纳米的有关概念纳米材料及技术的发展纳米材料的神奇物理特性纳米材料：纳米的有关概念纳米（nanometer）是一个极小的长度单位：1nm=10-9m , 1纳米是1米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨个排起来的长度，人的一根头发丝的直径相当6万个纳米。物质结构的最小单元是原子，一纳米相当于五个原子并排起来的长度。纳米材料是纳米科技的重要组成部分，由尺寸为1-100nm的超微粉组成的固态或液态材料。可分为两个层次，即纳米微粒和纳米固体或液体。纳米材料及技术的发展1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料 在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。在在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。在坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。广义地说坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。广义地说 ，动植，动植物按最微基准来定义，就是纳米机器的组合体。蜜蜂、螃蟹、海物按最微基准来定义，就是纳米机器的组合体。蜜蜂、螃蟹、海龟的体内具有纳米磁性粒子。龟的体内具有纳米磁性粒子。 中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料，用中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料，用于着色的染于着色的染 料等。料等。 1861年胶体化学出现，并随之人们逐渐对直径为年胶体化学出现，并随之人们逐渐对直径为 1-100nm 的微粒进行研究。的微粒进行研究。 70年代末年代末80年代初，人们对纳米微粒的结构、形态和特性进行年代初，人们对纳米微粒的结构、形态和特性进行了较为系统的研究。了较为系统的研究。2.纳米科技的诞生 纳米科技的诞生是以扫描隧道显示仪纳米科技的诞生是以扫描隧道显示仪(ScanningTunnelingMicrosocopy)发明为先导的。该仪发明为先导的。该仪器是器是1981年由美国的年由美国的IBM公司在苏黎世实验室的教授公司在苏黎世实验室的教授G.Binning和和H. Rohrer博士发明的。这是目前为止进行博士发明的。这是目前为止进行表面分析最精密的仪器，可以直接观察到原子，横向分表面分析最精密的仪器，可以直接观察到原子，横向分辨率为辨率为0.1nm,纵向分辨率为纵向分辨率为0.01nm。 1990年年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米科月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米科学技术会议。这次会议标志着纳米科技领域的正式形成。学技术会议。这次会议标志着纳米科技领域的正式形成。 1992年年9月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材料会议。正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公料会议。正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世。每两年召开一次，布于世。每两年召开一次，1994年在德国召开了第二届，年在德国召开了第二届，第三届在美国的夏威夷召开，第三届在美国的夏威夷召开，1998年在瑞典召开第四届，年在瑞典召开第四届，2000年在日本的仙台召开第五届年在日本的仙台召开第五届。 表面效应：表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加，比表面积（表面积/体积）增大，粒子的表面能和表面张力也会随之增加，从而引起纳米粒子性质的变化。 由于表面活性高，利用它的表面活性特点，金属超微粒子可以做成新一代的高效环境友好催化剂和储氢材料。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1%（质量）的超微铝或镍，燃料燃烧热增加约1倍。 纳米ZnO、TiO2等半导体纳米粒子的光催化作用在环保健康方面有广泛的应用。 利用它的大表面比作成敏感材料，如气、湿、光敏器件。纳米材料的几种物理特性小尺寸效应 ： 当超微颗粒尺寸不断减少，在一定的条件下会引起材料的宏观物理化学性质的变化，称为小尺寸效应。 纳米材料的几种物理特性超微材料的做的钢材料及油箱盖对力学性质的影响：传统陶瓷呈现出脆性，由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。纳米材料的几种物理特性特殊的热学性质：由于在纳米尺寸下，可以说材料的空间维数减少，表面能增大，金属纳米材料的熔点减少。块状金的熔点为1064 ，当变成10nm时，为1037 ，2 nm 时为327。银的熔点可由690 降到100 。因此，银超细粉制成的导电浆料可在低温下烧结。这样元件基片不必采用耐高温的陶瓷，而可采用塑料。这种浆料做成膜既均匀、覆盖面大，又省料、质量好。纳米材料的几种物理特性特殊的光学性质：金属超微粉对光的反射率很低，一般低于1%，几乎所有的金属材料在细到小于光波的波长时（几千个埃）会失去原有的金属光泽，呈现黑色。尺寸越小，颜色越黑。利用此特性可以做高效的光热，光电转换材料，同时，还可以做防红外，防雷达的隐身材料，例如，用纳米铁氧体微粒制成的吸收波材料在国防军事上有很大的应用，美国已在这方面将此实用化了，1991年海湾战争中，美国的隐身战斗攻击机F-117A共执行任务1270次，无一损伤。纳米材料的几种物理特性特别的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大块材料强许多倍。 20nm 的磁性氧化物的矫顽力是大块铁的1000倍，但当尺寸再减少的时候，其矫顽力反而又降低了成为超顺磁性。利用超微粒子具有的高的矫顽力的性质，已做成了高储存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等。如果磁光盘一旦进入纳米级，它的信息储存量将为现有光盘的10 6倍。纳米材料的几种物理特性量子效应：孤立原子的能级是分立的，能量是量子化的。当原子形成固体之后，由于晶体周期场的影响，分离的能级形成能带。后来日本科学家在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子数的减少，电子能级类似孤立原子中的能级, 变为不连续,能带中能级间隔加大。当能隙大于它具有的热能、电磁能时，超微粒子就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的性质，称之为量子尺寸效应。 金属导体可能变成半导体甚至绝缘体。对半导体材料来说，由于尺寸的减少，价带和导带之间的能隙增大，光吸收或者发光带的特征波长也不同于传统材料。尺寸减少，发光带的波长向短波移动，这种现象称为“蓝移”。纳米材料的几种物理特性量子隧道效应：电子具有粒子性也具有波动性，因此存在隧道效应。近年来科学家发现纳米颗粒也具有隧道效应，属于宏观量子隧道效应。 这两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基础。 目前，最精细的电子线路宽约为1微米，为头发丝的1%，经典电路的极限尺寸约为0.25um，要将电路进一步微型化就很困难，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就会通过隧道效应而溢出器件。 利用量子效应开发新技术和新装置。电路依靠单个分子改变位置或形状，就能储存信息。或者做成分子开关。纳米材料的几种物理特性