劉姝君

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院化學工程學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能受到了人們的密切關(guān)注。通過化學、物理、生物等多學科的知識和方法制備出來的納米材料也應用到社會生產(chǎn)的各個領域當中，如改造汽車發(fā)動機部件、制造微型化的軍事武器等，因此起到了減少能源消耗和提高使用性能的作用。然而，納米材料制備和實際應用尚存在著許多的問題，如制備方法不夠全面、應用范圍較為狹窄等。這些都給納米材料的應用發(fā)展帶來了較大的影響，因此迫切需要對納米材料進行更加深入的研究，并結(jié)合應用領域的實際需要，采用更加有效方法進行制備，以促進社會各領域的發(fā)展。鑒于此，筆者對納米材料的制備方法和應用領域進行研究與分析。

2 納米材料及其特性

納米材料作為一種新型材料，指的是在三維空間中至少有一堆處于納米尺寸或由其作為基本單元所構(gòu)成的材料。

納米材料的特性主要表現(xiàn)為以下幾方面：

（1）表面效應

納米微粒的尺寸比較小，表面能較高，位于表面的原子則占據(jù)了較大的比例，并且隨著粒徑的不斷減小，表面原子數(shù)呈現(xiàn)出迅速增加的狀態(tài)。因此，納米材料的表面效應就是納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑變小而急劇變大后所引發(fā)的性質(zhì)變化。尤其是在粒徑降低至1 nm 后，表面原子數(shù)的比例可以達到90%以上，此時原子基本都集中在納米粒子表面，這也從側(cè)面反映出納米材料具有較好的化學活性。

（2）小尺寸效應

當超細微粒的尺寸與光波波長以及超導態(tài)的相干長度相當或更小時，晶體周期性的邊界條件就會被破壞，使得納米微粒的光學和熱力學等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應。例如：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著不同，并展現(xiàn)出超順磁性的特點[1]。

（3）量子尺寸效應

當粒子尺寸下降至某一固定值后，金屬費米能級附近的電子能級會出現(xiàn)離散能級的現(xiàn)象，使得所占據(jù)的分子軌道能隙變寬。通過納米材料的量子尺寸效應，還可以對納米粒子的熱能、靜電能、光子能量等特性作出更直接的解釋。

（4）宏觀量子隧道效應

微觀粒子所具備的可以貫穿勢壘的能力，被稱之為隧道效應。作為未來微電子器件的基礎，當微電子器件進一步細微化時，就必須對宏觀量子隧道效應進行充分考慮。

3 納米材料的制備方法

3.1 物理法

3.1.1 氣體冷凝法

氣體冷凝法是在低壓He 或Ar 等惰性氣體中，對金屬、合金和陶瓷等進行加熱，促使其蒸發(fā)氣化，再與惰性氣體碰撞而冷凝形成超微粒的方法。整個制備過程不僅要在超高真空室內(nèi)進行，還要采用分子渦輪的方式使材料達到0.1 Pa 以上的真空度，先充入約2 kPa 的純凈惰性氣體，再將待蒸發(fā)物質(zhì)置于坩堝內(nèi)，然后通過石墨加熱器逐漸加熱蒸發(fā)，而在惰性氣體的對流影響下，煙霧會不斷向上移動，當原物質(zhì)發(fā)出的原子與惰性氣體碰撞后會迅速損失能量完成冷卻，最終形成單個納米微粒。該制備方法主要用于Ag、Cu和Au 等低熔點金屬納米粒子的合成，具有十分明顯的設備簡單、操作方便和粒度齊整等優(yōu)點。

3.1.2 等離子體加熱蒸發(fā)法

等離子體是由大量自由電子和離子的氣體分子和原子所組成的，整體上表現(xiàn)為近似于電中性的電離氣體。當高溫等離子體以100～500 m/s的速度到達金屬或化合物原料表面后，可迅速溶解于金屬溶體，并形成溶解的超飽和區(qū)、過飽和區(qū)和飽和區(qū)，當原子或離子進行重新組合后，再從金屬溶體表面溢出，所蒸發(fā)出的金屬原子蒸汽受到遭遇周圍氣體影響后，就會快速冷卻或者發(fā)生反應，最終形成納米粒子。該制備方法幾乎可以制取任何金屬的微粒，并且急冷形成原物質(zhì)的納米離子為純粹的物理過程。當然，該法也存在不足，如等離子體噴射的射流容易將金屬熔融物質(zhì)吹飛。

