纳米材料概述     DATE: 2020-05-31 10:20

  著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德●费曼憧憬说:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?”小尺寸大世界

  费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,将变成根据人类意愿逐个地排列原子,制造“产品”,这是关于纳米技术很早的梦想。七十年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。

  1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙(xian)原子排出“IBM”。

  中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

  1985年Smalley(2005.10去世)与英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶,并用甲苯来收集碳团簇、通称为C60。

  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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部,产生高浓度的晶界。

  纳米科学和纳米技术是21世纪很具发展前景和国际竞争力的高新产业之一,在21世纪将改变几乎每一件人造物体的特性。材料性能的重大改变和制造模式方法的改变,将引发一场工业革命。

  纳米技术是跨世纪的新学科,是国际科学界工程技术界关注的热点,是20世纪末兴起的一个高科技领域。

  纳米技术将对面向21世纪的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等领域具有重大意义,它将会是一项重大的技术革命,必将引起21世纪的又一次产业革命。

  中国:2000,总理召见中科院副院长白春礼院士,成立国家纳米发展协调领导小组。

  90年代初期,美国正式把纳米技术列为“国家关键技术”,新世纪伊始,又发布了《纳米技术:要引发下一场工业革命》。在其后的十年间相继成功研发了各种新型纳米粉体、纳米芯片、纳米传感器等众多具有代表性的产品;

  日本也在大力积极参与到纳米研究中,提出纳米技术将作为重振日本经济的“立国之本”。

  中国作为国际上为数不多的率先开展纳米技术研究的国家,在纳米领域取得了许多举世瞩目的成就。2001年,我国制定了《纳米产品标准及技术标准》,2005年批准并发布了七项纳米技术标准。一项项的成果表明我国纳米技术的研究和发展均处于世界前列,这也为我国纳米技术的后续研究发展奠定了坚实的基础。

  (1)零维纳米材料:指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料,如纳米粒子、原子团簇等。

  这是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外部直径只有几到几十纳米,长度可达数微米甚至数毫米。

  碳纳米管本身有非常完美的结构,意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度,它还有其他材料所不具备的性能:非常了的导电性能、导热性能和电性能。

  碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一,但它的导电率是铜的1万倍,它的强度是钢的100倍而重量只有钢的六分之一。它像金刚石那样硬,却有柔韧性,可以拉伸。它的熔点是已知材料中很高的。

  固体表面原子和内部原子多处于不同环境下,当粒子直径比原子直径大时,表面能可以忽略,当粒子直径逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用不能忽略,这时粒子的比表面积、表面能、表面结合能都发生很大的变化。由此引起的种种特殊效应称为表面效应。

  粒子小,比表面积急速变化增大,表面原子数增多,表面能高,原子配位不足,使得表面原子具有高活性,不稳定,易结合。

  超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中有些金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会产生激烈的燃烧,发生爆炸。

  用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力,可以用作新型火箭的固体燃料,也可用作烈性的。

  (条件)当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或者透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,(现象)晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米颗粒表面层附近原子密度减小,(结果)导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。

  当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的很高被占据分子轨道和很低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

  例:粗晶下的难以发光的间隙半导体材料Si、Ge等,粒径减小到纳米级时表现出明显的发光现象,粒径越小光强越强。

  宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。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能量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。

  纳米材料晶界原子间隙的增加,使其杨氏模量减小,硬度提高(杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或者抗压的物理量,在物体的弹性限度内,应力与应变成正比,比值被称为材料的杨氏模量)。

  纳米材料在磁场中材料电阻减小的现象十分明显。磁场中粗晶电阻仅下降1%-2%,纳米材料可达50%-80%,这个性质很重要。

  例如:20nm的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的1000倍;但当尺寸再减小时,其矫顽力而有时下降到零,表现出超顺磁性。

  纳米材料随着晶粒尺寸的减小,样品的磁有序状态将发生改变。粗晶状态下为铁磁性的材料,当颗粒尺寸小于某一临界值时,矫顽力趋向于0,转变为超顺磁状态。

  这是由于纳米材料中晶粒取向是无规则的,因此,各个晶粒的磁距也是混乱排列的,当小晶粒的磁各向异性能减小到与热运动能基本相等时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向而作无规律变化,结果导致超顺磁性的出现。

  在非磁或者弱磁基体中包含很小的磁微粒。当其处于磁场中,微粒的磁旋方向与磁场相匹配,增加了磁有序性,降低了系统的熵,若过程绝热,样品温度将升高。

  纳米材料中,界面原子排列混乱,原子密度低,原子间耦合较弱,导致纳米材料的比热比粗晶大。

  纳米微粒的熔点、烧结温度、晶化温度比常规粉体低得多(纳米材料的表面性质决定)。

  例如:通常大尺寸金属的熔点是固定的,超细化后却发现其熔点显著降低,当颗粒小于10nm量级时尤为显著。

  纳米材料比表面积大,界面原子数多,界面原子区域原子扩散系数高,原子配位不饱和性,使得纳米材料具有较高的化学活性。

  光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存储、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感仪、光折变材料

  磁液体、磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁制冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物。

  医学(细胞分离,细胞染色,医疗诊断,消毒杀菌,药物载体)、能源(电池材料,贮氢材料)、环保(污水处理、废物料处理、空气消毒)、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂

  (1)光催化剂:TiO2/SnO2复合氧化物较单一级线 有较高的光催化活性。

  纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小,比表面积大,表面吸附力强,表面能大,化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和解变性,在众多学科及领域内独具特性,有着不可取代的作用。

  纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”,广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体,石油化工,脱色剂,消光剂,橡胶补强剂,塑料充填剂,油墨增稠剂,金属软性磨光剂,绝缘绝热填充剂,高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。

  芯片制作过程中制作晶片的一步是在晶圆上沉积一层不导电的SiO2。在晶片的后续制作过程中,二氧化硅层的成长、沉积会进行很多次。

  纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1-100nm之间,是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品,表现出许多特殊的性质,如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线、应用

  利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。

  单个细菌用肉眼是根本看不到的,用 显微镜测直径大约是五微米。举个例子来说,假设一根头发的直径是0.05毫米,把它径向平均剖成5万根,每根的厚度大约就是一纳米。也就是说,一纳米就是0.000001毫米. 纳米科学与技术,有时简称为 纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、 纳米材料学、 纳米生物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性,所以世界各国都不惜重金发展纳米技术,力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于1991年召开纳米科技发展战略研讨会,制定了发展战略对策。十多年来,我国 纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前,我国在 纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家,充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。纳米效应就是指纳米材料具有 传统材料所不具备的奇异或反常的 物理、 化学特性,如原本 导电的 铜到某一纳米级界限就不导电,原来 绝缘的二氧化硅、 晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有 颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体 粉末或纤维,当其有一维尺寸小于100nm,即达到纳米尺寸,即可称为所谓纳米材料,对于理想球状 颗粒,当比 表面积大于60m2/g时,其直径将小于100nm,达到纳米尺寸。现时很多材料的微观尺度多以纳米为单位,如大部份半导体制程标准皆是以纳米表示。直至 2012年 6月,最新的中央处理器制程是22nm。

  纳米级结构材料简称为纳米材料,广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义,纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状、团块状的天然或人工材料,这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间,并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。

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