曾琦斐, 譚榮喜, 王貴華

(1.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工商管理系,湖南衡陽 421005;2.湖南省衡陽市金原科技有限公司,湖南 衡陽 421005)

諾貝爾獎獲得者 Feyneman曾經(jīng)預(yù)言:如果對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制,就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化.他所說的材料就是納米材料.1984年德國薩爾蘭大學(xué)的 Gleiter以及美國阿貢試驗(yàn)室的 Siegel相繼成功制得純物質(zhì)的納米細(xì)粉,使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段.1990年 7月在美國召開第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議,宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支.

1 什么是納米材料

納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1～100 nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料.納米材料中,界面原子占極大比例,原子排列互不相同,界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān),從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài).納米晶粒和高濃度晶界是納米材料的兩個(gè)重要特征.納米晶粒中原子排列已不能處理成無限長程有序,通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級,高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變.由于其組成單元的尺度小,界面占用相當(dāng)大的成分,由納米微粒構(gòu)成的體系具有不同于通常大塊宏觀材料體系的許多特殊性質(zhì).其具有五個(gè)特殊效應(yīng)即表面效應(yīng)、介電限域、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng).

2 納米材料的特性[1-6].

2.1 力學(xué)性質(zhì)

納米材料強(qiáng)度與粒徑成反比.納米材料的位錯(cuò)密度很低,位錯(cuò)滑移和增殖符合 Frank-Reed模型,其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑要大,增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大,其位錯(cuò)滑移和增殖不會發(fā)生,這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng).由于納米材料具有大的界面,界面的原子排列相當(dāng)混亂,原子在外力變形的條件下容易遷移,表現(xiàn)出良好的韌性與延展性.應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料,其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高.例如,氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂;呈納米晶粒的金屬比傳統(tǒng)粗晶粒金屬硬3～5倍;納米陶瓷具有良好的韌性,等等.

2.2 磁學(xué)性質(zhì)

當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2,在這情況下,感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為 3%,已不能滿足需要,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá) 50%,可用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭,具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音.目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2.同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系,可用作新型磁傳感材料.高分子復(fù)合納米材料對可見光具有良好的透射率,對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多,對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低 3個(gè)數(shù)量級,磁性比 FeBO3和FeF3透明體至少高 1個(gè)數(shù)量級,在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有廣泛的應(yīng)用.

2.3 電學(xué)性質(zhì)

由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大,納米材料的電阻高于同類粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬 -絕緣體轉(zhuǎn)變(SIMIT).利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特點(diǎn),可用于取代常規(guī)半導(dǎo)體器件.2001年用碳納米管制成的納米晶體管,表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性.根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性,已成功研制出單電子晶體管和邏輯電路.

2.4 熱學(xué)性質(zhì)

由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)?納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)大于同類粗晶材料和非晶體材料,在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有廣泛的應(yīng)用.如 Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用,能有效地將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能.固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí),其熔點(diǎn)是固定的,超細(xì)微化后熔點(diǎn)將顯著降低.如常規(guī)金熔點(diǎn)為 1337 K,當(dāng)顆粒尺寸減小到 2納米時(shí)熔點(diǎn)為 600 K.

2.5 光學(xué)性質(zhì)

納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長,與入射光有交互作用,光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制,在光感應(yīng)和光過濾中應(yīng)用廣泛.由于量子尺寸效應(yīng),納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜一般存在藍(lán)移現(xiàn)象,其光吸收率大,可應(yīng)用于紅外線感測器材料.金屬超微顆粒對光的反射率很低,可低于 1%,大約幾微米的厚度就能完全消光.利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料,高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電?

