纳米材料介绍

 新闻资讯     |      2017-06-01 21:44
       纳米技术诞生于20世纪80年代末期。它是一门多学科交叉性前沿领域的新兴学科。自从它被人们发现和认识以来,其所表现出来的神奇的性能越来越引起广大学者的兴趣,如今,纳米技术研究开展得如火如荼,并且已经有许多研究成果开始造福人类,提高人民生活水平。
       纳米技术(nanotechnology),是指在1nm至100nm尺寸范围(对于纳米尺度的直观理解可参看图1)内研究物质(包括原子,分子操纵)的结构、特性和相互作用,以及其应用的多学科交叉的科学技术。概括地讲,就是指纳米尺度上的新材料技术,并且可以通过直接操纵原子、分子来组装和创造具有特殊功能的新产品。纳米技术是人类从材料科学范畴重新认识自然和改造自然的学科。
图1 不同物体的相对尺度大小
 
       经过20多年的发展,纳米科技显现出它与众多学科的密切相关性,纳米技术与传统学科相结合,已经产生许多新的学科领域。以研究对象或工作特点分类,纳米科技分为三个领域:纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征。如果按照纳米技术应用的范围分类,则包括:纳米材料学、纳米电子与器件、纳米加工与纳米器械、纳米生物与医药。无论哪种分类方法,其中纳米材料是纳米科技的基础,任何一个领域的发展与突破都有赖于材料方面的进步。广而言之,整个社会生产的创新绝大部分要归囿于材料的创新以及在此基础上衍生的新技术。纳米材料和纳米结构是当今新材料领域中最活跃、最接近实际应用的重要组成部分。
1. 纳米材料的概念
       目前,普遍认可的纳米材料的定义为:物质材料的结构组成相或晶粒结构小于100nm并具有特殊性能的材料。从几何角度来加以区分,纳米材料科学的研究对象应包括以下几个方面:横向结构尺寸小于100nm的物体;粗糙度小于100nm的表面;纳米微粒与多孔介质的组装体系;纳米微粒与常规材料的复合等。
       以纳米尺度为基准,按照空间维数将纳米材料可分为零维、一维、二维和三维等四种类型,如图2所示:(1)零维即指三维尺度上都处于纳米量级的材料,也就是所谓的纳米粒子,或称为超微粒子;(2)一维,是指两维尺度均处于纳米量级,如纳米丝、纳米棒、纳米带、纳米管;(3)二维,即在二维方向上尺寸为纳米量级的结构,如纳米膜;(4)三维,是指纳米晶粒结构组成的块材。各维结构的纳米材料都有其独特的性能和用途,低维纳米材料是构成高维纳米材料的基本单元,能够影响或决定所构成材料的根本性能。尽管各维结构的纳米材料都有其独特的性能和应用领域,但在宏观应用上,主要还是开发使用纳米块体材料,即纳米晶体材料。
图2 不同结构形态的纳米材料

2 纳米材料的奇异性能
当微粒尺寸为纳米量级(约为1nm~100nm)时,微粒和它们构成的纳米固体具有一些特殊的特性。
2.1 表面与界面效应
纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而增大,如表1所示。
 
表1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
尺寸/nm 总原子数 表面原子占比例/% 比表面积/(m2/g)
10 3×104 20 90
4 4×103 40 225
2 2.5×102 80 450
1 30 99 900
       当粒径降至1nm时,表面原子数比例已达到99%,原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于表面原子数增多,表面原子配位数不足以适应高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化、纳米微粒表面原子输运和构型的变化。鉴于此,可以将这一特性应用于催化作用和助剂材料。
2.2 小尺寸效应
       在物质的颗粒减小到纳米尺度(<100nm)时,将引起物质的宏观物理、化学性质上的变化,称为小尺寸效应。从而,使得在力学、热学、光学及磁性等方面显示出优异性质。因为纳米相的各种材料,其结构组织基本上是由微细的晶粒和大量的界面所构成,其表现出极佳的力学性能,如高强度、高硬度、良好的塑性和韧性。这一点恰是金属材料应用所要追求的目标。
2.3 量子尺寸效应
       量子效应是指粒子尺寸减小到某一值时,它的性能由原来的连续性变成完全不同的不连续性能。当物质由宏观块材向超微粒子转变,原本在大块材料中的连续的能带随着而分裂为分立的能级。能级间的距离随颗粒尺寸减小而增大,当热能、电场能和磁场能比平均的能级间距还小时,微粒会呈现一系列与宏观块体材料迥异的性质,这就是量子尺寸效应。如:导电的金属在制成纳米粒子时,可能变成半导体或绝缘体。
2.4 宏观量子隧道效应
       电子在一定条件下能穿越势垒,从而参与导电,这一过程称为隧道效应。之所以存在这一效应是由于电子的“波粒二象性”。
近年来,研究发现一些宏观物理量,如颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等也显示隧道效应,故称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义,它限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间极限,为开发信息材料提供基础信息。
以上的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此而外,纳米材料还具有介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等特性。这些特性使纳米微粒和固体表现出许多奇异的物理、化学性质。