納米技術及納米材料的研究應用和發(fā)展趨勢

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納米技術及納米材料的研究應用和發(fā)展趨勢

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1鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站（450000）2鄭州經(jīng)緯商品混凝土有限公司（450000）3河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

摘要:介紹了國內(nèi)外納米技術及納米材料的研究與應用現(xiàn)狀，并對納米技術及納米材料的研究方向和發(fā)展趨勢進行了論述。

關鍵詞:納米技術;納米材料;應用;發(fā)展趨勢

0引言

在充滿生機的21世紀，信息、生物、能源、環(huán)境、制造和國防技術的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教?、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。納米材料的使用古已有之。據(jù)研究，我國古代字畫之所以歷經(jīng)千年而不褪色，是因為所用的墨是由納米級的碳黑組成。我國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構成的薄膜。只是當時的人們沒有清楚地了解而已。一般認為，納米材料應該包括兩個基本條件:一是材料的特征尺寸在1～100 nm，二是材料此時具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學特性。納米科技的迅速發(fā)展將極大地促進科學技術的重大發(fā)展和革新，引發(fā)信息技術、生物技術、生態(tài)環(huán)境技術等領域的技術革命和跨越式發(fā)展,并將可能帶動下一次的工業(yè)革命。納米科技將可能與生物技術一道促進新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是未來高技術產(chǎn)業(yè)的制高點和國民經(jīng)濟的動力源泉。因此，納米科技的發(fā)展將在21世紀對社會、經(jīng)濟、國家安全以及人們的生活和生產(chǎn)方式帶來巨大的影響。

1納米材料研究的現(xiàn)狀及應用

自20世紀70年代納米顆粒材料問世以來，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學和凝聚態(tài)物理研究的前沿熱點是在20世紀80年代中期以后。納米材料從內(nèi)涵和特點方面大致可劃分為三個階段。

第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結構的研究在20世紀80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。

第二階段（1990~1994年）人們關注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。有一段時間納米微粒與納米微粒復合、納米微粒與常規(guī)塊體復合及發(fā)展復合材料的合成及物性的探索成為納米材料研究的主導方向。

第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構的材料體系越來越受到人們的關注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元,在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系，包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。

如果說第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機性，那么第三階段研究的特點更強調(diào)人們的意愿設計、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎獲得者、美國物理學家費曼曾預言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實現(xiàn)費曼預言，創(chuàng)造新奇跡的起點。美國加利福尼亞大學洛倫茲伯克力國家實驗室的科學家在《自然》雜志上發(fā)表論文，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學和物理學的重要前沿課題?？梢?，納米結構的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導方向。

1.1納米電子學、光電子學和磁學

納米粒子的宏觀隧道效應確立了微電子器件微型化的極限。納米電子學、光電子學及磁學微電子器件的極限線寬，以硅集成電路而言，普遍認為是70 nm左右。目前國際上最窄線寬已為130 nm，在十年以內(nèi)將達到極限。如果將硅器件做得更小，電子會通過絕緣層，造成電路短路。解決納米電子電路的思路目前可分為兩類，一類是在光刻法制作的集成電路中利用雙光子光束技術中的量子糾纏態(tài)，有可能將器件的極限縮小至25 nm。另一類是研制新材料取代硅，采用蛋白質(zhì)二極管、納米碳管作引線和分子電線。

新概念器件的形成,單原子操縱是重要的方式。1997年，美國科學家成功地用單電子移動單電子，這種技術可用于研制速度和存儲容量比現(xiàn)在提高上萬倍的量子計算機。2001年7月，荷蘭研究人員制造出在室溫下能有效工作的單電子納米碳管晶體管。這種晶體管以納米碳管為基礎，依靠一個電子來決定“開”和“關”狀態(tài)，由于它低耗能的特點，將成為分子計算機的理想材料。在新世紀，超導量子相干器件、超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學中器件的主角。