3 納米材料的應(yīng)用[1.2、7～11]

3.1 在半導(dǎo)體中的應(yīng)用

當(dāng)前微處理器已達(dá)到 550萬個(gè)晶體管的集成度、600 MHZ的頻率和 0.18的線寬,仍滿足不了技術(shù)發(fā)展的需要.根據(jù) Intel公司預(yù)測,到 2011年微處理器將達(dá)到 10億個(gè)晶體管的集成度、10GHz的頻率和 0.07的線寬,這使以硅為主要材料的超大規(guī)模集成電路(VLSI)的工藝和原理達(dá)到極限,要繼續(xù)發(fā)展必須尋求工藝和技術(shù)突破.“光電集成”就是其中一個(gè)途徑,在硅電路中用光連接取代電連接.然而大塊的硅或鍺的發(fā)光效率很低,且發(fā)光波段在近紅外,不適合“光電集成”.尋求一種有效產(chǎn)生光發(fā)射的硅基材料已成為材料科學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn).半導(dǎo)體納米材料在可見光區(qū)具有較高的發(fā)光效率,發(fā)光波段與發(fā)光效率可由納米材料的尺寸得以控制.此外,多孔硅中的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)、二元半導(dǎo)體化合物中的嵌埋結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體超晶格材料,在光纖通訊和光探測器方面有廣泛的應(yīng)用.

3.2 在磁性材料中的應(yīng)用

納米磁性材料包括納米磁粉材料、納米磁膜材料和納米磁性液體.在鐵磁質(zhì)納米磁性材料中,存在磁單疇結(jié)構(gòu),具有超順磁性,即納米結(jié)構(gòu)的尺寸小于磁單疇的臨界尺寸時(shí),納米結(jié)構(gòu)中的原子磁矩有序化,具有順磁質(zhì)的特性,而在無外場時(shí),對任何一個(gè)方向都不顯磁性.加外磁場后,形成磁矩有序化,形成過程不是瞬時(shí)的,而有一個(gè)馳豫時(shí)間.超順磁性材料,矯頑力遠(yuǎn)比普通材料大,對高密度磁記錄元件十分重要.

3.3 在催化劑領(lǐng)域應(yīng)用

納米粒子表面積大、表面活性中心多,為催化劑提供了必要條件.目前納米粉材如鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等廣泛用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)的催化劑.如用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑,燃燒效率提高 100倍;以粒度小于 100 nm的鎳和銅 -鋅合金的納米材料為主要成分制成加氫催化劑,可使有機(jī)物的氫化率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的 10倍;用納米 TiO2制成光催化劑具有很強(qiáng)的氧化還原能力,可分解廢水中的鹵代烴、有機(jī)酸、酚、硝基芳烴、取代苯胺及空氣中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物.

3.4 在醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)的應(yīng)用

藥品顆粒小容易被人體吸收,使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì),在納米的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品,納米級粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便,用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織;利用納米技術(shù)制成納米機(jī)器注入人體血管內(nèi),可對人體進(jìn)行全身健康檢查和治療,吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞、疏通腦血管中的血栓、清除心臟動脈脂肪沉積物、修復(fù)損壞器官、進(jìn)行人體肢體再生、人體整容等;在人工器官表面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排異反應(yīng),等等.

3.5 在軍事上的應(yīng)用

能有效吸收入射雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能材料稱為雷達(dá)波吸收材料(簡稱吸波材料).吸波材料的研究在國防上具有重大意義,這種“隱身材料”的發(fā)展和應(yīng)用,是提高武器系統(tǒng)生存和突防能力的有效手段.納米金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為吸波材料研究的熱點(diǎn).納米微粉是一種非常有發(fā)展前途的新型軍用雷達(dá)波吸收劑.例如,將納米涂料涂在飛機(jī)上可以制造隱形飛機(jī).

3.6 在電子工業(yè)中的應(yīng)用

在電子領(lǐng)域,可以從閱讀硬盤上讀取信息的納米級磁讀卡機(jī)以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米級存儲器芯片都已投入生產(chǎn).可以預(yù)見,未來以納米技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)處理信息的速度將更快、效率將更高.利用納米技術(shù)制造的分子邏輯器件的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的微處理器和隨機(jī)存取存儲器芯片的容量,可實(shí)現(xiàn)通訊瞬時(shí)化.采用納米化材料后,計(jì)算機(jī)可以縮小成“掌上電腦”,體積將比現(xiàn)在的筆記本電腦小得多.

