什么是纳米材料

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纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于 10~1000 个原子紧密排列在一起的尺度。

什么是纳米材料

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性,以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应,也使其成为了研究热点,按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类,按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。

在薄膜嵌镶体系中,对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”,这种索具有金属特性,室温下电阻率小于 0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11 上,在 X 射线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

“纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2 项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达 2000 以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向,日前正待开展中试放大研究。

该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动 300 多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达 4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产,正在建设规模化生产线。

联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应用研发和产业化,该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升,带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。

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=1000 毫米,1 毫米=1000 微米,1 微米=1000 纳米,1 纳米=10 埃),即 100 纳米以下。因此,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、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),是指其结构单元的尺寸介于 1 纳米~100 纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在 1~100nm 间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产(超微粉、镀膜、纳米改性材料等),性能检测技术(化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能)。纳米加工技术包含精密加工技术(能量束加工等)及扫描探针技术。

纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由 10 微米降至 10 纳米时,其粒径虽改变为 1000 倍,但换算成体积时则将有 10 的 9 次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。

一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。

纳米粒子的粒径(10 纳米~100 纳米)小于光波的长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。 [1]

1861 年,随着胶体化学的建立,科学家们开始了对直径为 1~100nm 的粒子体系的研究工作。

真正有意识的研究纳米粒子可追溯到 20 世纪 30 年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”,但受到当时试验水平和条件限制,虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉,但光吸收性能很不稳定。

到了 20 世纪 60 年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963 年,Uyeda 用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒,并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984 年德国萨尔兰大学(Saarland University)的 Gleiter 以及美国阿贡实验室的 Siegal 相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter 在高真空的条件下将粒子直径为 6nm 的铁粒子原位加压成形,烧结得到了纳米微晶体块,从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

1990 年 7 月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议(International Conference on Nanoscience&Technology),正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

自 20 世纪 70 年代纳米颗粒材料问世以来,从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段:

第一阶段(1990 年以前):主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能;研究对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

第二阶段(1990~1994 年):人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性,设计纳米复合材料,复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段(1994 年至今):纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。