納米材料

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納米材料(Nanophase Materials)

　　納米材料是指三維空間尺度至少有一維處於納米量級(1-100nm)的材料，它是由尺寸介於原子、分子和巨集觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由於其組成單元的尺度小，界面占用相當大的成分。因此，納米材料具有多種特點，這就導致由納米微粒構成的體系出現了不同於通常的大塊巨集觀材料體系的許多特殊性質。

　　當粒子的尺寸減小到納米量級，將導致聲、光、電、磁、熱性能呈現新的特性。比方說：被廣泛研究的II-VI族半導體硫化鎘，其吸收帶邊界和發光光譜的峰的位置會隨著晶粒尺寸減小而顯著藍移。按照這一原理，可以通過控制晶粒尺寸來得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究內容和可望得到新的用途。我們知道物質的種類是有限的，微米和納米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的，但通過控制製備條件，可以得到帶隙和發光性質不同的材料。也就是說，通過納米技術得到了全新的材料。納米顆粒往往具有很大的比錶面積，每克這種固體的比錶面積能達到幾百甚至上千平方米，這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機合成和環境保護等領域有著重要的應用前景。對納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強”這六個字來概括。“更輕”是指藉助於納米材料和技術，我們可以製備體積更小性能不變甚至更好的器件，減小器件的體積，使其更輕盈。第一臺電腦需要三間房子來存放，正是藉助與微米級的半導體製造技術，才實現了其小型化，並普及了電腦。無論從能量和資源利用來看，這種“小型化”的效益都是十分驚人的。“更高”是指納米材料可望有著更高的光、電、磁、熱性能。“更強”是指納米材料有著更強的力學性能(如強度和韌性等)，對納米陶瓷來說，納米化可望解決陶瓷的脆性問題，並可能表現出與金屬等材料類似的塑性。

　　如果按維數，納米材料的基本單元可以分為3類：

　　(1)0維，指在空間3維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒，原子團簇等；

　　(2)1維，指在空間有兩維處於納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；

　　(3)2維，指在3維空間中有1維在納米尺度，如超薄膜，多層膜，超晶格等。

　　按化學組成可分為：納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米複合材料。

　　按材料物性可分為：納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。

　　按應用可分為納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。

　　納米材料大部分都是用人工製備的，屬於人工材料，但是自然界中早就存在納米微粒和納米固體。例如天體的隕石碎片，人體和獸類的牙齒都是由納米微粒構成的，而浩瀚的海洋就是一個龐大超微粒的聚集場所 。

　　納米材料的物理性質和化學性質既不同於巨集觀物體，也不同於微觀的原子和分子。當組成材料的尺寸達到納米量級時，納米材料表現出的性質與體材料有很大的不同。在納米尺度範圍內原子及分子的相互作用，強烈地影響物質的巨集觀性質。物質的機械、電學、光學等性質的改變，出現了構築它們的基石達到納米尺度 。例如銅的納米晶體硬度是微米尺度的5倍，脆性的陶瓷成為易變形的納米材料，半導體量子阱、量子線和量子點器件的性能要比體材料的性能好得多；當晶體小到納米尺寸時，由於位錯的滑移受到邊界的限制而表現出比體材料高很多的硬度；納米光學材料會有異常的吸收；體錶面積的變化使得納米材料的靈敏度比體材料要高得多；當多層膜的單層厚度達到納米尺寸時會有巨磁阻效應等。納米材料之所以能具備獨到的特性，是當組成物質中的某一相的某一維的尺度縮小至納米級，物質的物理性能將出現根本不是它的任一組分所能比擬的改變。

