纳米材料综述

沧海青城

2013/02/20

私聊

试验机/硬度计

1，概述

一纳米等于十亿分之一米，相当于人的头发丝直径的八万分之一。纳米材料被誉为“21一世纪最具有前途的材料”，与信息技术和生物技术并成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。材料的结构决定材料的性质，纳米材料的特殊结构决定它具有一些特异性质，从而纳米材料具有常规材料没有的性质，从而使纳米材料得到更广泛的应用。纳米材料在化工，工程材料，信息，生物医学，军事等领域都得到了充分的应用。现在纳米技术尚在初期阶段，但于社会效益与经济效益都产生的巨大的影响，在未来纳米材料必定大显身手。

纳米科技是研究结构尺度在1（0.1）~100nm范围内材料体系的运动规律，相互作用及实际应用的科学技术。其基本内涵是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作原子，分子创造新的物质。纳米技术在材料学，生物学，电子学，化学，物理学，测量学，力学的若干领域得到应用。纳米技术是许多基础理论，专业工程理论与当代高新技术的结晶。以物理学，化学的微观理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段。美国IBM首席科学家曾经说到：“正像微电子技术产生了信息革命一样，纳米技术将成为下一代信息的核心。”我国著名科学家钱学森也指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科学技术发展的重点，会是一次技术革命，从而引发21世纪的一次新的产业革命。”纳米技术具有极大的战略意义，世界上许多国家都将其纳入重点发展项目。本文将从纳米材料的现状，发展趋势及应用三方面加以主要叙述。

2，定义

纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（1~100nm）的极细颗粒组成的固体材料。广义上讲，纳米材料指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。

发展历史

纳米材料的概念可以追溯到1959年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Phillips Feynman)_在一次名为“There is plenty of room at the bottom”演讲中提到的。他构想人类可以使用宏观上的机器制造比其体积小的机器，进而制造更小的机器，这样一步步缩小生产装置，逐步达到分子尺度，到最后人类可以按照自己的意愿来排列原子，制造产品。尽管当时的科学界抱以普遍的怀疑态度，但不久之后，他的理念得以证实，

1980年H·Gleiter教授在一次穿越澳大利亚的沙漠旅行时引发的构想，他不同于当时的常规想法，即具有完整空间点阵结构的实体即晶体视为主体，而将空间点阵中的空位，置换原子，间隙原子，相界，位错和晶界视为晶体材料中的缺陷。他将“缺陷”视为主体，制造出一种晶界占有极大体积比的材料。1984年，他领导的研究组用惰性气体凝聚法制备了具有具有清洁表面的黑色纳米金属粉末粒子，并以它为结构单元制成了纳米块体材料。

1987年美国国家实验室的西格尔（Siegel)等人使用气相冷凝法制备纳米陶瓷材料TiO2，并观察到纳米材料在室温和低温下具有良好的韧性。1990年7月，在美国巴尔的摩召开国际第一届纳米科技学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，表明了纳米材料科学已经成为一个比较独立的学科。1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出了纳米材料工程。是纳米材料的新领域，是纳米材料研究的基础上通过纳米合成，纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，开始形成了基础研究与应用研究并行的局面。

纳米材料发展有三个阶段：

第一阶段（1990年之前）主要是在实验室探索，用各种手段制造各种材料纳米颗粒粉体，合成块体，研究表征方法，探索纳米材料的性能。

第二阶段（1990~1994年）。人们使用已经发掘出来的纳米材料的特殊物理，化学性质来设计开发新的纳米复合材料，一度主导了纳米研究的方向。

第三阶段（1994~）。纳米组装体系。人工组装合成纳米材料的结构材料越来越受到人们的关注，已经成为纳米研究的新热点。

纳米材料具有极大的战略价值，因此许多发达国家如德国，日本，美国，俄罗斯，英国，法国都投入大量财力进行研究。我国纳米材料研究起步比较晚，但是国家对纳米材料研究十分重视，纳米材料科学已经作为国家基础性研究重大关键项目列入国家“八五”攀登计划。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八项重大、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了立项研究。通过这些计划我国在纳米研究领域已投入大量的人力物力。已经取得了一系列重要成果，尤其是在纳米材料应用研究，如纳米技术改进性塑料、橡胶、胶黏剂、密封剂、涂料、聚合物复合材料、陶瓷、电子封装材料以及精细化工产品等方面已处于领先水平。

