纳米材料的研究及应用

时间：2021-11-09 08:35:49 论文范文我要投稿

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。

是

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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