纳米材料简介姓名：李猛 学号：52100602003 摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要阐述了纳米材料的基本概念，介 绍了纳米材料的发现，国内外的发展以及纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并指出了纳米 材料发展过程中的缺陷,最后展望了纳米材料的应用前景。关键词：纳米；纳米材料；纳米技术 引言：如果组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？ 这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特的科学思路。那是1980 年的一天，格莱特到澳大 利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特 别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解到晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响， 晶粒越小，强度就越高。格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入，如果组成材料的晶体的 晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！格莱 特带着这些想法回国后，立即开始试验，经过将近4 年的努力，终于在1984年制得了只有几个 纳米大小的超细粉末，包括多种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的 颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是银白色的。至于金属以外的材料，例如无机化 合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化 合物组成的染料更是鲜艳无比。可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一 律都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色黑色。正像格莱特想像 的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地的变化。为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢？原来当材料的颗粒尺 寸变到小于光波的波长（1X10-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%, 既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。“小不点”性质上的 变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从 导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。格莱特的发现已经正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21 世纪备受 瞩目的一种高新技术产品。目录一 纳米材料的基本概念12.1 纳米材料的定义 12.2 纳米材料的分类2二 纳米材料的发展 22.1 国际发展 22.2 国内发展 3三 纳米材料的应用 53.1. 天然纳米材料的应用53.2. 纳米磁性材料的应用63.3. 纳米陶瓷材料的应用63.4. 纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用63.5. 纳米倾斜功能材料的应用73.6. 纳米半导体材料的应用 73.7. 纳米催化材料的应用83.8. 纳米材料在医疗上的应用83.9. 纳米材料在计算机上的应用 83.10. 纳米碳管的应用93.11. 纳米材料在涂料方面的应用9四 纳米技术发展现状、缺陷及展望104.1.纳米技术发展现状104.2.纳米技术的缺陷104.3 纳米技术的前景及展望10总结 11参考文献 11一 纳米材料的基本概念2.1 纳米材料的定义让我们看看科学家是如何解释的：“物理上，纳米（nm），又称毫微米，如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。具体地说，1 纳米等于十亿分之一米的长度，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，比如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm, 般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级，1纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1 埃相当于1 个氢原子的直径，1 纳米是10埃。纳米材料全称为纳米级结构材料，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围 之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得 性质发生很大变化。并且其尺度已接近光的波长，加上其具有大的比表面积的特殊效应， 因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质 在整体状态时所表现的性质。所以，一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二 是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。2.2纳米材料的分类A、按维数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维纳米材料；一维纳米材料; 二维纳米材料；三维纳米材料。B、按材料物性划分，纳米材料可分为：纳米半导体；纳米磁性材料；纳米非线性光学材料; 纳米铁电体；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米超导材料。C、按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物医药材料; 纳米敏感材料；纳米储能材料。D、按化学组分划分，纳米材料可划分为：纳米金属；纳米晶体；纳米陶瓷；纳米玻璃；纳 米高分子；纳米复合材料。二 纳米材料的发展2.1国际发展1959年12月25日著名物理学家、诺贝尔获奖者理查德费曼(Richard Feynman)在美国 物理学会会议上做了题为在底部还有很大空间的演讲。