纳米材料的结构与特性

1，纳米材料的结构

纳米材料由两种组元组成：晶体组元与界面组元。晶体组元由晶粒中的原子组成；界面组元由各晶粒之间的界面原子组成，由超微晶粒表面原子转化而来。纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，当晶粒尺寸为10nm时，一个金属纳米晶内界面可达6×1025m2时，晶界原子达15%~50%。由于纳米材料中晶界原子结构十分复杂，目前很难用一种统一的结构来描述纳米晶界的微观结构。可以认为纳米材料中的界面存在一个结构上的分布，它们处于无需到有序的中间状态，有的与粗晶界面十分接近，有的则更趋于无序状态。正是由于纳米材料这种特殊的结构，是纳米材料自身具有小尺寸效应、量子效应、表面和界面效应等特殊效应。

2，纳米材料中的特殊效应

（1）表面效应

指纳米微粒表面原子与总原子数之比，随粒径变小后而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小，位于表面的原子所占的体积分数很大，产生相当大的表面能。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒的粒径小到与其光波波长或德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，纳米晶体的周期性边界条件被破坏，而导致其呈现出与相应块体材料显著不同的物理性质变化现象。

（3）量子尺寸效应

当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力成为隧道效应。宏观量子隧道效应是未来微电子器件的基础，它确定现存微电子器件进一步微型化的极限。

纳米材料的性能

1，力学性能

许多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2~ 7倍; 纳米材料具有更高的强度, 例如, 6nm 的纳米铁晶体的强度比多晶铁提高12 倍, 硬度提高了2~ 3 个数量级; 韧性更大, 如美国Argonnel 实验室制成的纳米CsF2 陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2 陶瓷晶体表现出很高的韧性, 压缩至原长度的1/4 仍不破碎。

2，热学性能

一般纳米金属材料的热容是传统金属的2 倍; 直径为10nm 的Fe、Au 和Al 熔点分别由其粗晶熔点的1540 ℃ 、1063 ℃ 和660 ℃ 降到33 ℃ 、27 ℃ 和18 ℃ 。2nm的金的颗粒熔点仅为330 ℃ , 比通常金的熔点低700 ℃ 以上, 而纳米银粉的熔点仅为100 ℃ ; 此外, 纳米材料的热膨胀可调, 可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接。

3，磁学性能

当晶粒尺寸减小到纳米级时, 晶粒之间的铁磁相,互作用开始对材料的宏观磁性有重要影响, 使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力, 低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20 倍, 而饱和磁矩是普通金属的1/2。

4，光学性能

各种纳米微粒几乎都呈黑色, 它们对可见光的反射率将显著降低, 一般低于1%。粒度越细, 光的吸收越强烈, 利用这一特性, 纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上的雷达波吸收材料。

5，电学性能

电导率低, 纳米固体中的量子隧道效应使电子运输表现出反常现象, 例如, 纳米硅氢合金中的氢含量大于5% ( 原子分数) 时, 电导率下降2 个数量级, 并出现通道电阻效应。纳米材料的电导率随颗粒尺寸的减小而下降。

6，高扩散性

纳米晶体的自扩散速率为传统晶体的1016至1019倍, 是晶界扩散的100 倍。高的扩散速率使纳米材料的固态反应可在室温或低温下进行。

7，表面活性

随着纳米微粒粒径减小, 比表面积增大, 表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等, 使得纳米微粒具有高的表面活性, 适于作催化剂和贮氢材料。例如, 纳米晶Li- MgO 对甲烷向高级烃转化的催化激活温度比普通Li 浸渗的MgO 至少低200℃；又如, 普通多晶Mg2Ni 的吸氢只能在高温下进行, 低温吸氢需长时间或高压力, 而纳米晶Mg2Ni 在200℃以下, 即可吸氢, 无须活化处理。

