纳米及其材料的应用

从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在 0.1 微米以下 ( 注 1 米 ＝ 100 厘米 ， 1 厘米 ＝ 10000 微米， 1 微米＝ 1000 纳米， 1 纳米＝10 埃 ) ．即 100 纳米以下，因此定义：颗粒尺寸在 1 ～ 100 纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料．纳米金属材料是 20 世纪 80 年代中期研制成功的，后来　　　　相继问世的有纳米半导体薄膜，纳米陶瓷、纳米瓷性材料、纳米生物医学材料等．
 
材料是一切事物的物质基础．从科学技术发展的历史看，一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持．如果没有 1970 年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维，也不会有现代的光通信；如果不制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和电子设备．
纳米是一种几何尺寸的度量单位， 1 纳米为百万分之一毫米，即 1 毫微米，也就是十亿分之一米．略等于四十五个原子排列起来的长度．纳米结构通常是指尺寸在 100 纳米以下的微小结构．
 
自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以 0. 1 至 100 纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，这就是纳米科技，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术．
 
纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品．
从 90 年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等．纳米科技是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础，将对人类未来产生深远影响．
纳米材料及其应用
 
一、神奇的介观世界 
    直到 80 年代，科学家们才惊奇地发现，在宏观与微观之间的纳米体系（介观）中，许多我们认为理所应当的性质都完全变了模样：在介观状态时，金属银竟会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降； 10-25nm 的铁磁金属微粒，其矫顽力比相同的宏观材料大 1000 倍，而当颗粒尺寸小于 10nm ，矫顽力变为零，表现为超顺磁性．
 
    进一步的研究证实，由于纳米材料尺寸小，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程短，电子的局域性和相干性增强．尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，量子尺寸效应十分显著，这便使纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性．
 
    随着物质粒径的减小，比表面积大大增加．粒径 5nm 的颗粒，表面占 50 ％，粒径 2nm 时，表面的体积百分数增加到 80 ％．庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，使纳米材料具有极强的吸附能力．这使得纳米粒子对于无论是促使物质腐败的氧原子、氧自由基，还是产生其他异味的烷烃类分子等，均具有极强的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能；还使纳米材料具有作为催化剂的基本条件．
 
二、巨大的应用价值 
    早在 1959 年，美国物理学家理查得范曼大胆地提出了一个设想： “ 如果有一天可以按照人的意志安排 - 个个原子的话，将会产生怎样的奇迹？ ” 终于，在 1989 年，美国 IBM 公司的科学家实现了用单个原子排列写出 IBM 的商标，日本科学家用单个原子排列了汉字 “ 原子 ” 的字型．到了这时候，科学家们的热情也由最初的探索纳米颗粒制备方法和其不同于常规材料的特殊性能，转向了如何利用它的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料、设计纳米组装体系和纳米结构材料，并应用到各个领域中去．  

    让我们看看在轻工领域纳米材料的应用吧．

    把金属的纳米颗粒放人常规的陶瓷中，可大大改善材料的力学性质；纳米 Si 2 0 3 和 SiO 2 粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性；放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性质；既不影响透明度又提高了高温冲击韧性；美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上；纳米氧化铝的悬浮液被用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光；纳米微粒加入油墨中可改善油墨的流动性，美国已出现了纳米微粒生产颜料的专利．
 
目前，由于需要树脂加碳黑来进行静电屏蔽，一般彩电等家用电器只能是黑色，被称为是黑色家电．日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽作用的纳米涂料，可以通过
控制纳米微粒的种类来控制涂料的颜色．

　　金属纳米微粒为解决化纤制品静电问题提供了一条新途径．日本和德国已开发出了相应的产品．在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌作用，把银纳米微粒加人到袜子中去，可以清除脚臭味；医用纱布中放人纳米 Ag 粒子有消毒杀菌作用．
 
三、产品创新的好思路 
　　具有如此广泛应用价值的纳米技术得到各国的一致肯定，纷纷投人巨资进行开发．人们普遍认为，纳米技术将是 21 世纪新产品诞生的源泉，纳米技术会引起新一轮的产业革命，必将推动生产力的发展，改善人类生活环境．  
 
　　对传统材料的制造，如在陶瓷、塑料、玻璃等制造中运用纳米技术，使其性能根据需要进行不同程度的改善，并得到合理的性能／价格比，是纳米技术应用领域的一个重要方面．英国制定了一个很庞大的纳米材料发展计划，重点制备纳米氧化铝 + 纳米氧化锆，纳米氧化铝 + 纳米氧化硅，纳米氧化铝 + 纳米氮化硅等新型纳米复合陶瓷．美国、日本也投入了相当大的力量在将纳米材料添加到电子陶瓷研究方面．我国在 1995 年就开始了纳米添加到传统材料中改进功能的研究工作，有的已获得中试研究成果，总体研究水平处于国际前列．