納米材料的研究及應用

第頁共頁納米材料的研究及應用納米材料的研究及應用38納米材料的研究及應用納米材料的研究及應用魏方芳(福建師范大學化學與材料學院重點實驗室.福建300)5摘要:介紹納米材料的范圍、定義、四個根本效應及應用領(lǐng)城。關(guān)鑲詞:納來材并;根本效應;應用1概述納米材料是近年來開展起來的一種新型高性能材料。納米材料(又稱超細微粒)是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，根據(jù)其形象即為外表效應[。主13要表現(xiàn)為熔點降低、比熱增大。超微顆粒的外表具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用外表包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保外表穩(wěn)定化。利用外表活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。態(tài)分為零維、一可維、二維和三維納米材料t。l納米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在lo____以下，隨著晶格數(shù)量大幅度增加，材料的強度、韌性和超塑性都大為進步，對材料的電學、磁學、光學等性能產(chǎn)生重要的影響。目前對納米材料的定義為:粒徑為1一100____的納米粉，直徑為1一10O的納米線，厚度為1一lon的納米薄mnom2。小尺寸效應2在一定條件下，顆粒尺寸的量變，會引起顆粒的質(zhì)變。由于穎粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)膜，且現(xiàn)米應材[。并出納效的料122納米材料的根本特性納米材料有四個根本的效應，即小尺寸效應、外表與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，因此出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能，如的變化稱為小尺寸效應4]。對超微頤粒而言，尺【寸變小，同時比外表積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。)1熱學性質(zhì)變化大尺寸固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過超細微化后，發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于1納米量級時尤為顯著。0例如，金的常規(guī)熔點為164℃，當顆粒尺寸減小0到10納米尺寸時，那么降低27℃，2納米尺寸時的熔點僅為32℃左右;銀的常規(guī)熔點為67℃，而70超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細銀粉制成的導電漿料使膜厚均勻，覆蓋面積大，可以進行低溫燒結(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料。高強度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點、奇特的磁性和極強的吸波性等，從而使納米材料己獲得和正在獲得廣泛的應用。2，外表效應1納米晶粒外表原子數(shù)和總原子數(shù)之比與穎粒直徑成反比，隨著顆粒直徑變小，比外表積將會顯著增大。如將體積為Ic3物質(zhì)粉碎成In的微粒，ntm外表積就從6，一增加到一二澎，而比)z(nl4r1護表面積從6，102m一增加到6*109m一。說明外表原’‘子所占的百分將會顯著地增加，從而增大其活性。這種表活性引起的納米粒子外表原子輸送和結(jié)構(gòu)變化，及外表電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化現(xiàn)2)光學性能變化金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色，且尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑(白金)變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀?%，大約幾微米的厚度就化學工程與裝備2023年第3期能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能應用于紅外敏感元態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，外表原子配位不全等特點，導致外表的活性位置增加，使納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件[。納米微粒作催化劑16可以控制反響時間、進步反響效率和反響速度。納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個件、紅外隱身技術(shù)等。)3磁學性質(zhì)變化隨著納米晶粒尺寸變小，與體積成正比的磁各項異性也降低，當體積能與熱能相當或更小時，會呈現(xiàn)出超順磁性。利用超順磁性，可制成用處廣泛的磁性液體。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。超微顆粒的小尺寸效應還表如今力學、超導電半導體穎粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子一一空穴對。在電場作用下，電子與空穴別離，分別遷移到粒子外表的不同位置，與溶液中相似的組分進展氧化和復原反響。性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。2.3界面效應光催化是一種具有應用潛力的特殊催化劑〔7]，涉及到許多反響類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化復原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固嘴反響，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些納米材料具有非常大的界面，且界面原子的排列相當混亂。原子在外力的作用下很容易發(fā)生遷移，從而表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，因此使材料具有特殊的界面效應。是催化難以實現(xiàn)的川。半導體多相光催化劑2，量子效應4量子尺寸效應導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體;磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān);比熱亦會反常變化;光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的挪動，探究造成這些現(xiàn)象的原因即為量子尺寸效應。介于原子、分子與大塊固體之間的超微穎粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，能有地降解水中的有機污染物。