分类	纳米材料的特性	应用
力学	高强度、高硬度、高塑性、高韧性、低密度、低弹性模量	纳米金属陶瓷高性能刀具，用于高压、真空、腐蚀等极端环境的纳米陶瓷。
热学	高比热、高热膨胀系数、低熔点	高效光热转换、低温烧结
光学	反射率低、吸收率大、吸收光谱蓝移	红外传感器，红外隐身技术，高效光热、光电转换，吸波，光通信，光存储，光开关，光过滤，光致发光，非线性光学元件，光折变材料
电学	高电阻、量子隧道效应、库伦堵塞效应	纳米电子元件、导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏和非线性电阻
磁学	强软磁性、高矫顽力、超顺磁性、巨磁电阻效应	磁记录、磁光记录、磁流体、永磁材料、吸波材料、磁光元件、磁存储、磁探测器、磁制冷材料
化学	高活性、高扩散性、高吸附性、光催化活性	催化剂、催化剂载体、抗菌、空气净化、汽车尾气净化、废水处理、自清洁
生物	高渗透性、高表面积、高仿生度	药物载体、靶向给药、药物筛选、抗癌、人工骨、纳米孔基因测序、芯片实验室

纳米材料的分类

纳米材料可从维数、组成相数、导电性能等不同角度进行分类。由于纳米材料主要特征在于其外观尺度，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是流行的分类方法。

基本类型	尺度、形貌与结构特征	实例
零维纳米材料	三维尺度均为纳米级，无明显的取向性，近等轴状	原子团簇，量子点，纳米微粒
一维纳米材料	单向延伸，二维尺度为纳米级，第三维尺度不限	纳米棒，纳米线，纳米管，纳米晶须、纳米纤维、纳米卷轴、纳米带
一维纳米材料	单向延伸，直径大于100nm，具有纳米结构。	纳米结构纤维
二维纳米材料	一维尺度为纳米级，面装分布	纳米片，纳米板，纳米薄膜，纳米涂层，单层膜，纳米多层膜。
二维纳米材料	面装分布，厚度大于100nm，具有纳米结构。	纳米结构薄膜，纳米结构涂层
三维纳米材料	包含纳米结构单元、三维尺寸均超过纳米尺寸的固体	纳米陶瓷，纳米金属，纳米孔材料，气凝胶，纳米结构阵列
三维纳米材料	由不同类型低维纳米结构单元或其与常规材料复合形成的固体	纳米复合材料

纳米材料的制备方法

1，物理制备方法

（2）蒸发冷凝法

在高真空蒸发室内通入低压惰性气体，使样品（如金属或氧化物）加热，其所生成蒸汽雾化为原子雾并与惰性原子发生碰撞而失去能量，从而凝聚形成纳米尺寸的团簇并在液氮冷阱上聚集起来，最后得到纳米粉体。此法优点是可在体系中装备原位加压装置，使收集到的纳米粉体进行原位压结固化。在制备过程中可通过蒸发速率、惰性气体类型及压力调控，来改变产物粒子的粒径分布。

（2）分子束外延法

分子束外延是一种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内（真空度达1.33´10-17~1.33´10-14Pa），源材料经高温蒸发，产生分子束流，入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。生长系统配有多种监控设备，如反射高能电子衍射（RHEED）、俄歇电子能谱（AES）、X 射线电子谱（ XPS ）、低能电子衍射（LEED）、二次离子质谱（SIMS）、各类电子显微镜等，可对生长过程进行瞬时测量分析。对表面凹凸、起伏、原子覆盖度、粘附系数、蒸发系数及表面扩散距离等生长细节，进行精确监控。由于 MBE 的生长环境洁净，温度低，具有精确的原位实时监测系统，晶体完整性好，组分与厚度均匀准确，各层之间界面陡峭平整，超晶格具有严格周期性，其周期可控在原子层精度内，已成为半导体超晶格和量子阱制备的核心技术。所谓超晶格，指的是在晶体生长方向上对其进行周期性的化学组分的调变。于是人造的一维周期性就强加于晶体上，这种附加的周期性，比晶体平面的自然宽度大1 或2 个量级，但比电子的德布罗意波长小（对GaAs 约为25 nm），这就引起亚带的产生和导致优异电光性能量子器件出现，使半导体器件生长技术，由杂质工程步入了纳米级微观控制能带工程。

