纳米材料及应用论文1

2011年10月

【摘要】介绍纳米材料的概况及纳米材料的特异效应，与各种特异效应对应的应用前景，最后补充了纳米材料具有潜在的危害。

【关键词】纳米材料 纳米效应 特异性

当人类步入21 世纪的时候，以纳米粒子为代表的前沿材料将扮演重要的角色，纳米技术的发展，必将给我们的生活带来巨大的变化，虽然纳米材料的研制和开发还处于起步阶段，但它所带来的影响将是其它材料所无法与之相比的。

纳米材料

纳米（nanometer）是一个长度单位：

1nm103m106mm109m

通常把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。

纳米材料从兴起到现在, 它的研究发展阶段大致可分为以下三个阶段。

第一阶段( 1977- 1990 年)，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议( NTS-1) 为标志，纳米材料科学正式成为材料科学的一个新分支。

第二阶段( 1990- 1994 年)，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。

第三阶段( 1994- 至今)，纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装纳米结构体系。

广义地说，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。在维度上，我们将纳米材料分为三类：1、零维纳米材料，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒；2、一维纳米材料，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；3、二维纳米材料，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。在组成上，纳米材料依照组成不同又可分为多类：金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料等。其中复合纳米材料又可以分为三类：1、0-0复合：即由不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的固体；2、 0-2复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中；3、 0-3复合：即把纳米粒子分散到常规的三维固体中。

纳米材料的特异效应

当微粒的尺寸进入纳米量级( 1~ 100 nm) 时，其本身和由它构成的纳米固体具有如

下四个方面的特异性效应，也称为纳米效应。

小尺寸效应

当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应，它是其它效应的基础。

表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例如，利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点，在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效率。

量子尺寸效应

量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象。早在60年代就采用电子模型给出决定能级间距的著名公式：

4EF3N

其中为能级间距，EF为费米能级，N为总电子数。对常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数N），故常规材料的能级间距几乎为零（0）；而对纳米粒子，因其含原子数有限，有一定的数值，即能级发生了分裂。当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性

等。

宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如，微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应——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重要意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，将会是未来微电子器件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述量子效应。

上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁性的物质进入纳米级( ~ 5 nm)，因由多畴变成单畴而显示极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂等。由纳米微粒构成的纳米固体也是如此。例如，纳米金属铜的比热是传统纯铜的2倍；纳米固体钯的热膨胀提高1倍；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等。

纳米材料的应用

在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。例如，松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带，具有图像清晰、信噪比高、失真小的优点。

在半导体器件上的应用。纳米微电子材料的发展不但可以将集成电路进一步减小, 还

可以研制出能够在室温使用的单原子或单分子构成的各种器件。纳米技术必将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件及其它应用领域发挥重要的作用。

在传感器上的应用。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料。由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感，外界环境的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快，灵敏度高。例如，利用纳米NiO，FeO，CoO- Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化，可制成温度传感器（温度计、热辐射计）等。

在催化方面的应用。纳米粒子表面积大、表面活性中心多，是一种极好的催化材料。它不但可以大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能完全进行。如利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。

在工程方面的应用。纳米固体界面积巨大，熔点低，通常在高温下烧结的材料( 例如，SiC，WC，BN等)在纳米态下可以在较低温度下进行烧结，且不用添加剂仍然使其保持良好的性能。由于复相材料的熔点、相变温度不同，使其烧结比较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低，也使其相变温度降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能好的复相材料。例如，传统方法合成的BaTiO3体材料，其烧结温度大于900摄氏度，而BaTiO3纳米粒子的合成，其灼烧温度为650摄氏度。

在医学、生物工程上的应用。纳米粒子与生物体有着密切的关系，如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，同时生物体内的多种病毒也是纳米粒子。使用纳米药物不但可以杀灭人体内的细菌和病毒，清除人体内的垃圾，还可以有效地杀死癌细胞，它最大的优势在于用量达到临床使用剂量的4000多倍时，受试动物也无中毒表现，同时也不会使细菌产生耐药性。由于纳米粒子比红血球小得多，可以自由在血液中活动，因此，可以注入

各种纳米粒子到人体各个部位，检查病变和治疗。另外，可用纳米SiO2微粒进行细胞分离等。

纳米材料的危害

在一段时间里，我们一直认为纳米科技给社会带来的都是益处，而近年来，不少研究者发现，一些纳米颗粒和碳纳米管对生物体有害。

据《自然》杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学的研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域，即嗅球区，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告中指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米颗粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都表明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。

当物体缩小到纳米尺度，它的性质会发生明显变化。实验表明，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克的纳米二氧化硅，小白鼠就会立刻毙命。类似的实验还有，在含有直径为20纳米的聚四氟乙烯塑料颗粒的空气中生活15分钟的实验鼠，大多数在随后的4小时内死亡；而暴露在含有直径120纳米颗粒的空气中的对照组实验鼠则安然无恙。

纳米材料污染一旦进入人体，比普通污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒比微米颗粒数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小的剂量下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附能力

很强，荣比把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。

纳米科学是一门新兴的科学，正处于不断发展完善之中，很多研究仍处于定性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有：1、如何准确表征纳米材料的各种精细结构。2、如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。3、能否利用某种判据来预测微区尺寸减少到多大时， 材料表现出特殊的性能。4、纳米材料的危害方面更是有待更多纳米科学家和生物学家的合作，寻求有效的防止纳米材料危害生物体的方法和措施。在此基础上，逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分布的控制，最终向实现根据材料的性能要求，设计、合成目标纳米复合材料和设计组装具有特殊功能的微系统的方向发展，并开发其广阔的应用领域。

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