3.7 在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用

化妝品方面,納米微粒由于具有良好的粘附力和對紫外線的吸收功能,可制成抗掉色的口紅、防灼的高級化妝品.例如,在化妝品中添加納米ZnO,既能屏蔽紫外線防曬,又能抗菌除臭.涂料方面,運(yùn)用納米技術(shù)可使涂料的許多指標(biāo)大幅度提高,外墻涂料的耐洗刷性由 1千多次提高到 1萬多次,老化時(shí)間延長兩倍.例如,在涂料中添加納米 SiO2可使其抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍提高;添加納米 TiO2可制成殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料,用于房屋內(nèi)墻涂飾.陶瓷方面,納米 ZnO可使陶瓷制品燒結(jié)溫度降低 400～600℃,燒成品光亮如鏡,加有納米 ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有機(jī)物的自潔作用.利用納米碳管獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)、大的比表面、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器,使化學(xué)反應(yīng)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行.

4 納米材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[12～20]

自 20世紀(jì) 70年代納米材料問世以來,納米材料研究經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段(1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索制備各種材料的納米顆粒粉體,合成塊體,研究評估表征的方法,探索納米材料的特殊性能.第二階段(1994年以前)主要研究如何利用納米材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料.第三階段(從 1994年以后)主要研究納米組裝體系,其基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系.

目前,美國在納米基礎(chǔ)理論、納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術(shù)等方面居世界前列.2001年,美國通過了“國家納米技術(shù)啟動計(jì)劃”,目標(biāo)是到 2010年培養(yǎng) 80萬名納米技術(shù)人才,納米技術(shù)創(chuàng)造的 GDP達(dá)萬億美元以上,提供 200萬個(gè)就業(yè)崗位.2003年,在美國政府支持下,英特爾、蕙普、IBM及康柏等公司正式成立研究中心,在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產(chǎn)線.歐洲在涂層和新儀器應(yīng)用方面居世界前列,早在“尤里卡計(jì)劃”中就將納米技術(shù)研究納入其中.日本在納米設(shè)備和強(qiáng)化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域居世界前列,把納米技術(shù)列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略四大重點(diǎn)領(lǐng)域之一,制定了宏偉的“納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”.我國在上世紀(jì) 80年代已將納米科技列入“863計(jì)劃”并取得突出成果:研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導(dǎo) CVD、等離子加熱氣相合成等納米材料制備裝置;發(fā)展了化學(xué)共沉淀、溶膠一凝膠、微乳液水熱、非水溶劑合成和超臨界液相合成等納米材料制備方法,制備出金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體;在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合微粒和粉體的制取及巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)和自旋波共振等方面取得創(chuàng)新性進(jìn)展;成功研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷;發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常 Hall-Petch效應(yīng);大面積定向碳管陣列合成、超長納米碳管制備、氮化鎵納米棒制備、納米絲和納米電纜的合成、用苯熱法制備納米氮化鋅微晶、用催化熱解法制成納米金剛石;建立了制備納米結(jié)構(gòu)組裝體系的多種方法如自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長等,成功制備多種納米材料和納米組裝體系,為進(jìn)一步研究納米材料奠定了基礎(chǔ).