（3）机械球摩擦法

在没有外部供热情况下，通过介质和物料之间相互碰撞研磨以达到微粒的超细化。此法，除用来制备单质金属纳米粉体外，还可通过颗粒间固相反应直接合成化合物粉体。如金属碳化物、金属氮化物和金属氧化物等复合粉体。但该法难于获得粒径小的粉体。1988 年Shingu 首先报道用机械合金化法制备晶粒小于10 nm 的Al－Fe 合金。其方法是使欲合金化的元素粉末混合粉体，置于高能球磨机内长期运转，在冷态下经球的反复冲击挤压和破碎，使之生成弥散分布的超细粒子。其缺点是在球磨过程中易引入杂质。

（4）扫描探针显微镜法（SPM)

用 SPM 法进行纳米尺度的信息存储可追溯到Eigler,和 Schweizer 的先驱性工作，他们利用 STM 在4K 低温下以原子级精度实现了单个Xe 原子在Ni（110）面移动、排列、堆积和定位，并在世界上首次用35 个单个Xe 原子成功地排列出IBM 图案。纳米电子学要求更高的存储密度，更快的写入速度和更好的稳定性。这更高的存储密度，意味着要更小的信息存储组成的高密度点阵。这涉及信息存储原理、机制和材料的选择和设计。利用SPM 进行高密度信息存储的制备从其实现原理有诸多类型：如利用SPM 针尖诱导存储材料产生机械形变形成信息点。Mamin 等用FAM 针尖在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上加热诱导局部形变写下100nm 信息点。Sato 则利用存储材料在STM 针尖下引起导电性改变从β-NaxV2O5 复合材料上写下10nm 信息点。Quate 利用SPM 针尖诱导局域电荷分离在氮化硅-氧化硅-硅结构的120μm×120μm 微区内写下256 千字节信息瑞士联邦宣言。刘忠范等利用 STM 焦耳热效应诱导热化学烧孔形成信息点，他们在电荷转移复合物 TEA/TCNQ 上得到大面积信息孔列阵，其最小孔径 8nm。鉴于信息最小点尺寸要受晶态相最小稳定尺寸或薄膜上孔的尺寸和其沉积金属颗粒尺寸所限制，马立平等提出以电荷转移为机制的具有电学双稳定特点的有机复合薄膜为信息存储介质，实现了信息点大小为1.3nm，相邻信息点间距2nm 的记录。他们还利用3-苯基，1-脲基腈（PUN）为信息存储材料，在STM 针尖作用下记录区生成了具

有电导的分子聚合链的局部聚合机制，实现了记录点为0.8nm 2 个记录点间最小间隙为1.2

nm 相当信息存储密度为 1014bit/cm2 的新记录。

2，化学制备方法

（1）气相沉淀法（CVD）

在远离热力学计算临界反应温度条件下，反应产物形成很高过饱和蒸气压，使其自动凝聚形成大量晶核，晶核在加热区不断长大并聚集成颗粒，随气流进入低温区，使颗粒生长、聚集、晶化最后在收集室得到纳米粉体。CVD 法可通过选择适当浓度、流速、温度和组成配比等工艺条件，实现对粉体组成、形貌、尺寸和晶相等的控制。此法还有以激光或等离子体为加热手段的激光诱导气相合成法和等离子体气相合成法，由于该法加热速度快，在高温驻留时间短及冷却迅速等优点，故可获得粒径小于10 nm 的纳米均匀粉体。作为CVD 法一个例子：以Si(CH3)2Cl2、NH3 为Si、C、N 源，以H2 为载气，在1100～1400℃温度下可获得平均粒径为30～50 nm 的SiC纳米粉和平均粒径小于35 nm 的无定型SiC—Si3N4 纳米混合粉体。

（2）液相沉淀法

在金属盐溶液中加入适当沉淀剂得到前驱体沉淀物, 再将此沉淀煅烧形成纳米粉体. 根据沉淀方式，该法可分为直接沉淀法, 共沉淀法和均匀沉淀法. 为防止在沉淀过程中发生严重团聚, 往往在其制备过程中引入诸如冷冻干燥、超临界干燥和共沸蒸馏等技术，可收到较好结果。此法操作简单，成本低但易引进杂质，难以获得粒径小的纳米粉体。

