纳米材料的研究及应用

本文核心词:纳米技术的应用。

纳米材料的研究及应用

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纳米材料的研究及应用

纳米材料的研究及应用

魏方芳

( 福建师范大学化学与材料学院重点实验室. 福建 3 0 0 ) 5

摘 要: 介绍纳米材料的范围、定义、四个基本效应及应用领城。 关镶词: 纳来材并; 基本效应; 应用

1 概述

纳米材料是近年来发展起来的一种新型高性能 材料。纳米材料 ( 又 称超细微粒) 是处在原子簇和 宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,根据其形

象即为表面效应[ 。主 1 3 要表现为熔点降低、比热

增大。

超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金 属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用 表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化 生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。 利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高 效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

态 分为零维、 一 可 维、二维和三维纳米材料t 。 l

纳米材料的晶粒尺 寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在

l o nm 以下,随着晶格数量大幅度增加,材料的 强度、韧性和超塑性都大为提高,对材料的电学、 磁学、光学等性能产生重要的影响。目 前对纳米材 料的定义为: 粒径为1一100nm 的纳米粉,直径为 1一10O 的纳米线,厚度为 1一lo n 的纳米薄 m n o m

2。 小尺寸效应 2 在一定条件下,颗粒尺寸的量变,会引起颗粒

的质变。由于颖粒尺寸变小所引起的宏观物理性质

膜, 且 现 米 应 材 [ 。 并 出 纳 效 的 料 1 2

2 纳米材料的基本特性

纳米材料有四个基本的效应,即小尺寸效应、 表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效 应,因而出现常规材料所没有的一些特别性能,如

的 变化称为小尺寸效应4]。对超微颐粒而言,尺 【

寸变小,同时比 表面积亦显著增加,从而产生一系 列新奇的性质。 ) 1 热学性质变化 大尺寸固态物质经过超细微化后,发现其熔点 将显著降低,当颗粒小于 1 纳米量级时尤为显著。 0 例如,金的常规熔点为 1 64℃,当颗粒尺寸减小 0 到 10 纳米尺寸时,则降低 27℃,2 纳米尺寸时的 熔点仅为 32 ℃左右; 银的常规熔点为 67 ℃,而 7 0 超微银颗粒的熔点可低于 100℃。因此,超细银粉 制成的导电浆料使膜厚均匀,覆盖面积大,可以进 行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶

瓷材料。

高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔

点、奇特的磁性和极强的吸波性等,从而使纳米材 料己获得和正在获得广泛的应用。 2 , 表面效应 1 纳米晶粒表面原子数和总原子数之比与颖粒直 径成反比,随着颗粒直径变小,比 表面积将会显著

增大。如将体积为 Ic 3物质粉碎成 In 的微粒, n t m 表面积就从6 , 一 增加到一

二 澎,而比 ) z ( n l 4r 1护 表 面积从6 , 102m一增加到6 * 109m一。表明表面原 ’ ‘

子所占的百分 将会显著地增加,从而增大其活 性。这种表活性引起的纳米粒子表面原子输送和结 构变化,及表面电子自 旋构象和电子能谱的变化现

2) 光学性能变化 金属在超微颗粒状态都呈现为黑色,且尺寸越 小,颜色愈黑,银白色的铂 ( 白金) 变成铂黑,金 属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反 射率很低,通常可低于 1%,大约几微米的厚度就

化学工程与装备

2007 年

第3 期

能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光 热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变 为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元

态和电子态与颗粒内部不同,表面原子配位不全等 特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备

了 作为催化剂的先决条件[ 。纳米微粒作催化剂 1 6

可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。纳 米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂, 特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个

件、 红外隐身技术等。 ) 3 磁学性质变化 随着纳米晶粒尺寸变小,与体积成正比的磁各 项异性也降低,当体积能与热能相当或更小时,会 呈现出超顺磁性。利用超顺磁性,可制成用途广泛 的磁性液体。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特 性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于

磁带、磁盘、磁卡以 及磁性钥匙等。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在力学、超导电

半导体颖粒,可近似地看成是一个短路的微型电

池,用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系

时,半导体纳米粒子吸收光产生电子 一一空穴对。 在电场作用下,电子与空穴分离,分别迁移到粒子 表面的不同位置,与溶液中相似的组分进行氧化和

还原反应。

性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

2 . 3 界面效应

光催化是一种具有应用潜力的特殊催化剂〔 7],

涉及到许多反应类型,如醇与烃的氧化,无机离子 氧化还原,有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成, 固嘴 反应,水净化处理,水煤气变换等,其中有些

纳米材料具有非常大的界面,且界面原子的排

列相当混乱。原子在外力的作用下很容易发生迁

移,从而表现出很好的韧性与一定的延展性,因而

使材料具有特殊的界面效应。

催化难以实现的川。半导体多相光催化剂

2, 量子效应 4 量子尺寸效应 导电的金属在超微颗粒时可以 变成绝缘体; 磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是 偶数有关; 比热亦会反常变化; 光谱线会产生向短 波长方向的移动,探究造成这些现象的原因即为量

子尺寸效应。介于原子、分子与大块固体之间的超 微颖粒,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能

级,能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热 能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,

