納米材料介紹

 新聞資訊     |      2017-06-01 21:44
       納米技術誕生于20世紀80年代末期。它是一門多學科交叉性前沿領域的新興學科。自從它被人們發現和認識以來,其所表現出來的神奇的性能越來越引起廣大學者的興趣,如今,納米技術研究開展得如火如荼,并且已經有許多研究成果開始造福人類,提高人民生活水平。
       納米技術(nanotechnology),是指在1nm至100nm尺寸范圍(對于納米尺度的直觀理解可參看圖1)內研究物質(包括原子,分子操縱)的結構、特性和相互作用,以及其應用的多學科交叉的科學技術。概括地講,就是指納米尺度上的新材料技術,并且可以通過直接操縱原子、分子來組裝和創造具有特殊功能的新產品。納米技術是人類從材料科學范疇重新認識自然和改造自然的學科。
圖1 不同物體的相對尺度大小
 
       經過20多年的發展,納米科技顯現出它與眾多學科的密切相關性,納米技術與傳統學科相結合,已經產生許多新的學科領域。以研究對象或工作特點分類,納米科技分為三個領域:納米材料、納米器件和納米尺度的檢測與表征。如果按照納米技術應用的范圍分類,則包括:納米材料學、納米電子與器件、納米加工與納米器械、納米生物與醫藥。無論哪種分類方法,其中納米材料是納米科技的基礎,任何一個領域的發展與突破都有賴于材料方面的進步。廣而言之,整個社會生產的創新絕大部分要歸囿于材料的創新以及在此基礎上衍生的新技術。納米材料和納米結構是當今新材料領域中最活躍、最接近實際應用的重要組成部分。
1. 納米材料的概念
       目前,普遍認可的納米材料的定義為:物質材料的結構組成相或晶粒結構小于100nm并具有特殊性能的材料。從幾何角度來加以區分,納米材料科學的研究對象應包括以下幾個方面:橫向結構尺寸小于100nm的物體;粗糙度小于100nm的表面;納米微粒與多孔介質的組裝體系;納米微粒與常規材料的復合等。
       以納米尺度為基準,按照空間維數將納米材料可分為零維、一維、二維和三維等四種類型,如圖2所示:(1)零維即指三維尺度上都處于納米量級的材料,也就是所謂的納米粒子,或稱為超微粒子;(2)一維,是指兩維尺度均處于納米量級,如納米絲、納米棒、納米帶、納米管;(3)二維,即在二維方向上尺寸為納米量級的結構,如納米膜;(4)三維,是指納米晶粒結構組成的塊材。各維結構的納米材料都有其獨特的性能和用途,低維納米材料是構成高維納米材料的基本單元,能夠影響或決定所構成材料的根本性能。盡管各維結構的納米材料都有其獨特的性能和應用領域,但在宏觀應用上,主要還是開發使用納米塊體材料,即納米晶體材料。
圖2 不同結構形態的納米材料

2 納米材料的奇異性能
當微粒尺寸為納米量級(約為1nm~100nm)時,微粒和它們構成的納米固體具有一些特殊的特性。
2.1 表面與界面效應
納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑減小而增大,如表1所示。
 
表1 納米微粒尺寸與表面原子數的關系
尺寸/nm 總原子數 表面原子占比例/% 比表面積/(m2/g)
10 3×104 20 90
4 4×103 40 225
2 2.5×102 80 450
1 30 99 900
       當粒徑降至1nm時,表面原子數比例已達到99%,原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于表面原子數增多,表面原子配位數不足以適應高的表面能,使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來,從而具有很高的化學活性。引起表面電子自旋構象和電子能譜的變化、納米微粒表面原子輸運和構型的變化。鑒于此,可以將這一特性應用于催化作用和助劑材料。
2.2 小尺寸效應
       在物質的顆粒減小到納米尺度(<100nm)時,將引起物質的宏觀物理、化學性質上的變化,稱為小尺寸效應。從而,使得在力學、熱學、光學及磁性等方面顯示出優異性質。因為納米相的各種材料,其結構組織基本上是由微細的晶粒和大量的界面所構成,其表現出極佳的力學性能,如高強度、高硬度、良好的塑性和韌性。這一點恰是金屬材料應用所要追求的目標。
2.3 量子尺寸效應
       量子效應是指粒子尺寸減小到某一值時,它的性能由原來的連續性變成完全不同的不連續性能。當物質由宏觀塊材向超微粒子轉變,原本在大塊材料中的連續的能帶隨著而分裂為分立的能級。能級間的距離隨顆粒尺寸減小而增大,當熱能、電場能和磁場能比平均的能級間距還小時,微粒會呈現一系列與宏觀塊體材料迥異的性質,這就是量子尺寸效應。如:導電的金屬在制成納米粒子時,可能變成半導體或絕緣體。
2.4 宏觀量子隧道效應
       電子在一定條件下能穿越勢壘,從而參與導電,這一過程稱為隧道效應。之所以存在這一效應是由于電子的“波粒二象性”。
近年來,研究發現一些宏觀物理量,如顆粒的磁化強度,量子相干器件中的磁通量等也顯示隧道效應,故稱之為宏觀量子隧道效應。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有著重要的意義,它限定了磁帶、磁盤進行信息儲存的時間極限,為開發信息材料提供基礎信息。
以上的表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此而外,納米材料還具有介電限域效應、表面缺陷、量子隧穿等特性。這些特性使納米微粒和固體表現出許多奇異的物理、化學性質。