纳米技术知识材料
纳米技术知识材料
一、纳米(nano meter,nm):
一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米,千分之一微米。大约就是三、四个原子的宽度。
二、纳米科学技术(nanotechnology):
纳米科学技术就是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术就是以许多现代科学技术为基础的科学技术,它就是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)与现代技术(计算机技术、微电子与扫描隧道显微技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为就是世纪之交出现的一项高科技。
三、纳米材料(nano material)与纳米粒子(nano particle):
纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般就是指尺寸在1～100nm间的粒子,就是处在原子簇与宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观与宏观的观点瞧,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,它具有表面效应、小尺寸效应与宏观量子隧道效应。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与大块固体时相比将会有显著的不同。
四、几种典型的纳米材料:
a) 纳米颗粒型材料:
应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂,利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率,例如,以微径小于0、3微米的镍与钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳与水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。
录音带、录像带与磁盘等都就是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化,要求信息储存量大、信息处理速度高,推动着磁记录密度日益提高,促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉(20)纳米左右的超微磁性颗粒)制成的金属磁带、磁盘,国外已经商品化,其记录密度可达4’106～4’107位/厘米(107～108位/英寸),即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元,与普通磁带相比,它具有高密度、低噪音与高信噪比等优点。
b) 纳米固体材料:
纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序所生成的致密型固体材料。纳米固体的主要特征就是具有巨大的颗粒间界面,如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶面,原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,但又具有脆性与难以加工等缺点,纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性,改善脆性。
c) 颗粒膜材料
颗粒膜材料就是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材,在基片生成复合膜,当两祖份的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜,因此改变原始靶材中两组分的比例可以很方便的改变颗粒膜中的颗粒大小与形态,从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜,改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体。
d) 纳米磁性液体材料
磁性液体就是由超细微包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体的运动,因此具有其她液体所没有的磁控特性。常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成,它的饱与磁化强度大致上低于0、4特。目前研制成功的由金属磁性微利制成的磁性液体,其饱与磁化强度可比前者高4倍。国外磁性液体已商品化,美、日、英等国均由磁性液体公司,供应各种用途的磁性液体及其器件。
五、纳米材料的制备方法:
纳米粒子的制备方法很多,可分为物理方法与化学方法
a)物理方法
1、真空冷凝法
用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。
2、物理粉碎法
通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。
3、机械球磨法
采用球磨法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。
b)化学方法
1、气相沉淀法
利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。
2、沉淀法
把沉淀剂加入到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备氧化物。
3、水热合成法
高温高压下在水溶液或蒸气等流体中合成,再经分离与热处理得到纳米粒子。其特点纯度高,分散性好、粒度易控制。
4、溶胶凝胶法
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而古话,再经低温热处理的纳米粒子。其特点反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物与II~Ⅵ族化合物的制备。
5、微乳液法
两种互不相容的容剂在表面活性剂的作用下形成乳液,在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得到纳米粒子。其特点粒子的单分散与界面性好,II~Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。
六、纳米材料的用途
纳米材料的用途很广,主要用途有:
医药:使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质与DNA诊断出各种疾病。
家电:用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、防味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
环境保护:环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到有化学与生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。
纺织工业:在合成纤维树脂种田加纳迷SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料,
经抽丝、织布,可制成杀菌、防腐、防臭与抗紫外线辐射的内衣与服装,可用于制造抗菌内衣、用品,克制得满足国防工业要求的抗紫外线功能的功能纤维。
机械工业:采用纳米材料对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度与使用寿命。
电子计算机与电子工业:可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后,可以缩小为“掌上电脑”。
七、纳米技术应用热点
著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言:如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,物体就能得到大量亦乎寻常的特性。它所说的材料就就是现在的纳米材料。纳米材料研究就是目前材料科学研究的一个热点,纳米技术被公认为就是21世纪最有前途的科研领域。
纳米材料从根本上改变了材料的结构,为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。其中主要体现在以下几个方面:
在陶瓷领域的应用:随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金属一样的柔韧性与可加工性。许多专家认为,如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题,则它将具有高硬度、高任性、低温超速性、易加工等优点。
在微电子学上的应用:纳米电子学立足于最新的物理理论与最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存与处理信息的能力,实现信息采集与处理信息的能力,实现信息采集与处理能力的革命性突破,纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。
在生物工程上的应用:虽然分子计算机目前只就是处于理想阶段,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件,其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、广、化学物理特性与很好的稳定性,并且,其奇特的光学循环特性可用于存储信息,从而起到代替当今计算机信息处理与信息存储的作用,它将就是单位体积物质的储存与信息处理能力提高上百万倍。