纳米材料的结构与性能特性及其应用前景

纳米材料的结构与性能特性及其应用前景【摘要】文章简要地概述了纳米材料的结构和特殊性质、纳米材料的制备技术和方法以及纳米材料的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料在各个领域中的应用前景。【关键词】纳米材料；结构；效应；性能；制备；应用；前景20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructuredmaterials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起人们的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的热点]1[。1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。纳米材料（nanostructurematerials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。2、纳米材料的结构特征纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用]2[。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来]3[。界面原子密度低，界面上邻近原子配位数发生变化，界面原子间距差别大。纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单位质量材料的表面积）很大，一般在102～104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数125个，而表面上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面积在10m2/g以下，其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计]4[。3、纳米材料的基本效应纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1～102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分，一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。纳米材料由于其独特的尺寸结构，使得纳米材料有着传统材料不具备的特征，即四大效应。（1）表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地增加，说明表面原子所占的原子数将会显著地增加。通常，对直径大于100nm的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于10nm时，其表面原子数急剧增长，甚至1克纳米颗粒的表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。纳米颗粒的表面与大块物体的表面，若用高倍率电子显微镜对金属纳米颗粒(直径为2nm)进行电视摄像，实时观察，发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成多种形状(如立方八面体、十面体、二十面体多孪晶等，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子在空气中会引吸气体，并与气体进行反应。（2）小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、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，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质。一是光学性质，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。所以，所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色;二是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低。例如，金的常规熔点是1064℃，10nm的颗粒熔点降低了27℃，2nm的熔点仅为327℃;三是磁学性质，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm时，其矫顽力可以增加1000倍，当直径小于6nm时，其矫顽力反而降低为零，呈显出超顺磁性，可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等。利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸来控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，它们可用于电磁波屏蔽和隐形飞机等。（3）量子尺寸效应大块材料的能带可以看作是准连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料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。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈显出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这种现象称为量子尺寸效应。例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁距的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化。（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。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，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。上述的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应都是纳米颗粒及纳米固体的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料在熔点、蒸气压、相变温度、光学性质、化学反应性、磁性、超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。它使纳米材料呈现出许多奇异的物理、化学性质。4、纳米材料在一些领域的应用4.1纳米材料在生物医学方面的应用4.1.1用纳米材料进行细胞分离利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。4.1.2用纳米材料进行细胞内部染色比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色，从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。4.2纳米材料在医药方面的应用4.2.1纳米粒子用作药物载体一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口、上下呼吸道、肛门以及眼、耳等。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。4.2.2纳米抗菌药及创伤敷料Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。4.2.3智能—靶向药物在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功。4.3纳米材料用于介入性诊疗日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。4.4纳米材料在人体组织方面的应用纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的纳米机器人。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（疏通脑血管中的血栓，清除心脏脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内的病变等）；还可以用来进行人体器官的修复工作，比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。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，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。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。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。5、纳米材料的传统制备方法纳米材料的制备有很多方法,以物料状态来分可归纳为固相法、气相法和液相法。5.1固相法固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法通常是利用金属化合物的热分解来制备超微粒。物理粉碎法采用超细磨制备超微粒。5.2气相法气相法在纳米材料制备技术中占有重要的地位,主要包括以下几种方法:5.2.1热等离子体法该法是用等离子体将金属等粉末熔融、蒸发和冷凝以制成纳米微粒。5.2.2激光加热蒸发法其原理是以激光为快速加热源,使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能量,在瞬间完成气相反应的成核和长大。5.2.3真空蒸发一冷凝法该法的原理是在高纯惰性气氛下(rA或He),对蒸发物质进行真空加热蒸发,