3.1.3 濺射法

采用濺射法制備納米微粒主要是用兩塊金屬板分別作為陽極和陰極，其中陰極是蒸發(fā)用的材料，通過在兩電極間充入40～250 Pa 的Ar 氣，并施加0.3～1.5 kV 的電壓，在電場的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從表面蒸發(fā)而形成超微粒子，最終在附著面上進行沉積。整個過程中粒子大小和尺寸的分布主要取決于兩電極間的電壓、電流和氣體壓力，并且靶材的表面積越大，原子的蒸發(fā)速度就越高，最后獲得的超微粒也就越多。該制備方法具有實際應用不需要使用坩堝、粒子收率高等優(yōu)點[2]。

3.2 化學法

3.2.1 溶膠-凝膠法

作為濕化學反應方法之一，無論初始原料使用的是金屬醇鹽還是無機鹽，其主要反應步驟都是前驅(qū)物溶于溶劑形成均勻的溶液后，先在溶質(zhì)與溶劑發(fā)生醇解反應，生成物聚集成1 nm 左右的粒子，再經(jīng)過蒸發(fā)干燥后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。該制備方法具有反應溫度低、過程易于控制和制品純度高等優(yōu)勢，但是由于操作過程所使用原料多為有機化學物，不僅需要投入較多的成本，處理過程時間還比較長。

3.2.2 化學氣相沉積法

氣相沉積是利用氣態(tài)或蒸汽態(tài)物質(zhì)在氣相或氣固界面上生成固態(tài)沉積物的技術(shù)?；瘜W氣相沉積則是近年發(fā)展起來的制備無機材料的新技術(shù)，在提純物質(zhì)、研制新晶體和沉積各種單晶等材料中的應用較多。采用化學氣相沉積法制備納米微粒主要是在遠高于臨界反應溫度的條件下，通過化學反應使反應產(chǎn)物蒸汽形成較高過飽和蒸氣壓，并自動凝聚形成大量晶核，隨著這些晶核的不斷長大，會聚集成顆粒并跟隨氣流進入低溫區(qū)，最終在收集室內(nèi)得到納米粉體[3]。該制備方法具有可得到單一無機合成物質(zhì)、沉積生成納米尺度的微粒等優(yōu)勢。

3.2.3 水熱合成法

在水熱條件下，水可以作為一種化學組分起作用并參加反應。在這過程中，水既是溶劑又是礦化劑，同時還可以作為壓力傳遞介質(zhì)，在參加滲析反應和控制物理化學因素中，實現(xiàn)對無機化合物的改性與形成。該制備方法具有粉末達到納米級、分散性較好、形狀可控等優(yōu)勢。

4 納米材料的應用領域

4.1 催化領域

由于納米粒子的活性中心比較多，將其應用于催化領域，可以起到降低能耗和節(jié)約成本的作用。例如：與普通材料相比，納米鎳粉作為火箭的固體燃燒原料，其燃燒效率可以提高100 倍，與常規(guī)催化液相比則提高了2～3 個數(shù)量級，進一步提升了火箭的發(fā)射速度，減少了整個過程的能源消耗量。另外，在將納米材料作為催化劑時，要選擇粒徑為30 nm 的生成環(huán)辛烯反應催化劑，只有這樣才能充分發(fā)揮納米材料的催化作用[4]。

4.2 陶瓷領域

納米材料在陶瓷領域應用較為廣泛，特別是在精細陶瓷制作方面。由于精細陶瓷主要以人工合成為主，在將高純度納米粉末應用至其中后，可以通過對納米粉末進行燒結(jié)、加工等處理，得到更為精細的陶瓷制品。在精細陶瓷制作過程中，應用納米粉末就可以充分發(fā)揮其高堅韌性和耐腐蝕性等特征，從而更好地滿足精細陶瓷行業(yè)發(fā)展的最新需求[5]。另外，在常溫條件下，納米陶瓷TiO2和CaF2擁有更好的延展功能，這也為新時期陶瓷行業(yè)獲得縱深發(fā)展提供了有力支持，促使人們在設計和制作陶瓷產(chǎn)品時，注重以更加科學合理的方式將納米粉末融入其中。

