纳米材料物理基础课程论文一 纳米材料物理基础基本概念 讲到纳米材料的基本概念，首先要了解到的就是什么是纳米？纳米是一种几 何尺寸的单位，长度仅为一米的十亿分之一，即10-9m。一般来说，l-100um的 区域称之为微米世界，而将 1-100nm 的区域称之为纳米世界。纳米材料则可以 定义为 1-100nm 范围内以及含有此类尺度大小的材料。由于其如此小的尺寸， 必然具备以往材料难以具备的新特性和功能。纳米材料的兴起与发展纳米材料从兴起到现在, 它的研究发展阶段大致可分为以下三个阶段。 第一阶段( 1977- 1990 年)，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学 技术会议(NTS-1)为标志，纳米材料科学正式成为材料科学的一个新分支。第二阶段(1990-1994 年)，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议 认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。第三阶段( 1994- 至今)，纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组 装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和 三维空间组装纳米结构体系。纳米效应当微粒的尺寸进入纳米量级( 1 100 nm) 时，其本身和由它构成的纳米固 体具有如下四个方面的特异性效应，也称为纳米效应。1 小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相 干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏，材料 表层附近原子密度减小所致，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸 的减小发生显著变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体 积效应，它是其它效应的基础。2 表面效应 表面效应是指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。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原 子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例如，利 用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点，在火箭固体燃料中 掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效率。3 量子尺寸效应量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级 由准连续变为分散能级的现象。早在60年代就采用电子模型给出决定能级间距的 4E著名公式：4Ef 其中 为能级间距，Ef为费米能级，N为总电子数。对3 NF常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数N）,故常规材料的能级间距几乎为零（ 0）；而对纳米粒子，因其含原子数有限， 有一定的数值， 即能级发生了分裂。当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能 等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与 常规材料有显著不同。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等。4 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量， 例如，微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观 系统势垒而产生变化的隧道效应宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研 究对基础研究及实用都有重要意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极 限，将会是未来微电子器件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑 上述量子效应。上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米 固体表现出许多奇异的性质。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于 量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁性的物质进入纳米级（ 5 nm），因由多畴 变成单畴而显示极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后却成 为活性极好的催化剂等。由纳米微粒构成的纳米固体也是如此。例如，纳米金属 铜的比热是传统纯铜的2倍；纳米固体钯的热膨胀提高1倍；纳米磁性金属的磁化 率是普通金属的20倍，而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等。世界个主要国家国家级纳米科技计划 为了在21世纪继续保持美国在经济上的领导地位并保障美国的国家安全， 2000年1月21日，美国总统克林顿在加州理工学院正式宣布Nat ional Nano technology Ini tia tive ( NNI计划)，整合美国各相关机构的力量，加强 对纳米尺度的科学、工程和技术研发工作的协调，将纳米科技视为下一次工业革 命的核心，认为纳米科技将对二十一世纪早期的经济和社会产生深刻的影响。该 计划于2000年11月得到美国国会批准。日本、德国、法国、英国等主要发达国家以及欧盟分别出台了各自的纳米计 划，韩国政府20012003年间相继制定了促进纳米科技10年计划、促进纳米 技术开发法与纳米技术开发实施规则；我国台湾自1999年开始也相继制定 了纳米材料尖端研究计划与纳米科技研究计划。俄罗斯、加拿大、澳大 利亚、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰国、埃及、土耳其等国家也对纳米科技 发展进行了部署，全球总计已有50多个国家和地区制定了战略性的纳米科技计 划。我国方面先后成立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳 米技术专门委员会；2001年7月发布了国家纳米科技发展纲要(20012010)； 近期目标以纳米材料及其应用为主，中、长期目标瞄准纳米生物和医疗技术、纳 米电子学和纳米器件。希望在纳米科学前沿取得重大进展，在纳米技术开发及其 应用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳 米科技骨干队伍。在纳米科技基础建设方面，要建立具有国际先进水平的国家纳 米科学技术发展公用平台和重点实验室系统、纳米科技信息网络和科研开发网 络，形成若干各具特色的、具有国际一流水平的纳米科技创新基地，构筑国家纳 米科技研究与开发创新体系。纳米技术的应用及前景纳米材料的应用在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构、 矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。