（3）溶胶-凝胶法（Sol-gel）

溶胶-凝胶法是指金属的有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其它化合物的方法。该方法可实现分子水平的化学控制和介观水平的几何控制，从而达到性能剪裁目的。所谓溶胶是指作为起始物的醇盐和/或金属有机配合物，通过醇盐和配合物的水解，生成相应的氢氧化物或含水氧化物。然后再经缩聚反应形成一定尺寸且稳定地分散于介质中的胶体粒子分散体系。而凝胶则是缩合反应后所形成的胶体粒子的进一步聚集、粘结而形成3 维网络结构的略呈弹性的半固体状物。从凝胶要变成晶态物质，还需经过进一步热处理，使大量存在于凝胶中活性基团继续缩合，固化并使残存于凝胶中的水和有机溶剂及有机基团，通过低温热处理而消解，然后再通过高温烧结而形成晶态物质的过程。

Sol-gel 法应用范围十分广泛。按材料用途涉及光学及光电子、电子、磁性材料、催化剂、陶瓷；从其材料外形则涉及块体、纤维、薄膜及粉末。从材料形态涉及晶体、无定形材料及有机无机杂化材料诸多应用。仅各种光电性能薄膜就有波导膜、吸收膜、着色膜、反射膜、非线性光学膜、光致/电致变色膜、光催化膜、铁电/介电膜、电子/离子导电膜及高温超导膜等。这归结它工艺简单易于制成多组分、定量掺杂膜，及能有效控制膜成分和其微观结构等。

（4）Langmuir-Blodgett膜法，简称L-B法

其一般制备方法是把一端亲水一端疏水的两亲化合物稀溶液，滴铺在水相中，待溶剂挥发后，两亲分子就在水/气界面上形成疏水端朝向空气，亲水端指向水中呈直立状分散排布，因此必须借助机械方法用障板横向挤压，使呈直立状分散排布两亲分子片单元、粘结、堆集成排列有序单分子膜即所谓Langmuir膜。要使Langmuir 膜转移到经过处理的基片上，可借助传统的垂直转移沉积法，即在恒定膜压和拉膜速度下垂直拉起可制备多层Y-型L-B 膜；亦可采用水平接触法，即把基片置于与亚相水面平行位置，缓慢下放基片，使与亚相水面上分子膜刚好接触，则分子膜就被转移吸附到基片上，提升再下降，如此重复操作亦可得到L-B 膜。

在诸多的成膜技术中L-B 膜技术能将膜的有序性和膜的厚度控制在分子水平上，可得到超薄、有序、大面积无缺陷单分子膜及功能性L-B 膜，这为应用L-B 膜技术组装无机材料，制作纳米器件提供了一个途径。与其它的成膜技术如真空镀膜技术和分子束外延生长技术比较，它无需昂贵设备及超高真空系统，且工艺简单易行而受到人们青睐。

（5）水热-溶剂热法

水热法是在特殊反应器（高压釜）内，以水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度或近临界温度，并在高压环境下而进行的无机合成的有效方法。在水热法中，水起到液态或气态传递压力的媒介，在高压下绝大多数反应物均能全部或部分溶解于水，促使反应在液相或气相中进行，因此可获得纯度高、晶形好、单分散、形状及大小可控的纳米粒子。但水热法只适用于对水不敏感的一些材料的制备，因此必须以有机溶剂代替水，在新的溶剂体系中设计新的合成路线以扩大水热法应用范围。一系列高温高压水热法的开拓，已成为多数无机功能材料、特殊组成和结构的无机化合物以及特殊凝聚态材料合成的重要途径。

（6）喷雾热解法

此法是将金属盐溶液以喷雾状喷入高温气氛中，此时立即引起溶剂的蒸发和金属盐的分解，随即因过饱和而以固相析出，从而直接得到纳米粉体。另有一种称为喷雾水解法，即将醇盐溶液喷入高温气氛中制成溶胶，再与水蒸气反应，发生水解形成单分散颗粒。化合物经煅烧即可获得氧化物纳米粉体。此法要求高温及真空条件，但可获得粒径小分散性好的粉体。

