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。

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 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