纳米材料与纳米技术学 院： 自动化学院 专业年级： 2015 级 物联网工程 4 班 学生姓名：梁建业摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术章简要了解纳米材料和纳米技术，介 绍它的一些相关的应用及其在国内外的现状，并尝试预测它的发展趋势。与此同时， 也共同探讨下其存在的问题。首先，让我们来简单地了解下纳米材料和纳米技术吧！ 一 什么是纳米材料？纳米是一个长度单位，1n m=109m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制 特征的材料，纳米尺度一般是指1100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征 范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是 纳米材料必须同时具备的两个基本特征。 按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和 纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材 料和其他非金属纳米材料。 按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、 一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、 纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料。按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、 纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、 纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材 料等）。二什么是纳米技术？纳米技术（nanotechnology）是指在100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料 进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新 技术学科。其实通俗的讲就是 “use?little?things?to?finish?the?big?work。我们 在分子原子这样的微小尺度上加工材料，得到一些新型的功能性的高科技产品，他们 往往具有相比于一般材料更优良的性能，具有很高的实用价值和研究价值。而将纳米 应用到测量等方面，又可以达到高精度的效果，比如扫描隧道显微镜（STM）、原子显微 镜（AFM）的发明等。另外还有：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳 米加工技术和纳米计量学等方面的应用。三 纳米技术的特异性质及其相关的应用。1. 纳米技术的具有的个性效应。 小尺寸效应是指：随着颗粒尺寸的不断减小，当进入纳米量级的时候，颗粒的 光、声、电磁和热力学等物理性质将发生根本性变化的一类现象。比如磁性的 纳米颗粒的矫顽力异常之高，而且其有很多应用，磁性车票、磁性钥匙、磁性信用卡等都是应用这一性质；又如纳米二氧化钛陶瓷一改传统陶瓷在室温下可 弯曲，塑性形变可达到100%，这就克服了传统陶瓷性非常脆的弱点。 量子尺寸效应是指：随着颗粒的尺寸进入纳米量级，电子能级也随之从连续转 变为离散的，也就是量子化的了，而且能级间距也发生了分裂。这时纳米微粒 的磁、光、声、热、电等性能有了根本性的转变，例如实验结果表明，纳米银 是绝缘体。表面效应是指：伴随着颗粒尺寸的不断减小，颗粒总的表面积大幅 度变大，表面原子数急剧上升，与此同时，纳米材料的表面能也急剧变大，这 种现象称之为表面效应。由于表面原子活化能大，所以它们具有非常高的活性， 很不稳定，就更容易与其他物质结合。我们熟悉的现象：纳米金属微粒在空气 中就能够燃烧。宏观量子隧道效应是指：一些宏观量，例如量子相干器件中的磁通量、纳米颗 粒的电导率、超微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应的现象。2. 纳米技术的特殊性质。（一）力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与 粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临 界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大， 所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀 具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大 幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、 纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。（二）磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过cm2,在这情况下，感应法读出磁头和普通 坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨 磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低 噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到cm2。同时纳米巨磁电 阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。 高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材 料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比 FeB03和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应 用。（三）电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效 应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的 将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出 很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出 了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳 纳米管组成的逻辑电路。（四）热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于 界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材 料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr203颗粒 膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。（五）光学性质纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒 径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳 米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线 感测器材料。（六）生物医药材料应用纳米粒子比红血细胞（69nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒 子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑 血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方 面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、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输运更加方便。纳米材料和纳米技术的现状：一国内的研究现状： 与国外相比,由于我们自身的某些特殊原因,国内对纳米材料的研究起步晚,确 切的应该是 20 世纪 80 年代,到现在仅仅三十来年的时间,但在纳米材料其特异性能的 诱惑下，在以中科院为龙头的引导下，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，并 取得很多重大成果，使我国对纳米材料的研究在总体水平上达到国际先进水平，当然 这些成就的取得得益于国家对纳米高端技术的高度重视，近年来纳米材料已经成为社 会热点话题，纳米材料的应用研究正如火如荼地进行，我国已经进入了基础研究与应 用研究并重的新局面。由于我国纳米材料研究方面已经取得的骄人成果，使我们的研 究情况在国际上都占有一定的地位。目前，我国纳米材料研究资助项目，主要以金属 和无机非金属材料主，占 80%左右，高分子和化学合成材料是另一个重要方向，都有所 突破。而纳米结构材料研究集中在纳米晶、纳米粉、纳米薄膜、纳米材料、纳米材料 改性、增强增韧、纳米结构和纳米特性研究;纳米功能材料的重点领域为纳米信息材料、 纳米环境材料、纳米传感材料、热电光磁环境下的特性研究。信息领域包括纳米信息 材料、纳米电子学、纳米器件等，是材料、物理、信息相互交叉、促进的领域。生命 领域主要集中资助生物材料及应用，如生物纳米传感、检测等。矿物和岩土介质中纳 米颗粒的分布和形成机理及应用研究则是地球科学的主要内容。二国外的研究现状： 科学家很早就预言纳米技术将在21世纪科技舞台上扮演重要的角色。日本通产省 政府与1990 年做出资助两项十年计划的重要决定，分别是量子装置计划和关于原子技 术的计划，因此日本也就成为了世界上大规模大投入研究纳米技术的先导国。日本的 公司和研究所主要集中研究材料的加工和制造，包括先进的医疗诊断器械和微电子应 用方面。纳米技术广泛而细致，包括如纳米颗粒的合成、加工，以及具有纳米结构的 材料的制造等。目前，从总体实力上客观评价，在纳米材料合成和组装研究方面美国 处于领先地位，欧洲和日本紧随其后；在生物方法以及其实际应用方面，美国和欧洲 又要强一点，日本稍逊一点点；纳米分散和涂层方面美国与欧洲相近，日本的研究较 晚一些，但日本在纳米装置领域和固体材料方面相当强悍，比美国、欧洲都先进。 发展趋势 一纳米材料的发展趋势(1) 纳米尺度。通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻更强的材料, 并具有寿命长、维修费用低等特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的生 物材料和仿生材料;由于纳米技术能使物质的物理、化学性能发生根本的改变,如纳米 陶瓷硬如钢铁,而纳米钢却能像橡胶那样富有弹性等。所以,纳米技术被认为是21世纪 材料技术的发展方向。(2) 航天和航空。这方面的研究主要包括:研制低能耗、抗辐射、高性能计算机;微 型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材 料。(3) 国家安全。通过纳米电子器件在信息控制中的应用,使军队在预警、导弹拦截 等领域快速反应;用纳米机械设备控制,国家核防卫系统的性能将大大提高;通过纳米 材料的应用,可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性有很大提高,可用于舰船、潜艇 和战斗机等。二纳米技术的发展趋势(1) 微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍,并实现兆兆比 特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统。(2) 环境和能源。发展绿色能源和环境处理技术,减少污染和恢复被破坏的环境;制 备孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳 能电池的能量转换效率。(3) 医学。纳米粒子将使药物在人体内的传输更方便，将来用纳米结构“组装”一 种寻找病毒的药物进入人体后，可对艾滋病、癌症、病毒性感冒等进行治疗；在人工器 官外涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；研究与人体友好的人工组织、器官复明和 复聪器件等。(4) 生物。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核 糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能，生物仿生化学药品和 生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。 存在的问题：一社会危害纳米材料(包含有纳米颗粒的材料)本身的存在并不是一种危害。只有它的一些 方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方 面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。二健康问题纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意 的注入(或由植入体释放)。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中， 它们甚至能穿越血脑屏障。纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行 为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞 (吞咽并消灭外来物质的细胞)的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。 它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里