（7）模板合成法或化学环境限制法

目前不少纳米材料的制备采用表面键合、有机基团、聚合物、多孔玻璃、沸石、磷脂囊、微生物以及反转胶束和无机超分子受体，利用它们所形成的特殊化学环境一维的线管、2 维的表面薄膜和3 维的空间网络以及形状各异的孔洞腔体并以非共价的氢键、配位键、静电力和分子间力等来诱导、聚凝被合成的客体分子，从而达到合成目的。Herron 等利用分子筛Na-Y，经离子交换将Cd2+离子引上沸石，然后通入H2S 气体使其在沸石的孔洞中进行化学反应形成CdS 纳米微粒子。Meldrum 利用超分子蛋白结构的储铁蛋白，在本体铁蛋白的氧化铁中心形成反应中心，与H2S 作用形成纳米FeS 粒子。Burkett 等利用人工合成的类脂所形成的空管自组织体，获得了Au 颗粒的螺线状排列体。因这种类脂空管具有螺旋结构，其上的特定功能团具有还原Au（II）的能力，构成Au的成核位置，从而导致了Au 颗粒在类脂管表面形成螺线状排列。Attard 等报道了预组织液晶模板合成中孔二氧化硅。他们利用非离子表面活性液晶作为稳定预组织模板，将硅酸四甲酯加入到酸性C12H25(OC2H4)8OH 六角液晶相中，然后经水解、加热除去有机模板，即得六角液晶状中孔二氧化硅。Braun 等把表面键合的寡聚核苷酸和DNA 分子杂化连接到2 个金电极间，DNA 分子作为模板生长出长12μm 直径100 nm 的Ag 纳米线。利用微乳液中微小水池这一微环境作为各种化学反应的微反应器，亦可制备纳米微粒。所谓微乳液通常是由表面活性剂、助剂（醇类）、油（碳氢化合物）和水（或电解质水溶液）所组成的透明的各向同性热力学稳定体系。微乳液中微小水池为表面活性剂和助剂组成单分子层界面所包围。水池彼此分离，其大小可控制在几十至几百埃之间，借此形成的微环境，可提供化学反应的微反应器。微乳颗粒不断地做布朗运动，且其内容物可彼此穿越，这使得有可能利用微乳液进行化学反应。纳米颗粒的制备是使两种反应物，分别溶于组分完全相同的两份微乳液中，然后混合通过水池进行物质交换并反应。在微孔颗粒界面，反应产物生长将受到限制，将微乳颗粒控制在几十个Å，则反应产物以纳米微粒形式分散在不同微乳液水池中稳定存在，再经分离、洗涤、干燥即可得纳米颗粒的固体样品。

纳米材料的应用

纳米材料发展的开始理论研究就和应用紧密连接，现在纳米材料在各领域得到了极大的推广和应用。

1，工程材料的强化与改性

（1）纳米陶瓷的增韧

纳米陶瓷是指在显微结构中物相结构具有纳米级尺度的陶瓷材料。纳米材料因为粒径小、熔点低及相变温度低等特点，添加纳米颗粒使常规陶瓷综合性能得到改善。纳米陶瓷具有优良的高温和室温力学性能，抗弯强度，断裂韧度均有显著提高。故在低温低压下就可以作为原料制备质地致密、性能优异的纳米陶瓷，它具有坚硬、耐磨、耐高温和耐腐蚀的性能。

（2）为发展新型纳米陶瓷奠定基础

纳米陶瓷的体积效应使得通常在高温烧结的材料在较低温度下就可以获得高密度烧结体。此外由于纳米材料微粒粒径小、比表面大，具有烧结温度低、流动性好、扩散速率高及烧结收缩大等特性，使得又可以将其作为烧结过程中的活化剂使用，可降低烧结温度、缩短烧结时间和加快致密化速度，从而加速烧结过程。

（3）纳米荧光技术

在生命与信息科学研究中，大多数特异性的生物芯片都要使用标记物。目前使用最多的是发光标记物，其中纳米发光标记物具有更高的量子产率，更长的发光寿命，而且性能稳定。

（4）新型焊接材料

很多陶瓷部件在高温下使用，目前所使用的陶瓷焊接技术无法保证其高温强度。若利用纳米陶瓷的低温烧结及快速扩散的特点，可将陶瓷的两部分很好的连接到一起。若选择的纳米陶瓷与所焊接部件成分形同或相近，则可有效保证高温强度。

