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纳米科学与技术摘要纳米技术是当今世界最有前途也是世界上最热的的决定性技术。本文简要地概述纳米尺度的四种效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，它们使得纳米微粒在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。科学家们利用纳米技术制作纳米材料，并将纳米材料按照材料的四种形态分为纳米颗粒型材料、纳米固体材料、纳米膜材料和纳米磁性液体材料。现今纳米科学技术蓬勃发展，在世界上取得众多的举世瞩目的科技成果。本文还将就纳米科技在力学、磁学、电学、光学、催化、敏感性能以及生物医学方面的应用进行论述，并针对“纳米尺度的四种效应”、“几种典型的纳米材料”和“纳米科技的应用”的心得体会进行简要的介绍。关键词：纳米尺度的效应、纳米材料、纳米科技的应用心得体会1纳米尺度的四种效应当颗粒的尺寸大小缩小到1~100nm的时候，我们把这种微粒叫做纳米粒子，也叫做超微颗粒，而此时的纳米微粒具有四种比较特殊的效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。1.1小尺度效应当超细微粒的尺寸与光波波长、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特征尺寸相当或更小时，其内部晶体周期性边界条件将被破坏的现象叫做小尺寸效应。关于小尺度效应的一个有趣的现象是金银铁等金属以及金属以外的材料被制成超细粉末时它们的颜色一律都是黑色的。这个现象是1984年德国物理学家格莱特研究超细粉末时发现的。这是因为当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（1×10-7m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。1.2表面效应表面效应是指纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。实验证明，当纳米粒子的粒径接近于0时表面原子相对于全部原子数的比例将接近于100%。之后随着纳米粒子的粒径的逐渐增大，表面原子数占全部原子数的比例也逐渐减小（见图1）。这也就是说，纳米粒子的粒径越小，它的表面效应就越显著。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应等。1.3量子尺度效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级出现准连续变为离散能级（能带理论）的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道（价带）和最低未被占据的分子轨道能级（导带），能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。当物质为固体时，它由无数的原子构成，每个单独原子的能级就合并成能带由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，看作是连续的。但是对于介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大（见图2），这可以解释固体的时候可以导电而变成纳米粒子的时候却成了绝缘体的现象和解释大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。1.4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。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。磁通量、磁场强度等都具有宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。因为在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。2几种典型的纳米材料纳米材料的分类有很多种方法，下面我们就主要按照形态的分类方法介绍纳米材料。2.1纳米颗粒型材料应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料。纳米颗粒型材料主要用于催化作用和储存器件等方面。超微颗粒催化剂，利用高表面积比与活性可以显著地提高催化效率，例如超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水。录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。目前用金属磁粉（20纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘其记录密度可达每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。2.2纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。由于纳米固体材料具有巨大的颗粒间界面，从而使得纳米材料具有高韧性。这可用于增加陶瓷的韧性，使纳米陶瓷具有高硬度、耐磨、抗腐蚀、高韧性的特点。一些复合纳米固体材料被运用到航天领域。含有20％超微钴颗粒的金属陶瓷是一种耐高温材料，被用于制作火箭喷气口。纳米陶瓷和金属的复合体可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。2.3纳米膜材料纳米膜材料中比较重要的一种是颗粒膜材料。它是指颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜，可以通过改变组份的比例方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态，从而控制膜的特性。颗粒膜材料有诸多应用:作为光的传感器，金颗粒膜从可见光到红外光的范围内，光的吸收效率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件。三氧化二铬颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，可以有效地将太阳光转变为热能；硅、磷、硼颗粒膜可以有效地将太阳能转变为电能。2.4纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。由于纳米磁性液体材料可以在外磁场作用下整体地运动，所以它具有非常大的特殊的用途：(1)旋转轴动态密封。