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1、方興未艾的納米材料作者；徐敬標來源：2004年第15期?（中學理科第6期）1990年7月在美國巴爾的摩召開了國際第一屆納米科學技術學術會議，正式把納米材料作為材料科學的一個新的分支公布于世。這標志著納米材料學作為一個相對比較獨立學科的誕生。從此，納米材料成為繼互聯(lián)網、基因等被人們關注的熱點名詞之后的又一亮點。很快引起了世界各國材料界和物理界的極大興趣和廣泛重視，形成了世界性的“納米熱”。納米是一個尺度的度量，一納米僅為十億分之一米，相當于一根頭發(fā)粗細的八萬分之一，的確微乎其微。然而由納米材料構建的世界卻是神奇而宏大的。21世紀，納米技術是信息和生命科
2、學技術能夠進一步發(fā)展的共同基礎，它所帶來的技術革命及其對人類社會的影響，將遠遠超過電子技術。一、納米材料的含義材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，人類已經歷了石器、陶器、青銅器、鐵器時代，現(xiàn)已進入新材料時期，而納米材料是最有發(fā)展前途的材料。早在一千多年以前，我國就有利用燃燒蠟燭的煙霧制成炭黑作為墨的原料以及用做染料的歷史，這是最早的納米材料的應用。以“納米”來命名材料是在上世紀80年代，它作為一種材料的定義把納米顆粒限制到1nm～100nm范圍。在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆料和由它們構成的納米薄膜和固體。現(xiàn)在，納米材料是指在三維空間中至少有
3、一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。如果按維數，納米材料的基本單元可以分為以下三類：（1）零維：指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等。（2）一維：指在空間中有二維尺度處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。（3）二維：指在空間中有一維處于納米尺度，如超薄膜、超晶格等。因為這些單元往往具有量子性質，故零維、一維和二維的基本單元又有量子點、量子線和量子阱之稱。二、納米材料的分類納米材料大部分是用人工制備的，屬于人工材料，其分類方法很多，如下表：分類方式類別按化學組成分類納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分
4、子、納米復合材料等按材料物性分類納米半導體、納米磁性材料、納米非線性材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等按用途分類納米電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米光電子材料、納米儲能材料等三、納米材料的主要性能1.基本物理效應。由于納米材料集中體現(xiàn)了小尺度、復雜結構、高集成度和強相互作用，以及高比表面積等現(xiàn)代科學技術發(fā)展的特點，因而展現(xiàn)出許多特有的性質，在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質及新材料等方面有廣闊的應用前景，同時也將推動基礎研究的發(fā)展。其效應如下。（1）小尺寸效應。當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透
5、射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減少，導致聲、光、電磁、熱力學等物性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。例如：光吸收顯著增加并產生吸收峰的等離子共振頻移，磁有序態(tài)向無序態(tài)轉變等。（2）表面效應。納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例，隨著粒徑的減小，表面原子數迅速增加，原子配位不足和高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合。例如金屬納米粒子在空氣中會燃燒；無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應。（3）量子尺寸效應。當粒子尺寸降到某一值時
6、，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級，以及納米半導體存在不連續(xù)的最高被占據分子軌道和最低未被占據的分子軌道能級而使能隙變寬。這會導致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著的不同。（4）宏觀量子隧道效應。這是指納米顆粒具有貫穿勢壘的能力。2.擴散及燒結性能。由于在納米結構材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴散途徑，因此納米結構材料具有較高的擴散率。這種性能使一些通常在較高溫度才能形成的穩(wěn)定或介穩(wěn)相在較低溫度下就可以存在，另外也可使納米結構材料的燒結溫度大大降低（所謂燒結溫度是指把粉末先加壓成形，然后在低于熔點的溫
7、度下使這些粉末互相結合，密度接近于材料的理論密度的溫度）。3.超塑性。超塑性是指在斷裂前產生很大的伸長量，其機制目前還在爭議之中。但從實驗現(xiàn)象中可以得出晶界和擴散率在這一過程中起著重要作用。如陶瓷材料在高溫時具有超塑性，可以通過使晶粒的尺寸降到納米級來實現(xiàn)其室溫超塑性。4.力學性能。與傳統(tǒng)材料相比，納米結構材料的力學性能有顯著的變化，一些材料的強度和硬度成倍地提高。這方面目前還沒有形成比較系統(tǒng)的理論。5.光學性能。納米微粒由于其尺寸小到幾個納米或十幾個納米而表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應和界面效應，因而其光學性能也與常規(guī)的塊體及粗顆粒材料不同。例如：納米金屬
8、粉末對電磁波有特殊的吸收作用，可作為軍用高性能毫米波隱形材料、紅外線隱形材料和結構式隱形材料，以及手機輻射屏