利用納米磁學中顯著的巨磁電阻效應(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance, TMR)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍，瑞士蘇黎世的研究人員制備了Cu、Co交替填充的納米絲，利用其巨磁電阻效應制備出超微磁場傳感器。磁性納米微粒由于粒徑小，具有單磁疇結構，矯頑力很高，用作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。

1997年，明尼蘇達大學電子工程系納米結構實驗室采用納米平板印刷術成功地研制了納米結構的磁盤，長度為40 nm的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。它利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達400Gb×in-2。利用鐵基納米材料的巨磁阻抗效應制備的磁傳感器已問世，超順磁性納米微粒的磁性液體也被廣泛用在宇航和部分民用領域。

1.2納米醫(yī)學和生物學

從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒,都在1～100 nm的尺度范圍，納米結構也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細胞中的細胞器和其他的結構單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞就像一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現(xiàn)技術上的納米級控制和操縱。

為了使學生滿足企業(yè)要求，具備崗位所需的職業(yè)能力，必須轉變傳統(tǒng)教學方式。對汽車運用與維修技術專業(yè)課程的教學改革來說，可以嘗試從汽車檢測與維修技能競賽入手，在課程教學中融入技能競賽的思想和內(nèi)容，將“教”“學”“做”“訓”“考”融為一體，讓學生在學習的過程中，既要動腦掌握豐富的理論知識，又要動手學會各種設備的操作技能。

納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有:利用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為納米生物工程的前沿科技，將直接應用于臨床診斷、藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。生物芯片植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫(yī)療，可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。

納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，可以不被用于生物體，而被用于其他納米技術或微制造。

1.3在國防科技上的應用

納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如，納米電子器件將用于虛擬訓練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實時聯(lián)系，對化學、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)，提高常規(guī)武器的打擊與防護能力，完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛(wèi)星可用一枚小型運載火箭發(fā)射千百顆,按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個角落，使戰(zhàn)場更加透明。納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。在雷達隱身技術中，超高頻段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達99%，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2～7 GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼?zhèn)淞吮?、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物、鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為。

1.4納米陶瓷的補強增韌

先進陶瓷材料在高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，然而脆性是陶瓷材料難以克服的弱點。英國材料學家Cahn曾評述，通過改進工藝和化學組分等方法來克服陶瓷脆性的嘗試都不太理想，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑之一。

納米陶瓷具有類似于金屬的超塑性，是納米材料研究中令人注目的焦點。例如，納米氟化鈣和納米氧化鈦陶瓷在室溫下即可發(fā)生塑性形變，180℃時，塑性形變可達100%。存在預制裂紋的試樣在180℃下彎曲時，也不發(fā)生裂紋擴展。20世紀90年代初，日本的新原皓一（Niihara）報道，用納米SiC顆粒復合氧化鋁材料的強度在1 GPa以上，而常規(guī)的氧化鋁基陶瓷強度只有350～600 MPa。Al2O3/SiC納米復合材料在1 300℃氬氣中退火2 h后強度提高到1.5 GPa，它的高力學性能是與納米復相陶瓷的精細顯微結構直接相關的。德國馬普冶金材料研究所的科研人員將聚甲基硅氮烷在高溫下裂解后，制得α-Si3N4微米晶與α-SiC納米晶復合陶瓷材料。這種材料具有良好的高溫抗氧化性能，可在1 600℃的高溫使用（氮化硅材料的最高使用溫度一般為1 200～1 300℃）。德國科研人員最新進展是，通過添加硼化物提高材料的熱穩(wěn)定性，利用生成BN的包覆作用穩(wěn)定納米氮化硅晶粒，將這種Si-BC-N陶瓷的使用溫度進一步提高到2 000℃。這是迄今國際上使用溫度最高的塊體陶瓷材料。

