关于纳米材料的研究

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【摘 纳米材料的结构与性质 毛玉博 要】

纳米材料是近几年最受关注的新材料之一, 以其高表面活性,特殊的尺寸效应、光电效应、催化效应、广阔的应用前景等特点成为当今热点研究领域之一。当物质的结构单元小到纳米数量级时,会产 生特异的表面效应、体积效应和量子效应,其电 、磁 、光 和化 性质也相应地发生显著性的变化,呈现出常规材料不具备的优越性能。

【关键词】 纳米材料;结构;性质

1 引言

材料是划分时代的标志,是高新技术发展以及现代文明的重要物质基础之一。随着现代科学技术的迅速发展,对各类材料的要求愈来愈高,纳米材料就是在这种高技术需求的背景下产生的 [1]。

1959年,诺贝尔物理奖获得者费曼(Feynman)在美国加州理工程院召开的美国物理学会年会上做了题为《在底部还有很大空间》的演讲。他从“由下而上的方法”出发,提出从单个分子甚至原子 开始进行组装,以达到设计要求。他说道, “至少依我看来,物理 的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言, “当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大的扩充我们获得 物性的范围”。他所说的物体就是现在的纳米,这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标

志,费曼并不知道怎么去实现纳米技术。20世纪70年代,科 家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想, 1974年,科 家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。20世纪70年代后期,麻省理工院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究,但当时多数主流科 家对此持怀疑态度。纳米科技的迅速发展是在80年代末90年代初。80年代初德国材料科 家格莱特(Gleiter)教授利用惰性气体凝集的方法制备出纳米颗粒,并用X射线衍射等测试其内部结构,对纳米材料的结构和性能作了综合报道,提出了纳米晶体的概念,成为了纳米材料的创始者。1982年,科 家发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,揭示了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极的促进作用。随后,美国、德国和日本科 家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。为了总结和交流纳米材料的研究成果,推动纳米技术的发展,1990年7月在美国召开了“第一届纳米科 与技术讨论会”,这是纳米材料发展的一个里程碑 。 [2] 以后,各国科学家积极参与了对纳米材料物理和化 性能的研究,不断地发现纳米材料的特殊性能,使之成为材料科领域研究的热点。纳米材料对新材料的设计和发展以及人们对固体材料本质结构性能的认识都具有十分重要的价值,因此被科 家们誉为“21世纪最有前途的材料”[3] 。

事实上,世界上早就有纳米材料存在,天体的陨石碎片,人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。而浩瀚的海洋则是一个庞大超微粒的聚集场所 [4] 。据研究认为中国古代字画之所以历经千年而不褪色,是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚的了解而已 [5]。到80年代科 家才惊奇地发现,由几个到几千个原子组成的纳米颗粒既不同于宏观的大块物体,也不同于单个的原子和分子,而是一个颇具“个性”的奇特的群体[6] 。

2 纳米材料的微观结构

纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群,是一种典型的介观系统。因此,从结构上看,它是由两种组元构成的,即材料的体相组元晶体

原子和界面组元晶界。若是常规材料,截面应该是一个完整的晶体结构,但对于纳米晶来说,由于晶粒尺寸小,界面组元在整个材料中所占的比例极大, 晶界缺陷所占的体积比也相当大,尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构,但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同,由所有这样的界面原子组成的界面,其原子排列方式均不同。因此,在整体上构成了一种与晶态和玻璃态均有较大差别的、崭新的微观结构[7] 。

由于纳米粒子的这种特殊类型的结构,导致纳米材料具有一系列新异的物理、化 特性,而且这些特性是其他固体材料或常规材料根本所不具有的特性。

3 纳米材料的特性

3.1 尺寸效应

当超细微粒子尺寸与光波波长及传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等尺寸相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏从而产生一系列新奇的性质 [8] 。

3.1.1 特殊的光学性质

纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小,光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于1%,约几微米的厚度就能完全消光。相反,一些非金属材料在接近纳米尺度时,出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光具有很强的吸收性。

3.1.2 热学性质的改变

固态物质超细微化后其熔点显著降低。当颗粒小于10nm数量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064℃,当颗粒尺寸减小到2nm尺寸时熔点仅为327℃左右;