能有 地降解水中的有机污染物。例如纳米T O , I Z 既有软高的光催化活性,又能耐酸碱,对光稳定,

无毒,便宜易得,是制备负载型光催化剂的最佳选

择。

3。 在涂料方面的应用 2 纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。在 涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防护能力, 实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色

等,在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。已有

美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钦、三 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性, , 氧化二铬等与树脂复合作为静电屏蔽的徐层; 在标 称之为量子尺寸效应[ 。 ] s 牌上使用纳米材料涂层,可利用其光学特性,达到 量子隧道效应 电子具有粒子性又具有波动性, 储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻 因此存在隧道效应。研究发现一些宏观物理量,如 璃、涂料中加入适宜的纳米材料,可以达到减少光 微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦 的’透射和热传递效果,产生隔热、阻燃等效果。纳 显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应确立了 现存 微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进 米SIC反是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入 纳米 S m ,可使涂料的抗老化性能、光洁度及强 i 度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景,将 为涂层技术带来一场新的技术革命,也将推动复合 材料的研究开发与应用。 3。 在生物医学 面的应用 3 地 磁性纳米粒子作为药济的载体,在外磁场

一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。

3 纳米材料的应用

3, 在催化 面的应用 1 纳米微粒作催化剂,是纳米材料的重要应用领 域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面的键

的引导下集中于病患部位,以提高药效[ ,使药 1 0

纳米材料的研究及应用 物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹

纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更

的智能药物进入人体,可主动搜索并攻击癌细胞或 修补损伤组织; 使用纳米技术的新型诊断仪器,只 需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和 DNA 诊 断出各种疾病。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的 作用,通过纳米技术处理后的银表面急剧增大,表

加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显 示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技 术用

于现有雷达信息处理上,可使其能力提高 1 0 倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达 放到卫星上进行高精度的对地侦察。 纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一 体的新兴科学,纳米材料被称为 “ 世纪最有前 1 2

面结构发生变化,杀菌能力提高2 0 倍左右,对临 0 床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。 微粒和纳粒作为给药系统,其制备材料的基本

性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不 发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生

途的 材料”0 ,在世界纳米材料与 [’ ] 纳米科技取得成

就的同时,也涉及到许多有关重要的问题有待进行 深入的探索和解决。2 世纪将是纳米技术的时代, 1 纳米科学技术的诞生,将对人类社会产生深远的影

物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过

响,并有可能从根本上解决人类面临的许多问题,

特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。随

程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金 属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为 5 一2 nm 的聚 0 合物后,可以固定大量蛋白质特别是酶,从而控制

生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使

着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在精细 化工和医药生产等诸多领域会得到 日益广泛的应用

参考文献

I Sa巧a r a n ya a C,F~ n F H. Th s o ctU e a d Me ha :c PrO 时 e t 团n c n a l 户-

纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利纳米材料的研究及应用 用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而

了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。 3.4 在环保方面的应用

纳米材料的控制污染源方面可起到关键性的作 用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使 用; 减少水资源消耗; 减少废物的产生; 治理环境 污染物及大气污染。

‘ o Met. Jlic N二 斗 山,Me劫 u目ca Tr田蛇uo们 汇 卜 2, s e f 油 山 歹l 泌‘ 曰 J] 19 9

. A 23A ; 1071 一108 1.

2 白 春礼. 纳 米科技 发展 及其 前景川 科学通报, 1 , (2 ; 2o0 4 ) 6

0 9 .

3 刘艺、刘卫华、王彦芳 . 纳米材料的特殊性能及其应用; 沈阳

工业大学学报,2 0 ,2 ( 1 . 0 2 )

4 单志强 . 纳米材料特性及其在环境保护领域的应用; 环保材料.

( 20 5 ) 0 一 4 0 一 . ) ( 2 00 03

3, 在微电子学上的应用 5

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的

5 刘艺、刘卫华、王彦芳 . 纳米材料的特殊性能及其应用; 沈阳

工业大学学报,20 抢. 2 ( 1) . (

工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开 发物质潜在的储存和处理信息的能力,实现信息采 集和处理能力的革命性突破,纳米电子学

将成为下 世纪信息时代的核心。

3.6 在光电领域的应用

6 都有为 . 化工进展; 1993 (4) ; 21一 24.

7 古宏展 . 化工进展; 1999 (4) ; 5一 7 8 吴鸣 . 首届全国纳米材料应用技术交流会论文集; 11 一11 . 1 4 9 李良训 . 金山油化纤; 2仪K,第一期. )

10 张立德 . 纳米材料的发展〔 ; 中国科学基金,1994 (3 ,19 J〕 ) 8

一2 2 0

(上接第 37 页) 两年来使用效果很好,受到使用单位好评。汽包水

现实意义。

位可改装成变频调速水位控制的卧式快装锅炉占福 建省锅炉总数的 1 3,约有 3 00 台。该系统的成功 / 0 应用,对中小型企业推广锅炉汽包水位连续 自动控 制和锅炉安全运行,在建设节约型社会的今天有着

参考文献

吴忠智等, 变频器应用手册. 机械工业出版社, 9 .7. 1, 5 徐炳华等,流体翰送设备的 自动调节. 化学工业出版社,

19 8 . 4 . 2

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