納米材料的特性及其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

楊志廣 趙朗 馮麗

摘 要： 納米材料是21世紀(jì)最有前途的新型材料之一，具有很多獨特而優(yōu)異的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了納米材料的基本特性，包括表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，介紹了納米材料在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對其未來發(fā)展趨勢進行了分析。

關(guān)鍵詞： 納米材料 特性 應(yīng)用

納米科技是21世紀(jì)快速發(fā)展的主流科技之一，交叉性、綜合性很強，在國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。納米材料是納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)，被稱為“二十一世紀(jì)新材料”，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價值，成為人們目前研究的重點領(lǐng)域之一。納米材料基本組成單元的尺寸在1～100納米范圍內(nèi)，而且基本單元至少有一維處于納米尺度范圍，同時具有常規(guī)材料不具備的優(yōu)異性能[1]。納米材料特殊的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等特性，已經(jīng)在當(dāng)前高速發(fā)展的各個科技領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會影響。本文闡述了納米材料的基本特性，介紹了納米材料在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，并展望了其未來發(fā)展趨勢。

一、納米材料的特性

1.表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而急劇增大的現(xiàn)象[2][3]。由于表面原子數(shù)增多，表面能高，原子配位數(shù)不全，存在嚴(yán)重的缺位狀態(tài)，很不穩(wěn)定，活性極高，極易與其他原子結(jié)合，從而產(chǎn)生一些新穎的效應(yīng)。如利用這一特性，金屬超微顆?？梢宰鳛樾乱淮哂懈叽呋钚院彤a(chǎn)物選擇性的催化劑。

2.量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子的尺寸小到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象就是量子尺寸效應(yīng)[4][5]。相鄰電子能級EF為費米能級。對于大粒子或宏觀物體包含無限個原子，即宏觀物體的能級間距幾乎為零，即能級是連續(xù)的；而對于納米粒子而言，其包含的原子數(shù)十分有限，N值很小，于是δ就有一定的數(shù)值，即能級是分裂的，呈現(xiàn)為離散能級。因此，當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、光子的能量等時，就要考慮量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致納米粒子與宏觀物體的特性顯著不同。如在超細(xì)顆粒態(tài)下的金屬導(dǎo)體可以成為絕緣體，譜線發(fā)生藍移。

3.小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性出現(xiàn)特殊變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(yīng)[6]。如在納米尺寸下，材料熔點降低、微波吸收增強等。

4.宏觀量子隧道效應(yīng)

納米粒子的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，也就是說微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)[7]。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)。

二、納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域

納米材料的基本特性使其在力、光、電、磁、熱等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的一系列新穎的物理和化學(xué)特性。因此納米材料在催化、陶瓷、化工、環(huán)境、生物和醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域具有非常重大的應(yīng)用價值。

1.在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作為催化劑對催化反應(yīng)如氧化、還原、裂解等反應(yīng)都有很高的活性和選擇性，能加快反應(yīng)速率，使難以進行的反應(yīng)順利進行。例如，使用納米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃燒效率達100倍以上。

2.在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的快速增長，環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，而納米光催化技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用研究日益受到重視，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，固氮反應(yīng)，水凈化處理，等等。納米光催化劑光催化作用機理一般是在一定波長的光波照射下，產(chǎn)生光生電子—空穴對，這些電子和空穴能使空氣中的氧或水中的溶解氧活化，產(chǎn)生活性氧及自由基等高活性基團，反應(yīng)關(guān)系式如下：

3.在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米材料在生物醫(yī)學(xué)中檢測診斷、靶向藥物輸送、生物分子檢測、磁共振成像增強及健康預(yù)防等許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景。如利用具有獨特孔狀結(jié)構(gòu)特性的碳納米管能夠?qū)崿F(xiàn)藥物可控釋放；以光感應(yīng)器做開關(guān)的納米機器人，可以疏通腦血管中的血栓，殺死癌細(xì)胞等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米材料最成功的應(yīng)用是作為藥物載體（如納米膠囊）、生物芯片、納米生物探針和制作人體材料，如人工腎臟、人工關(guān)節(jié)等。

4.在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米技術(shù)和其他所有技術(shù)一樣，將在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可估量的作用。例如：納米機器人、納米飛機、蚊子導(dǎo)彈等許多無人化設(shè)備將在偵察預(yù)警、指揮控制和精確打擊等方面發(fā)揮著越來越重要的作用；納米衛(wèi)星組成的衛(wèi)星監(jiān)視網(wǎng)，可以實時觀察到地球上的每一個角落，使戰(zhàn)爭變得更加透明；納米隱身技術(shù)可以最大限度地隱藏自己，同時千方百計地尋找和發(fā)現(xiàn)敵人，起到武器裝備隱身的目的，如用做隱形飛機涂料的納米ZnO對雷達電磁波具有很強的吸收能力。

5.在精細(xì)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米材料在精細(xì)化工，如橡膠、塑料、涂料等領(lǐng)域也扮演著重要角色。例如，摻雜納米SiO2可以提高橡膠的抗紫外輻射能力。而為了提高塑料的強度、韌性、致密性、防水性等，生產(chǎn)時通常在塑料中添加一定的納米材料。

6.在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

陶瓷材料在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，而納米陶瓷可以克服傳統(tǒng)陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性，并在超高溫、強腐蝕等苛刻的條件下起到其他材料不可替代的作用，應(yīng)用較為廣泛。

7.在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用外，納米材料在諸如電子計算機和電子工業(yè)、航空航天、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、化妝品工業(yè)等其他領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

三、展望

“誰輸?shù)袅思{米，誰就輸?shù)袅宋磥怼保@已經(jīng)成為世界各國的共識。正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：“納米科技將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命”，由此可見納米科技的重要性。納米材料是整個納米科技的基礎(chǔ)，在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但從納米材料的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用來看，目前其研究還面臨很多問題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如合成方法復(fù)雜、單分散的納米粒子或納米線的可控制備、生長機制還不完全清楚、缺乏系統(tǒng)的性能研究，等等。但我們有理由相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，制備和改性技術(shù)的不斷完善，納米材料在未來將會在更多領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]張立德，李愛莉，端夫編著.奇妙的納米世界（第1版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王大志.納米材料結(jié)構(gòu)特征[J].功能材料，1993，24（4）：303-306.

[3]張立德，牟季美編著.納米材料學(xué)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[4]Kubo R.Electronic properties of metallic fine particles[J].Phys.Soc.of Jap.，1962，17（6）：975-986.

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[6]張立德，牟季美編著.納米材料和納米結(jié)構(gòu)（第1版） [M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[7]王占國.納米半導(dǎo)體材料及其納米器件研究進展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2001，26（5）：17-19.

基金項目：周口師范學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項目（ZKNUDXS2014-052）；周口師范學(xué)院實驗室開放項目（K201433）。