例如納米TO，IZ既有軟高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，廉價易得，是制備負載型光催化劑的最正確選擇。3。在涂料方面的應用2納米材料制備的涂層具有特有的優(yōu)異性能。在涂料中參加納米材料，可進一步進步其防護才能，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣損害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。已有美國的研究人員用納米級二氧化錫、二氧化欽、三就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，，氧化二鉻等與樹脂復合作為靜電屏蔽的徐層;在標稱之為量子尺寸效應[。]s牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，到達量子隧道效應電子具有粒子性又具有波動性，儲存太陽能、節(jié)約能的目的。在建材產(chǎn)品如玻因此存在隧道效應。研究發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如璃、涂料中參加適宜的納米材料，可以到達減少光微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。納顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進米SIC反是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中參加納米Sm，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強i度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)____，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。3。在生物醫(yī)學面的應用3地磁性納米粒子作為藥濟的載體，在外磁場一步微型化時必需要考慮上述的量子效應。3納米材料的應用3，在催化面的應用1納米微粒作催化劑，是納米材料的重要應用領(lǐng)域之一。納米顆粒具有很高的比外表積，外表的鍵的引導下集中于病患部位，以進步藥效[，使藥10納米材料的研究及應用物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹納米技術(shù)的開展，使微電子和光電子的結(jié)合更的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織;使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀外表急劇增大，表加嚴密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大進步。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其才能進步10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進展高精度的對地偵察。納米科學是一門將根底科學和應用科學集于一體的新興科學，納米材料被稱為“世紀最有前12面構(gòu)造發(fā)生變化，殺菌才能進步20倍左右，對臨0床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的`根本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反響。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生途的材料”0，在世界納米材料與[’]納米科技獲得成就的同時，也涉及到許多有關(guān)重要的問題有待進展深化的探究和解決。2世紀將是納米技術(shù)的時代，1納米科學技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能、人類安康和環(huán)境保護等重大問題。隨程，從而根據(jù)生物學原理開展分子應用工程。在金屬鐵的超細顆粒外表覆蓋一層厚為5一2____的聚0合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反響。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使著其制備和改性技術(shù)的不斷開展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥消費等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應用【參考文獻】：^pISa巧aranyaaC，F(xiàn)~nFH.ThsoctUeadMeha:cPrO時et團ncnal戶-納米技術(shù)和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利納米材料的研究及應用用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而理解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。3.4在環(huán)保方面的應用納米材料的控制污染方面可起到關(guān)鍵性的作用。主要表達在它降低能消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資消耗;減少廢物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染?！畂Met.JlicN二斗山，Me劫u目caTr田蛇uo們匯卜2，sef油山歹l泌‘曰J]199.A23A;1071一1081.2白春禮.納米科技開展及其前景川科學通報，1，(2;2o04)609.3劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳.納米材料的特殊性能及其應用;沈陽工業(yè)大學學報，20，2(1.02)4單志強.納米材料特性及其在環(huán)境保護領(lǐng)域的應用;環(huán)保材料.(205)0一40一.)(200033，在微電子學上的應用5納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的5劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳.納米材料的特殊性能及其應用;沈陽工業(yè)大學學報，20搶.2(1).(工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的才能，實現(xiàn)信息采集和處理才能的____性打破，納米電子學將成為下世紀信息時代的核心。3.6在光電領(lǐng)域的應用6都有為.化工進展;1993(4);21一24.7古宏展.化工進展;1999(4);5一78吳鳴.首屆全國納米材料應用技術(shù)交流會論文集;11一11.149李良訓.金山油化纖;2儀K，第一期.)10張立德.納米材料的開展〔;中國科學基金，1994