（5）纳米润滑材料

用纳米金属铜粉加入润滑油中，可制得具有修复作用的润滑油。

（6）材料的改性

纳米改性塑料

科研人员发现，当微粒达到纳米量级时会出现一种新奇现象，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出与传统材料的极大差异。根据纳米材料的结构特点，把不同材料在纳米尺度下进行合成与组合，可以形成各种各样的纳米复合材料，例如纳米功能塑料。　　

一般塑料常用的种类有PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、PA（聚酰胺）、PC（聚碳酸酯）、PS（聚苯乙烯）等几十种，为满足一些行业的特殊需求，用纳米技术改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能，强度高，耐热性强，重量更轻。随着汽车应用塑料数量越来越多，纳米塑料很可能会普遍应用在汽车上。这些纳米功能塑料最引起汽车业内人士注意的有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。　　

增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等，这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度，抗冲击韧性和弹性模量上升，使塑料的物理性能得到明显改善。增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小，重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。这些用纳米技术改性的增强增韧塑料，可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖等，某至还可用于变速器箱体，齿轮传动装置等一些重要部件。

纳米改性橡胶

橡胶及其制品大部分都是黑色的，因为其中加入一定量的炭黑，炭黑是橡胶的主要补强剂和抗老化剂，炭黑是纳米级材料，随其粒度的减小比表面的增大，其补强性与抗老化性谁知增强。

2，光电信息领域的应用

（1）在光电领域的应用

在光电信息传输、储存、处理、运算和显示的方面，纳米技术使光学器件的性能大大提高。将纳米技术运用到现有的雷达信息处理上，可是其能力提高到10倍至几百倍。

今年5月，位于美国纽约的IBM研究中心在《科学》杂志上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光。这就是说，使碳纳米管发光的理想将变为现实。随着纳米领域新技术的层出不穷，纳米技术在“光电产品”的应用将有可能更快到来。
事实上，目前各国的科研机构都在加快纳米技术的研究脚步，以IBM研究中心为例，该机构在过去的20余年里一直致力于这一领域的研究。近几年来，研究中心的科学家已经取得了一系列重大的突破，尤其是在使用碳纳米管制造微小光电子器件方面。

碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍，重量却只有1/6。
令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆动频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。
在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命。
碳纳米管是“纳米世界”中的重要一员，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是这些年来国际科学的前沿领域之一。碳纳米管又称为“巴基管”，是一种具有独特结构的电子管状分子，仅有人头发的五万分之一粗细，由日本科学家于1991年发现。碳纳米管本身所拥有的潜在优越性，决定了它无论是在物理、化学还是材料科学领域都将有重大的发展前景。
（2）在静电屏蔽方面的应用

纳米氧化物粒子具有半导体效应，在常温下起导电性比常规氧化物高。具有良好的静电屏蔽作用化纤衣服和化纤地毯由于静电效应，容易吸附灰尘，危害人体健康。在其中加入金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低。

（3）在信息科技领域的应用

磁性纳米微粒由于尺寸小，具有但磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制造磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量，还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。

聚磁电阻效应

是一种量子力学和凝聚态物理现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。

阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。单以读出磁头为例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4GB提升到了600GB或更高。

纳米稀土永磁材料

由于纳米材料的磁化过程完全由旋转磁化进行，即使不磁化也是永久性磁体，可以用作用永磁性材料。

纳米磁流体材料

磁流体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。

（4）产业中的应用

微电子器件

当电子器件进入纳米级尺寸时，量子效应就十分明显，纳米材料应用到电子器件上时就会产生普通元件所没有的效果。在信息领域，20世纪的微电子材料要转化为21世纪的纳米电子材料，这方面的研究将会是重点。

传感器方面

纳米粒子的比表面积高，活性高，时期在传感器方面成为最具前景的材料。20世纪80年代初，日本已研制出SnO2纳米薄膜传感器。

电器领域

纳米材料的应用可以使许多产品改头换面，比如可以改变传统的静电屏蔽材料只能使用单一的黑色，这样像彩电就可以使用不同的外包装材料。汽车制造业中，车身若采用纳米复合材料，则车身的抗冲击强度和安全系数比不同钢板车高出几倍。

3，生物医学领域的应用

（1）纳米生物学

纳米生物学的产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。

生物器件的特点是像遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，例如具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；利用生物零件可以组装具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。合成生物学的兴起，对细胞内基因调控网络与信号传导的人工设计与合成，导致了在体纳米生物技术的发展。　　