银的常规熔点670℃而超微银颗粒的熔点可低于100℃。

3.1.3 特殊的磁学性质

小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料有显著的不同,大块的纯铁矫顽力约为80A/m,而当颗粒尺寸减小到20nm 以下时,其矫顽力可增加1千倍,当颗粒尺寸约小于6nm 时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已做成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

3.1.4 特殊的力学性质

纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍;纳米金属比常态金属硬3- 5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性,因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列相当混乱,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。例如,氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。

3.2 表面与界面效应

与宏观物体相比,纳米粒子因为表面原子数目增多, 比表面积增大 [1] 。这会导致无序度增加,同时晶体的对称性变差,其部分能带被破坏,因而出现了界面效应 [9]。较大的比表面积和小尺寸的纳米粒子,导致位于表面的原子占有相当大的比例,原子配位不足,表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键,表面能高,因而这些表面原子具有高的活性 [10]。纳米材料较高的化学活性,使其具有了较大的扩散系数,大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。这种表面原子的活性就是表面效应。纳米粒子的表面界面效应,主要表现为:

(1) 熔点降低,这是由于表面原子存在振动弛豫,即振幅增大,频率减小;

(2) 比热增大。

3.3 宏观量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力 的粒子具有波粒二象性的观点出发的,解释粒子能够穿越比总能量高的势垒,这是一种微观现象。近年来,发现一些宏观量(如微颗粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等)也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应

[11]。用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础,或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。如在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近波长时,电子借助隧道效应而溢出器件, 器件便无法工作。经典电路的物理极限尺寸大约为0.25m[12,13] 。

3.4 介电限域效应

随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加,其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如,当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时,相对于裸露在半导体纳米材料周围的其他介质而言,被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜,从而导致它与裸露纳米材料的光 性质相比发生了较大的变化,这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时,使产生明显的介电限域效应。纳米材料与介质的介电常数相关越大,介电限域效应就越明显,在光 性质上就表现为明显的红移现象。同时介电限域效应越明显收光谱的红移也就越大 [14]。

参考文献

[1] 王文亮,李东升,巩育军等.21世纪最有前途的材料Ⅰ——纳米材料的结构与化 特性[J].延安大学学报(自然科学版), 2000,19(4):56—60.

[2] 陈景先.21世纪的新材料——纳米材料[ ].世界有色金属,1999,(1):33.J

[3] 张梅,陈焕春,杨绪杰等.纳米材料的研究现状及展望[J].导弹与航 运载技术,2000,(3):11—16.

[4] 张秀荣.纳米材料的分类及其物理性能[J].现代物理知识,2002,14(3):42—43.

[5] 翟华嶂,李建保,黄勇.纳米材料和纳米科技的进展、应用及产业化现状[J].材料工程,2001,(3):43—48.

[6] 杨芸,刘渝,张改莲.纳米材料与纳米技术的应用[J].化学教育,2001,(3):3—5.

[7] 文玉华,周富信,刘曰武.纳米材料的研究进展[ ].力学进展,2001,31(1):47—61.J

[8] 董伟,范微.跨世纪的新材料——纳米材料[J].化学教育,1999,(7- 8):8—10.

[9] 翟庆洲,裘式纶, 肖丰收等.纳米材料研究进展——纳米材料结构与化 性质[J].化学研究与应用,1998,10(3):8—17.

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[11] 石士考.纳米材料的特性及其应用[J].大学化学,2001,16(2):39—42.

[12] 陈月辉,赵光贤.纳米材料的特性和制备方法及应用[ ].橡胶工业,2001,51(3):182—188.J

[13] 杜仕国,施冬梅,邓辉.纳米材料的特异效应及其应用[J].自然杂志,2000,22(2):101—106.

[14] 王焕英.纳米材料的制备及应用研究[ ].衡水师专学报,2002,4(2):44—74.J

StructureandCharacterof Nano-Materials

LIU Fang

Abstract Nano-materials are one of thenovel materialswhich scientists are paying more and moreattention due to its high surface active， special size effect photo electric effect catalytic effect and wide application potential .When the size of material decreases to nano scale level ，special surface effect,volume effect,quantum effect were observed,electrical character,magnetic characters,optical character and chemical characters of material changed greatly.Nano-material shave high performance, but noneof normal materials.

Key ords Nano Materials ;Structure ;Character