當(dāng)前,納米材料研究有三個(gè)特點(diǎn):①研究內(nèi)涵不斷擴(kuò)大.第一階段主要集中在納米顆粒及其組成的薄膜與塊體,現(xiàn)在發(fā)展到納米絲、納米管、微孔和介孔材料.②納米材料的概念不斷拓寬.第一階段,納米材料僅包括納米微粒、納米塊體、納米薄膜,現(xiàn)在發(fā)展到納米組裝體系.③納米材料的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn).據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國際上已有 30多個(gè)納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線,陶瓷納米粉體對常規(guī)陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加塑料改性及納米材料在環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用研究相繼開展.同時(shí),納米材料研究呈現(xiàn)五個(gè)新動向:①納米組裝體系藍(lán)綠光的研究出現(xiàn)新苗頭;②巨電導(dǎo)的發(fā)現(xiàn);③顆粒膜巨磁電阻尚有潛力;④納米組裝體系設(shè)計(jì)和制造有新進(jìn)展;⑤加強(qiáng)控制工程研究,包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制.

從各國對納米材料和納米科技的部署來看,當(dāng)前世界各國納米科技戰(zhàn)略是:以經(jīng)濟(jì)振興和國家實(shí)力的需求為目標(biāo),牽引納米材料的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究;組織多學(xué)科的科技人員交叉創(chuàng)新,做到基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究并舉,納米科學(xué)、納米技術(shù)并舉,重視基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接,重視技術(shù)集成;重視發(fā)展納米材料和技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品,提高技術(shù)含量;重視納米材料和納米技術(shù)在環(huán)境、能源和信息等領(lǐng)域的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展.

可以預(yù)見,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步,納米科技和納米材料的研究將不斷深入,對社會的影響將越來越大.面對科技發(fā)展的大好形勢,我們必須加倍重視納米科技的研究,注重納米技術(shù)與其它領(lǐng)域的交叉,推動知識和技術(shù)創(chuàng)新,為 21世紀(jì)中國經(jīng)濟(jì)騰飛奠定基礎(chǔ).

[1] 陳 飛.淺談納米材料的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技,2009,(3):229.

[2] 邵剛勤.超細(xì)晶粒 WC硬質(zhì)合金研制動態(tài)[J].武漢理工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,21(6):18-20.

[3] 李 泉.納米粒子[J].化學(xué)通報(bào),1995,(6):29-32.

[4] 楊 邁.半導(dǎo)體納米粒子的基本性質(zhì)及光電化學(xué)特性[J].化學(xué)通報(bào),1997,(1):20-24.

[5] 周宇松.納米金屬的力學(xué)性能[J].力學(xué)進(jìn)展,2001,(1):62-69.

[6] 方秀葦.可反應(yīng)性納米 SiO2/尼龍1010復(fù)合材料的制備和力學(xué)性能[J].材料研究學(xué)報(bào),2008,(5):521-525.

[7] 溫得英.淺談納米材料和技術(shù)的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2008,(7):179-180.

[8] 吳新建.納米材料及技術(shù)的應(yīng)用與展望[J].福建教育學(xué)院學(xué)報(bào),2001,(2):36-39.

[9] 張震宇.納米材料在汽車涂料中的應(yīng)用進(jìn)展[J].材料保護(hù),2007,(11):49-52.

[10] 高善民.納米材料在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2000,(5):10-12.

[11] 陳心中.納米技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景[J].物理與工程,2001,(6):39-43.

[12] 王文中.納米材料的性能、制備和開發(fā)應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào),1994,(6):8-10.

[13] 郭 永.納米粒子的制備方法及其進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào),1996,(3):14.

[14] 蘇碧桃.納米粒子制備中的高分子[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào),1997,33(4):106-107.

[15] 祖 簫.超細(xì) TiO2的合成研究[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào),1998,28(11):51-56.

[16] 翟慶洲.納米材料研究進(jìn)展Ⅱ[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,1998,10(4):331-340.

[17] 文玉華.納米材料的研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2001,(1):47-61.

[18] 高善民.納米材料的制備[J].現(xiàn)代化工,1999,(10):46-48.

[19] 薛群基.納米化學(xué)[J].化學(xué)進(jìn)展,2000,12(4):431-434.

[20] 劉 慶.電化學(xué)法制備納米材料的研究現(xiàn)狀[J].材料保護(hù),2004,(2):33-36.