我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。

（2）生物导弹

生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼，它由单克隆抗体与药物、酶或放射性同位素配合而成。单克隆抗体而能自动导向，在生物体内与特定目标细胞或组织结合，并由其携带的药物产生治疗作用。　　单克隆抗体具有高度专一性，能够识别细胞表面抗原、各种受体、各种体液成分及细胞内和组织内的各种成分，能精确地瞄准和捕获靶细胞，特异性地与靶目标发生反应，因而有“生物导弹”之称。它正越来越广泛地在人类疑难疾病的诊断中，发挥其他常规药物无法达到的独特和卓越效能。

（3）纳米医用机器人

纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

　纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：　　

①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。　　

②在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。　　

③纳米机器人的研制。

纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

（4）在医疗工业中的应用

将纳米颗粒压成薄片制成过滤器，其过滤孔径为纳米级，在医疗工业中可用于血清消毒。纳米材料具有良好的吸附性，可用于制作生物吸附和选择分离材料。可以将中药材制成易于口服的胶囊，或制成中药膏直接贴于患处，纳米粒子经皮肤直接被吸收。在制药方面，纳米技术使其越来越精细，甚至可以再纳米尺度上直接排列原子，分子来制成具有特定功能的药品。

4，能源领域的应用

（1）解决能源问题

纳米半导体材料

在纳米半导体材料上附带贵金属、金属氧化物或在半导体表面修饰染料、导电高聚物等可使光分解水的效率大大提升，将对光化学的太阳能存储起到巨大的推动作用。

作为储氢材料

纳米碳管是非常细的中控管状纳米材料，它能吸附大量的氢气，可以制成大量的“纳米钢瓶”。

（2）在环保领域的应用

纳米TO₂

它能吸收太阳中的紫外线而产生很强的化学活性，可以光催化降解工业废水中的有机污染物，具有净度高，无二次污染、适用性广泛的特点。

污水治理

利用纳米材料TiO2表面的超亲水性与超亲由性的特点，在玻璃表面涂覆TiO2可制成自清洁外墙的玻璃，具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。

大气污染治理

纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂。在煤燃烧时加入一种纳米级助烧催化剂，不仅可以使煤燃烧的充分还可以减少产生的废气。

城市固体垃圾处理

一方面可以制成橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末，除去其中异物，成为再生原料回收；另一方面，可以使用纳米TiO2加速城市垃圾的降解，缓解城市垃圾对城市造成的压力。

5，军事领域的应用

纳米材料作为一种新兴的材料，它在以高科技为主的军事上有巨大的应用前景。

纳米碳管防弹衣、微型机器人、纳米卫星、微型飞机、间谍草、隐形材料等

,6，石化领域的应用

加入纳米材料可以使传统涂料产生更强的防护力，实现防紫外线辐射、耐大气侵害和抗降解、变色等。在催化剂中，由于纳米材料的表面活性高，可以使放映的速率大大提高。

7，纳米材料在纺织品上的应用

纳米材料在纺织上的应用方式主要可分为两大类，一是通过纤维改性功能化来实现，二是通过后整理技术对织物进行功能化整理。

（1）纤维改性功能化

这主要是利用化纤改性技术，将纳米材料作为添加剂来对纤维实现改性，制备功能化纤维/纳米材料复合纤维。如湿法纺丝中的溶液共混，就是在将高聚物经适当的溶剂溶解后，将纳米粒子加入其中，充分搅拌均匀，然后进行纺丝加工，而融纺则是将纳米微粒加入到熔融的聚合物中，制备功能化纤维，此种方法就是利用了纳米微粒的热稳定性，但要求其对于聚合物有良好的分散性及相容性。

（2）后整理法

除了直接将纳米粒子加入到纤维中去，后整理也是一类主要的纳米微粒与纺织品相结合的方法，尤其是对于天然纤维而言。这种方法主要是指涂层法和浸渍法，涂层技术是后整理中常用的一种技术，它是将纳米微粒加入到涂层剂中去，然后将其在织物表面进行精细涂层，经烘干和一些必要的处理，在织物表面形成。

8，其他方面

纳米材料在生活中，文物保护中都有应用。由于纳米材料的特异性能，使其受到广泛推崇。