例如， 松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带，具有图像清晰、信噪比高、失真小的 优点。在半导体器件上的应用。纳米微电子材料的发展不但可以将集成电路进一步 减小, 还可以研制出能够在室温使用的单原子或单分子构成的各种器件。纳米技 术必将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件及其它应用领域发挥重要的作用。在传感器上的应用。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料。 由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感，外界环境 的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快， 灵敏度高。例如，利用纳米NiO, FeO, CoO- A1203和SiC的载体温度效应引起电 阻变化，可制成温度传感器（温度计、热辐射计）等。在催化方面的应用。纳米粒子表面积大、表面活性中心多，是一种极好的催 化材料。它不但可以大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的 反应也能完全进行。如利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可 提高100倍。在工程方面的应用。纳米固体界面积巨大，熔点低，通常在高温下烧结的材 料（例如，SiC，WC，BN等）在纳米态下可以在较低温度下进行烧结，且不用添加 剂仍然使其保持良好的性能。由于复相材料的熔点、相变温度不同，使其烧结比 较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低，也使其相变温度 降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能好的复相材料。例如， 传统方法合成的BaTiO3体材料，其烧结温度大于900摄氏度，而BaTiO3纳米粒子 的合成，其灼烧温度为650摄氏度。在医学、生物工程上的应用。纳米粒子与生物体有着密切的关系，如构成生 命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，同时生物体内的多种病毒也是纳米粒子。 使用纳米药物不但可以杀灭人体内的细菌和病毒，清除人体内的垃圾，还可以有 效地杀死癌细胞，它最大的优势在于用量达到临床使用剂量的4000多倍时，受试 动物也无中毒表现，同时也不会使细菌产生耐药性。由于纳米粒子比红血球小得 多，可以自由在血液中活动，因此，可以注入各种纳米粒子到人体各个部位，检 查病变和治疗。另外，可用纳米SiO2微粒进行细胞分离等。纳米材料的危害 近年来，由于纳米技术和纳米材料所带来的经济效益和技术进步，国内外的 研究和相关投资都极为可观。随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现， 其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随 之迅速增多。然而，任何一项新的技术都会带有“双刃剑”的两面性，存在其风 险性，这是20世纪科学技术发展使人类得到的经验和共识，纳米科学技术也不例 外。据自然杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学的研究人员在实验鼠身上完成 的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大 脑中处理嗅觉的区域，即嗅球区，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕 捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告 中指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米颗粒 可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都表明，纳米材料对人类健康和环境 都存在危害。当物体缩小到纳米尺度，它的性质会发生明显变化。实验表明，2毫克二氧 化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克的纳米二氧化硅，小白 鼠就会立刻毙命。类似的实验还有，在含有直径为20纳米的聚四氟乙烯塑料颗粒 的空气中生活15分钟的实验鼠，大多数在随后的4小时内死亡；而暴露在含有直 径120纳米颗粒的空气中的对照组实验鼠则安然无恙。纳米材料污染一旦进入人体，比普通污染物对人体的影响更大。这是因为纳 米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒比微米颗粒数量多得多，与细胞发生反 应的机会更大，更易引起病变。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小的剂量 下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进 入细胞甚至细胞核内；表面吸附能力很强，荣比把其他物质带入细胞内；有随纳 米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。纳米科学是一门新兴的科学，正处于不断发展完善之中，很多研究仍处于定 性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有：1、如何准确表征纳米材料的各种精 细结构。2、如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。3、能否利用某 种判据来预测微区尺寸减少到多大时， 材料表现出特殊的性能。4、纳米材料的 危害方面更是有待更多纳米科学家和生物学家的合作，寻求有效的防止纳米材料 危害生物体的方法和措施。在此基础上，逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分 布的控制，最终向实现根据材料的性能要求，设计、合成目标纳米复合材料和设 计组装具有特殊功能的微系统的方向发展，并开发其广阔的应用领域。二 纳米材料的吸附性能纳米尺度下，金属的一些基本性质，诸如熔点、磁性、颜色、电学性能、光 学性能、力学性能和化学性能等都将与块体材料大为不同。与普通的块体材料相 比，纳米材料具有较大的比表面和较多的表面原子，因而显示出较强的吸附特性。对于纳米粒子的吸附作用，目前普遍认为：纳米粒子表面的表面羟基作用。 纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的 羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作 用；另外，纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。一 种良好的吸附剂，必须满足比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道，吸附容 量大等条件，而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力，提供了在环境治理方面应用的可能性。1. 纳米金属的吸附作用纳米金属的表面原子特别是处于边和角上的原子有较高的化学活性，这些原 子正是催化剂的活性中心，也是吸