)用

美國南加州大學(xué)的Adelman 博士等[10]應(yīng)用基于DNA 分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無法解決的問題“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計(jì)算技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識。

2.5 在涂料工業(yè)中的應(yīng)用

表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn),納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。在涂料中加入納米材料如納米TiO2、SiO2和ZnO 等顆粒，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等。國外用納米級羰基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末已成功配制了軍事隱身涂料，涂到飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈、潛艇等武器裝備上，使該裝備具有隱身性能[11]。

2.6 在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

1976年，Carey等[12]研究發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，納米TiO2可使難降解的有機(jī)化合物多氯聯(lián)苯脫氯。至今，已發(fā)現(xiàn)有3 000多種難降解的有機(jī)化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO2迅速降解。光催化納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用極其廣闊，可使許多難處理的污染物完全礦化，同時(shí)利用載體的吸附性能使低濃度的有害物質(zhì)得以濃縮降解。光催化納米技術(shù)研究的不斷深入和納米材料實(shí)用化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，可大大緩解水體污染、大氣污染、城市垃圾等環(huán)保難題。

2.7 在電子工業(yè)中的應(yīng)用

納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分, 其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，包括納米陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。納米微晶軟磁材料目前向著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關(guān)、傳感器等[13]，它將成為鐵氧體的有力競爭者。

3 前景與展望

納米材料科學(xué)是將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)， 其研究與開發(fā)剛剛起步，由于其特殊的尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等，使得其光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、模量、強(qiáng)度、阻透性等方面的性能與普通無機(jī)填料有很大的不同， 人們應(yīng)充分利用納米材料的這些特殊性能，開發(fā)新型材料的性能和應(yīng)用領(lǐng)域，使其發(fā)揮出更大的作用。

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Properties and Applications of Nanometer Materials

LIANG Min1, ZOU Feng-qian2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China; 2.School of Electronic Engineering , Heilongjiang University, Harbin 150000, China)

The development of nanometer materials, which possessed the unique physical and chemical properties, would take a new opportunity for the investigation of subjects such as chemistry, materials, biology and pharmaceutical etc. The properties, preparation technologies and applications were summarized in this paper which would provided a useful guidance for future studies.

nanometer material; properties; application

TB 383

A

1671-9905(2014)06-0056-03

梁敏(1967-)，女，漢族，大學(xué)本科，學(xué)士，副教授，主要從事功能高分子材料、化學(xué)分離工程等方面研究工作，發(fā)表科技論文20余篇，完成著作3部，主持項(xiàng)目多項(xiàng)。電話：13009749698，E-mail：liang-min100@163.com

2014-04-08