用环状的静磁场将磁性液体约束于被密封的转动部分，形成液体的O环，可以进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封，目前已广泛用于机械、电子、仪器、宇航、化工、船舶等领域。(2)提高扬声器输出功率。为了增进扬声器中音圈的散热，可在音圈部分填充磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5～6倍，从而使得在相同结构的情况下，使扬声器的输出功率增加1倍。(3)各种阻尼器件。在步进电机中滴加磁性液体，就可阻尼步进电机的余振，使步进电机平滑地转动。用磁性液体所构成的减震器可以消除极低频率的振动。(4)分离不同比重的非磁性金属与矿物。物体在磁性液体中的浮力是随着磁性液体的磁化状态而改变的，因此可采用一梯度磁场，控制磁场的强弱就可以分离不同比重的非磁性金属与矿物。3纳米科技应用随着纳米科技的研究及迅速发展，纳米科技在力学、磁学、电学、光学、催化、敏感性能以及生物医学方面的应用也越来越广泛。3.1纳米粒子力学性能的应用谈及纳米粒子力学性动能的应用就不得不提及陶瓷了。传统陶瓷具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点，但是同时质地较脆、均匀性差、可靠性低、韧性、强度较差的特性限制了其广泛的应用。科学家们应用纳米科技研发成功的纳米陶瓷（显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料）提高陶瓷材料的机械强度与超塑性，因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。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（见图3）。一些展销会上的所谓“摔不碎的陶瓷碗”料制作的。3.2纳米粒子磁学性能的应用纳米颗粒材料具有尺寸小、高的矫顽力、巨磁电阻等性能，因此用于制备磁记录器件和磁存储元件等可以提高信噪比，改善图像质量。量子磁盘是磁纳米发展的新方向－量子磁盘就是利用磁纳米材料的储存特性提高其储存密度。IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘(见图4)是现在硬盘存储容量的100倍。IBM发明的新材料的表面磁化颗粒更小，且排列均匀。较小的尺寸和均匀的结构两者有机地结合在一起就能进一步提高磁性存储介质上的数据密度。3.3纳米粒子电学性能的应用纳米颗粒可以来制做导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压敏和非线形电阻。其中我们比较常见的纳米粒子电学方面的应用就是纳米静电屏蔽材料，由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成涂料制作而成。由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用，可以运用与包装的生产过程中的静电的消除，提高印刷的质量与速度、制作防静电涂料用于显示器玻璃等材质的防灰尘（见图5）。3.4纳米粒子光学性能的应用纳米颗粒可表现出与大块物体不同的光学特性，例如宽频带强吸收、蓝移现象及新的发光现象，主要用于军用飞机的隐身材料和化妆品的防紫外线。军用隐身材料：由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。1991年伊拉克战争中现已退役的美军F117隐型轰炸机（见图6）和美国B2隐型轰炸机（见图7）表面就涂有这类型隐形材料。防紫外线的化妆品：将纳米TiO2粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线，避免人体皮肤被紫外线过度灼伤。3.5纳米粒子催化性能的应用纳米粒子表面原子所占体积百分数大，表面键态和电子态与颗粒内部不同，原子配位不全等导致表面的活性点增加等特性使得它具备了作为催化剂的基本条件，并在化学工业等方面一展拳脚。例如，镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温，这能够极大地降低反应对设备的耐高温的要求，以及能够节省大量的燃料和耐高温设备的投资，还能避免污染环境。3.6纳米粒子敏感性能的应用气敏电阻传感器是纳米粒子在敏感性能方面的重要应用，它是一种将检测到的气体的成分和浓度转换成电信号的传感器。目前用纳米SnO2颗粒膜制成的传感器已经实用化，可用作气体泄漏报警器和湿度传感器，并且可以随着温度的变化有选择地检测多种气体。而TiO2陶瓷材料对O2、CO、H2等气体也有较强的敏感性。它们是利用气体的吸附而使电阻的电导率发生变化的这一机理；来进行检测的，具有敏感度高、体积小、低能耗等优点。3.7纳米粒子生物医学的应用纳米粒子在生物学的应用很多，比较重要的是靶向药物、细胞分离和免疫分析两种。美国F117隐形轰炸机美国B2隐形轰炸机纳米颗粒制成的的靶向药物，用生物高分子如蛋白质等和无极纳米粒子、药物结合制成载药分子，在外加磁场作用下，通过磁纳米颗粒的磁性导向性使药物准确作用于病变部位(见图8)，增强对病变组织的靶向行，降低对正常组织细胞的伤害。细胞分离和免疫分析过程中，将磁性纳米颗粒和具有生物活性的专一性抗体结合并外加磁场的作用，利用抗原抗体的特异性结合，就可以得到免疫磁性颗粒，利用它们可快速有效的将细胞分离或进行免疫分析（见图9），具有特异性高、分离快、重现性好等特点。4心得体会4.1纳米尺度的四种效应的体会小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应是纳米尺度下特有的四种效应，这使得纳米粒子表现出与宏观物体与微观物体不一样的特有性质。物质的性质决定它的功能和用途，这四种特有的效应也决定了纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。现今各国大量的拨款用于纳米粒子的有关研究上面，也正是看中了纳米粒子的与众不同。这四种效应颠覆了人们对世界物质的传统看法，使得人们要开始重新审视和认识这个物质的世界，同时随着对这四种效应的研究的深入，人们揭开了这个的纳米尺度下的神秘世界。4.2几种典型纳米材料的体会通过按照纳米材料的四种形态分为纳米颗粒型材料、纳米固体材料、纳米膜材料和纳米磁性液体材料，我们可以了解到这四种类型的纳米材料强大的用途。纳米颗粒型材料主要用于催化作用和储存器件等方面；纳米固体材料可以用于航天工业，纳米膜材料可以用于光传感器和太阳能开发方面；而纳米磁性液体材料在旋转轴动态密封、提高扬声器输出功率、阻尼器件、分离不同比重的非磁性金属与矿物等方面可以大展身手。纳米材料从颗粒到固体、从固态到液态，都有它的身影，它无处不在，以不同的形态存在有不同的功能和作用。4.3纳米科技应用的体会现今纳米科技应用在力学、磁学、电学、光学、催化、敏感性能以及生物医学方面的发展速度比以往