科技前沿讲座论文

浅谈纳米材料领域的研究进展

摘要：纳米材料技术是21世纪新材料技术的核心，近年来科学家们对于纳米材料的研究促使得纳米科学技术在飞速发展，由于纳米材料独特的性质，使其在机械、电子学、光学、磁学以及各个化学工业领域中都得到了广泛的应用。从纳米材料的特性和制备出发，介绍了纳米技术的研究进展、应用和前景展望。

关键词：纳米材料；特性；制备；纳米技术；应用；前景展望

21世纪的今天，“纳米材料”可谓是家喻户晓，发展至今纳米材料的产品已完全融入了我们的生活中，成为我们生活必不可少的一部分，改善着我们的生活质量，那么何为纳米材料？从狭义上来讲，纳米材料是纳米级结构材料的简称，是指尺度为1~100nm的超微粒经过压制、烧结、或溅射而成的凝聚态固体，而广义上的纳米材料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。[1]作为最有发展潜力的新型材料，它所显现出来的物性和宏观的材料截然不同，使得纳米材料加工技术应运而生；它所具有的独特的物理和化学特性，给化学、材料、电子等各个领域的研究带来了新的机遇。纳米材料在领域的广泛应用和未来发展规划都彰显出了它独特的魅力。

1 纳米材料技术简介

纳米材料技术是20世纪获得的创新成果，21世纪初最具发展潜力的新兴技术；它是指在1~100nm尺度内，通过对电子、原子和分子的运动规律以及特性，并最终在按照人类的需要直接操纵单个原子和分子，使其具有特殊的结构和特定的性能表现，从而制造出具有特定功能的产品。

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材料生产(超微粉、镀膜等)、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.[2]

2 纳米技术的发展历程

2.1 纳米科技的诞生

最早出现是在20世纪80年代初期，德国学者Gleiter教授提出了纳米材料(NsM)的概念，并且首次获得了人工制备的纳米晶体。[3]只是在当时大多数的化学家们都没有注意到这样一个纳米尺寸内的新世界，而在后来的催化剂研究中发现，在这新层次领域内发现并制备了铂黑，这就出现了最早的纳米金属粉体的应用。

到了1982年，科学家们发明了能够研究纳米的扫描隧道显微镜，使得人类能够在标准大气压和室温下看到物质的最小单元——原子，从此又为我们打开了一个可见原子的新世界大门，这对于纳米技术的发展起到了举足轻重的促进作用。

随着人们利用不同手段制备不同常规的纳米级别材料的出现，在19990年7月美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定了把纳米材料正式融入了材料科学领域，并发展成为一个全新的分支。[4]

2.2国内纳米技术的发展

随着纳米材料学十多年的研究在国际上得到了迅猛发展，涉及到的物理、化学、材料等科学问题的解决和完善，完整的纳米材料科学体系在国际间正在形成。我国在纳米材料领域的研究也跟上了国际的步伐，随着我国在1990年在中国科学家北京真空物理实验室自如地操纵原子成功在物质表面排列出中国的领土疆域的时候就标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

3 纳米材料的基本效应

当组成纳米材料的纳米微粒进入纳米量级（1~100nm）时，其本身就具有小尺寸效应（当例子尺寸小于德布罗意波长时出现物性参数和普通粒子明显不同的效应）、界面与表面效应（纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化）、量子尺寸效应（粒子尺寸下降使得金属的电子能级由准连续变为离散能级的现象）和宏观量子隧道效应（纳米粒子穿越宏观系统势垒而产生的变化），因此展现出许多特有的性

质，使它在各个化工研究领域中都有了广阔的应用前景，因此也推动着领域中基础研究的发展。

4 纳米材料的特殊性质

尺寸小、精度高是纳米材料的主要特点，决定了它不同于普通物质的性质，它所具有的许多新奇特征相较于常规材料而要具有更显著的应用价值，比如硬度增强，光谱吸收更显著，降低熔沸点显著。

4.1 物理性质

纳米材料在力学性质方面最显著的特点就是具有高强度、高硬度和高韧性，所以在纳米陶瓷材料和刀具材料领域中占据了主导地位。纳米陶瓷材料最突出的表现就是打打增加了它的断裂能力和韧性强度，被广泛应用于航空航天和自然资源的勘探等要求精度高且环境复杂的领域中。

除此之外，纳米材料还具有优秀的磁学性质，纳米磁性材料在计算机硬盘上的应用相对于传统合金磁头的电阻效应大大提高了近50%，而且还有相当高的灵敏度和低噪音。[5]不仅如此，纳米磁性材料与外磁场间存在的关系使之还用做新型的磁传感材料，[6]其磁性远比FeBO3和FeF3透明体高出一个数量级，使其在光磁材料系统中有着巨大的前景。

另一个物理性质表现便是电学性质，主要表现在金属纳米材料领域，由于纳米材料处于原子级别，分子越小，它在宏观表现上电阻就越大，所以纳米金属材料的电阻都高于粗晶材料，又由于纳米材料的原子排布是可以控制的，那么就可以用来制成半导体器材和良好的绝缘体。进入大规模集成电路的现代化，随着电子晶体管研究的深入，组成的逻辑电路中已经可以使用专门研制的碳纳米管等新型纳米材料，取代了常规的半导体器件并具有更多、更好的物理特性。

4.2 化学性质

相对于粗晶材料，纳米材料的比热和膨胀系数的值都很大，因此具有很好的储热能力，在太阳能电池的应用比较广泛，比如Cr-Cr2O3颗粒膜就对太阳光具有很强的吸收能力，能有效地将光能转化为热能并且很好的储存起来。

另一方面运用最多的是它具有比光波波长更短的光学性质，通过控制粒径和气孔率就可以很精确的控制光线的透过率，从而可以在光感应和光过滤的设备中得到更加广泛的应用。例如具有纳米半导体微粒材料的红外线传感器。

5 纳米材料的制备技术

纳米微粒是制备纳米材料的最小单元，其制备的方法有很多种，大体分为物理和化学方法。

5.1 物理方法

经过科学家多方面的研究成果中，至今沿用最多的是真空冷凝法（纯度高，但技术设备要求高）、物理粉碎法（成本低，但纯度低，颗粒分布不均）和机械球磨法（操作简单但纯度低）；目前，大部分奈米微粒都可以用球磨机（物理研磨法）制得，但是粒径不稳定而且耗时长。

5.2化学方法

对于一些特殊的纳米微粒便需要使用化学的方法来制备，其中有化学沉淀法（包括共沉淀法、均匀沉淀法、多元醇沉淀法等）、化学换原法（水溶液还原法、多元醇还原法、气相还原法等）、溶胶-凝胶法（无机盐作原料，降低合成温度和价格）、水热合成法（纯度较高、粒度一控制）和微乳液法（粒子的单分散和界面性好）。

6 纳米材料在各个领域中的应用

由于纳米材料的各种基本效应和特殊性质，使其在催化剂材料、生物医疗、化学工业中都有着较为普遍的应用。

6.1 纳米材料在催化领域的应用

在许多化学工程专业领域中都需要用到催化剂来制备相关的化学产品，而更好的控制时间、提高反应效率和反应速度都需要更好催化剂来在控制，[7]所以对于高效率催化剂的研究