　　材料的光學性能 是由其對太陽光的反射性能或吸收性能所決定的。如綠色的樹葉表明它吸收了其他波長的光而反射出綠色的特征波。紅色的顏料表明它吸收了其他波長的光而反射出紅色的特征波。納米微粒由於其尺寸小到幾個納米或十幾個納米而表現出奇異的小尺寸效應和錶面界面效應，因而其光學性能也與常規的塊體及粗顆粒材料不同。納米金屬粉末對電磁波有特殊的吸收作用，可作為軍用高性能毫米波隱形材料、紅外線隱形材料和結構式隱形材料，以及手機輻射屏蔽材料。比如，玻璃是一種絕緣體，它無法把吸收到的電磁波釋放出去，但是重金屬汽化後生成的納米材料卻有極強的導電性能，因此可以通過接在防護屏上的地線導出吸收到的靜電，從而消除靜電對人體造成的危害。另外，電腦屏幕發射出的電磁波的頻度並不均勻，因此，在對玻璃錶面蒸塗納米材料時也並不是均勻蒸塗，而是根據電磁波發射頻度的變化規律進行蒸塗，以此抵消電磁波頻度變化對納米材料吸收功能的干擾，消除屏幕光亮閃爍對眼睛造成的傷害，使畫面更加清。

　　21世紀將是納米技術的時代。納米科學是一門將應用科學和基礎科學集於一體的新興科學。納米材料在光學、機械、磁學、電子、化學和生物學等各個領域有著廣闊的應用前景。

　　(1)信息產業納米化。納米微粒尺寸小，比錶面積大，因此在電子信息應用產業方面具有獨特的優勢。主要表現在三個方面，其一，納米材料被廣泛應用於納米結構器件、網路通訊、高清晰度數字顯示技術以及晶元技術等方面，這主要取決於納米材料具有的頻帶寬、吸波性能好的性能優勢，電腦在普遍採用納米材料後，可以縮小成為：掌上電腦：；其二，網路通訊設備的關鍵器件納米化，突破了微電子技術的極限，產品主要涉及微電容、諧振器、網路通訊中激光、過濾器、微電極等；其三，分子電子器件、光電子器件和巨磁電子器件，這些原器件目前正在實驗階段，尚未被廣泛推廣及應用，轉為批量生產為商品進入市場也還要10年左右的時問。

　　(2)環境產業中納米化。納米技術在環境凈化方面有不可取代的作用。納米材料在環境污染物中的降解範圍為20NM-200NM。我國已成功製備了一種能夠化一氧化碳的同時還原氮氧化物、吸附甲醛的納米設備併進入批量生產階段；採用稀土氧化鈰和貴金屬納米催化劑在汽車發動機汽缸內發揮催化作用，汽油在燃燒過程中不產生CO和NOX，效果明顯；此外，納米材料在環保產業中還可應用於治理淡水湖內藻類引起的污染，這主要是利用納米材料的吸附能力，並已在實驗室初步研究成功。例如苯酚等傳統技術難以降解的有機污染物能被多孔小球組合光催化納米材料很好的降解。

　　(3)能源產業納米化。隨著我國能源結構的調整，當前我國能源發展的兩大方向為合理利用傳統能源以及開發新能源。研究表明，納米催化材料對催化氧化，裂解反應都具有很高的催化活性。在國外，開發新能源的主要成果，就是把非可燃氣體變成可燃氣體。利用金屬納米材料的小尺寸反應性質，可以製造高效能的光熱、光電轉換材料。

　　(4)製藥業納米化。目前，國際醫葯行業面臨新的決策，就是納米生物醫葯，納米生物醫葯主要涉及以下方面：在提高藥物的吸收利用方面，就是從動植物中提取必要的物質，然後在納米尺度組合，以求增加藥物的比錶面積，促進了藥物的溶解，最大限度發揮藥效。在納米給藥方面，就是利用納米技術在提取藥物精華後，活性成分通過溶解，通過很小的骨架(例如糖、澱粉等)將藥效高效緩釋，提高藥物作用的靶向性。

　　(5)納米新材料。據測算，對於汽車而言，如果用輕質高強材料替代當前汽車上40％金屬材料，汽車在行駛過程中，同一里程(公裡)中汽車所耗油量可以節省40％，減少CO₂，排放40％ ，直接節省或者創造的經濟效益可達1000億美元／年。此外，利用納米材料的獨特性能，通過納米技術還可以改進各種功能材料，例如，質量輕但是透明度好的玻璃材料。