文档介绍：纳米材料的研究与发展
廖珊
广西玉林师范学院物理与信息科学系应用物理学2008级
摘要:综述了纳米材料的特点,研究的概况和纳米材料的制备方法,重点论述了纳米材料的应用领域(医学、环境科学、工业及其它)和发展趋势,展望纳米科技的未来。
关键词:纳米材料;研究与应用;发展趋势
前言:材料是国民经济和社会发展的物质基础和先导,是人类文明的三大支柱之一。20世纪末,纳米材料的开发和应用,引起了世界各国政府、科学技术界、军界的重视。纳米技术的发展,将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。因此,近几年来,纳米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青睐。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料,包括纳米粉体(零维纳米材料,又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等)、纳米纤维(一维纳米材料)、纳米薄膜(二维纳米材料)、纳米块体(三维纳米材料)、纳米复合材料和纳米结构等。此外,纳米材料表面电子结构和晶体结构发生变化,从而产生了宏观物体所不具有的四大效应:小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应,使得其具有传统材料所不具备的一系列优异的力、磁、电、光学和化学等宏观特性,从而使其作为一种新型材料在宇航、电子、冶金、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。例如,纳米粉体可用于:高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料,如纳米碳管,可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计,具有优良的综合性能,可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。
纳米材料的研究概况
美国自1991年开始将纳米技术列为“政府关键技术”及“2005年战略技术”,日本、欧盟也纷纷开展了纳米技术的研究。我国的“863计划”和“973”计划”
也将纳米材料的研究列入了重点课题。自70年代纳米颗粒材料问世以来,80年代中期在实验室合成了纳米块体材料,至今已有20多年的历史,但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在80年代中期以后。从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段。第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。1984年,格雷特采用气体冷凝方法,制备成功铁纳米微粉。随后,美国、德国和日本科学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。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。1993年《自然》的副主编曾预言“以单电子隧道效应为基础设计的单电子晶体管可能诞生在下一世纪的初叶”,他的预见发表不到2年,日本率先在实验室研制成功纳米结构的三级管,紧接着美国的普度大学也在实验室研制成功纳米结构的晶体管。1995年超低功耗和高集成的纳米结构单电子三级管在美国研制成功,使人们对于纳米结构的研究对下一代量子器件的诞生的重要性有了进一步认识[4]。第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究
的新的热点。高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合、纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点。国际上,把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系,包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性,那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系,更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。
纳米材料的制备方法
纳米材料包括纳米粉末和纳米固体两个层次。纳米粉末的制备一般可分为物理方法(蒸发—冷凝法、机械含重化)和化学方法(化学气相法、化学沉淀法、水热法、溶胶—凝胶法、溶剂蒸发法、电解法、高温蔓延合