虽然没有使用“纳米”这个词，但他 实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年日本教授谷口纪男(Norio Taniguchi)在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词纳米(Nano)1981年格尔德 宾宁(Gerd Binnig)和海因里希罗雷尔(Heinrich Rohrer)发明了扫描隧道显微镜(STM), 它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯(fullerenes)(更 为人熟知的名称是“布基球(buckyballs)，由著名未来学家多面网格球 顶的发明人巴克明斯特富勒(R. Buckmins ter Fuller)命名，它可以被用来制造碳纳米管， 是如今使用最广泛的纳米材料之一。1986年在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文夸特(Calvin Qua te )和克里斯托格柏(Chris toph Gerber)与德国物理学家宾尼(Binnig)协作，发明 了原子力显微镜。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳米技术最核 心的部分。989年在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾格勒(DonEigler) 和埃哈德施魏策尔(Erhard Schweizer)使用35个氙原子拼出了 IBM公司的标志，进一步表明 了纳米颗粒的可操作性。1991年NEC公司的饭岛澄男(SumioIijima)制造出了碳纳米管。1998 年白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的任务是：赞助研讨会和研究， 以界定纳米科学技术和预测其发展前景。1999年使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市 场。2001年美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳 米技术上的竞争力。2002年欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。2003年美国国 会制定21世纪纳米技术研究和发展条例，为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目、分 配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。2008年12月10日国家研究委 员会批评纳米技术计划的环境、健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委 员会的结论持有异议。2009年9月29日美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解纳米材 料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它 们的使用计划。2010年1月8日在英国上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳 米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。2010年3 月美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法收集证据。美国 环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。2.2国内发展我国纳米材料研究始于20世纪80年代末，“八五”期间“纳米材料科学”列人国家攀登项 目。此后，国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目， 国家863计划、973计划新材料领域也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。其中， 863计划纳米材料与微机电系统重大专项于2002年正式启动。2002年重大专项以市场、应用和 国家重大战略需求为导向,面向和促进产业化为重点，针对国际纳米材料技术发展趋势，并结合 我国国情，在有相对优势和战略必争的关键领域，如纳米信息材料及器件的集成技术、纳米生物 医用材料、纳米环境材料、纳米能源材料、纳米结构材料、纳米特种功能材料等进行了布局，批 准实施课题63项；2003年则在纳米光电子和电子材料体系、器件构造及集成技术，生物医用器 件、系统的纳米材料及相关技术，原创性的并具有产业化前景的特种纳米材料及技术，纳米电子、 纳米生物医学器件研发及规模化应用所必需的加工、检测设备进行了布局，批准实施课题39项； 2004 年在纳米信息、生物医学材料及相关应用技术等几个方面重点支持，力争实现技术的跨越发 展，使我国在纳米技术领域的国际竞争中占据有利的战略地位。通过国家攻关计划、863 计划、 973计划的实施，我国在纳米技术研究方面己投人了大量的人力和物力。自 2001年到2002年间， 共资助项目545 项，其中 50 万以上的项目102 项。在基础研究和应用研究方面，500万以上的项 目 26 项，资助的总经费大约3.6 亿元，加上社会资金对纳米材料产业化的投人，总投人约12 亿 元。在国家各项科技计划的支持下，我国纳米材料及纳米科学技术已经取得了比较突出的成果， 例如，在纳米电子方面，成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现 6 纳米宽的半导体量子线台面和 6 纳米宽的线条金属栅，制备出间隔仅为 10 纳米的多种“纳米电 极对”，用CMB效应进行高灵敏度传感器和硬盘磁头原理的研制工作。2001年我国开始了第一个“纳米标准”的制定工作，这是纳米产业发展加速的一个显著标志， 而支撑纳米标准建立的是我国已经具备的纳米基础科学基础研究、应用研究和产业化的实力。 2004 年 5 月 20 日，中国实验室国家认可委员会纳米技术委员成立，又使我国纳米科技发展走上 规范化管理的道路。目前，中国的纳米材料专利（包括三资企业在中国的纳米专利中请）占全世界 该领域专利申请总数的 20%以上，但我国专利质量和国外相比有一定的差距，尤其是纳米技术在 电子信息与生物这些技术含量高的领域严重不足。10年来，我国研究人员在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇， 其中发表在自然和科学等世界顶级学术杂志上的论文共6篇，影响因子在6 以上的学术 论文近20篇，影响因子在3以上的31篇，被SCI和EI收录的文章占整个发表论文的59%。根据 2003年APEC统计，我国近几年在ICA上发表的论文仅次于美国和日本，超过德国,位于第三位。 如果把2001 年和 2004年初的论文包括在内，中国超过日本，位于第二位，占全世界发表论文总 数的 15.2%。经过几年来国家的政策引导、各部门的配合、科学界和企业界的努力，我国不但发 展了纳米的基础研究，部分纳米技术已开始迈人产业化的阶段。据统计，我国有300 多家公司在 从事纳米材料和技术的研究及产业化，在纳米复合材料改造传统材料和产品方面，部分成果已经