1.5納米技術在其他方面的應用

納米顆粒的比表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強的優(yōu)異性質(zhì)使其在化工催化方面有著重要的應用。納米粉材如鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等已直接用作高分子聚合物氧化、還原及合成反應的催化劑，大大提高了反應效率。使用納米鎳粉作為反應催化劑的火箭固體燃料，燃燒效率可提高100倍。用硅載體鎳催化丙醛的氧化反應，當鎳的粒徑在5 nm以下，反應選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應得到有效控制，生成酒精的轉化率迅速增大。

小型化本身并不代表納米技術，納米材料和納米科技有著明確的尺度和性能方面的定義。制造納米器件目前主要的方法還是通過“由上而下”(top down)盡力降低物質(zhì)結構維數(shù)來實現(xiàn)，而納米科技未來發(fā)展方向是要實現(xiàn)“由下而上”(bottom up)的方法來構建納米器件。目前此方面的嘗試有兩類，一類是人工實現(xiàn)單原子操縱和分子手術。日本大阪大學的研究人員利用雙光子吸收技術在高分子材料中合成了三維的納米牛和納米彈簧，使功能性微器件的制備有了新的突破。另一類是各種體系的分子自組裝技術，已由分子自組裝構建的納米結構包括納米棒、納米管、多層膜、孔洞結構等。美國貝爾實驗室的科學家利用有機分子硫醇的自組裝技術制備直徑為1~2 nm的單層場效應晶體管。這種單層納米晶體管的制備是研制分子尺度電子器件重要的一步。這方面的工作現(xiàn)在還僅限于實驗室研究階段。

2納米材料的發(fā)展趨勢

2.1加強控制工程的研究

在納米材料制備科學和技術研究方面一個重要的趨勢是加強控制工程的研究,這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結構的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應同時在起作用，對材料某一種性能的貢獻大小、強弱往往很難區(qū)分，是有利的作用還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現(xiàn)象的解釋帶來困難，同時也給設計新型納米結構帶來很大的困難。如何控制這些效應對納米材料性能的影響，如何控制一種效應的影響而引出另一種效應的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。

近兩年，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面:一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結構和粗糙度;二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應和滲流效應；三是通過設計納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。

2.2近年來引人注目的幾具新動向

1）納米組裝體系藍綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭

日本Nippon鋼鐵公司閃電化學陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍綠光發(fā)光強度比6H碳化硅晶體高100倍。多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍綠光。含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390 nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強的藍綠光，比多孔Si的最強紅光還高出1倍多。250 nm波長光激發(fā)出極強的藍光。

2）巨電導的發(fā)現(xiàn)

美國霍普金斯大學的科學家在SiO2-Au的顆粒膜上觀察到極強的高電導現(xiàn)象。當金顆粒的體積百分比達到某臨界值時，電導增加了14個數(shù)量級。納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導增加8個數(shù)量級。

3）顆粒膜巨磁電阻尚有潛力

1992年，納米顆粒膜巨磁電阻發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的關注。美國布朗大學的科學家最近在4K的溫度下,幾個特斯拉的磁場，R/R上升到50%。目前這一領域研究追求的目標是提高工作溫度，降低磁場。如果在室溫和零點幾特斯拉磁場下，顆粒膜巨磁阻能達到10%，那么就接近適用的目標。目前，國際上科學家們正在這一領域努力。

4）納米組裝體系設計和制造有新進展

美國加利福尼亞大學化學工程系成功地把納米AU顆粒組裝到DM的分子上，形成納米晶分子組裝體系。美國利用自組裝技術將幾百支單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于10－4W/cm。將納米三碘化鉛組裝到尼龍（nylon－11）上，在X射線照射下具有強的光電導性能，利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎。

4結語

21世紀前20年，是發(fā)展納米技術的關鍵時期，納米技術將成為第五次推動社會經(jīng)濟各領域快速發(fā)展的主導技術。目前，納米技術已經(jīng)成為全世界非常關注的技術。納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術代替微米尺度的生物技術，已是不以人的意志為轉移的客觀規(guī)律。只有認識它、發(fā)展它，才有可能在未來經(jīng)濟競爭的格局中占據(jù)有利地位。