4.3 紡織領域

納米粒子所具備的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性，決定了其在紡織領域具有較高的應用價值。將納米材料應用紡織物生產(chǎn)制作中，不僅可以制作出具有更多功能的紡織物；還可以在制作過程中，通過對納米材料進行處理和分解，使納米粒子與粘膠纖維更為有效地混合，最終制作出紡織物的質(zhì)量也能得到了明顯的提高。同時，采用納米材料制作紡織物，還可以起到提高紡織物性能的作用。在具體操作中，只需對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性加以利用，就可以使制作紡織物具備抗紫外線和抗電磁波等功能。

4.4 軍事領域

在軍事領域進行應用納米材料可以制造出更加先進的武器設備。與傳統(tǒng)武器相比，應用納米材料所制作的軍用武器具備超微型化特征，并且在武器重量和體積方面呈現(xiàn)出急劇降低的特點。因此，在訓練和作戰(zhàn)中應用超微型化的武器裝備，不僅減輕了軍人的身體負擔，還能提升隊伍的整體作戰(zhàn)能力。同時，應用納米材料制作的軍事武器還具備高度智能化特征，尤其是在工作速度方面，比傳統(tǒng)武器快速了千倍以上，而體積則縮小近千分之一，還支持同一時間獲取更多信息，為國防現(xiàn)代化建設發(fā)展創(chuàng)造了無限價值[6]。

4.5 磁記錄領域

作為信息儲存與處理的重要手段，磁記錄在社會進步發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著信息網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對磁記錄應用的重視程度也在逐漸提升。將納米材料應用到該領域當中，就可以充分發(fā)揮納米微粒尺寸較小、韌性較強和單磁結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，使新時期磁記錄功能更加完善和強大，從而切實解決噪音、圖像質(zhì)量偏低等問題。在實際操作中，通常會采用超細針磁粉作為磁記錄的主要材料，這樣磁記錄密度就可以提高十倍及以上。

4.6 傳感器領域

憑借納米微粒所具有活性較高、表面積大的特征可以制作氣敏、光敏等不同形式的傳感器。有了納米材料的加持，使所制作的傳感器具有靈敏度高的特點，還可以利用納米微粒的熱電效應制作紅外線傳感器。只有這樣才能在有效發(fā)揮納米微粒多樣化功能的同時，制作出更多的且能夠滿足不同領域需求的傳感器[7]。

4.7 光伏電池領域

納米材料在光伏電池制作中的應用很早就已經(jīng)開始了，并且納米光伏電池的制備也較為簡單，只需要借助太陽輻射光源獲得光電轉(zhuǎn)換效率即可。在實踐中，除了較為常見的TiO2納米晶光電池以外，還有ZnO、WO3等光伏電池。應用納米材料制作光伏電池，不僅豐富了光伏電池的種類，還在最大程度上滿足了不同電池性能的使用需求。

4.8 醫(yī)學領域

血液中紅血球的大小有6 000～9 000 nm，而納米粒子則只有幾個納米大小，這從側(cè)面說明納米粒子可以在血液中自由的活動。如果將各種有治療作用的納米粒子注入到人體中，就可以對病變部位進行檢查和治療。同時，將納米技術(shù)應用到藥品生產(chǎn)當中，也可以促進藥品生產(chǎn)精細化發(fā)展。尤其是在制造特定功能藥品時，可以在納米材料的基礎上直接利用原子、分子的排布，這樣就憑借納米粒子的加持使藥物在人體內(nèi)更加方便靈活地傳輸[8]。

5 結(jié)語

納米材料作為一種新型材料，具有較好的光學和力學性能，并在社會各領域中有較好的應用價值，如利用納米材料推進武器制作微型化和智能化，利用納米粒子生產(chǎn)特定藥品等。當然，要達到理想效果，就要選用合適的方法對納米微粒進行制備。因此，應奠定好納米材料在醫(yī)學、軍事和紡織等領域中的深化應用基礎同時，進而促進納米材料獲得更好的發(fā)展。