纳米材料的基本效应及应用

纳米材料的特异效应及应用摘要：介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应，这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用，叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用，并说明了它还将有更广阔的应用前景。关键词：纳米材料；基本效应；应用Nanostructuredmaterial’sspecialeffectsanditsapplicationsAbstract：Theparticularsmallsizeeffect，surfaceeffect，quantumsizeeffect,macroscopicquantumtunnelingeffectanddielectricconfinementeffectwithnanometermaterialsarepresented.Asaresultoftheseeffects，nanometermaterialspossesssomespecialpropertieswhichnormalmaterialsdonothaveasfarasmagnetics，optics，electronics，andsensitivity，ect.areconcerned.Theapplicationofnanometerinthecatalytics，sensitivity，magnetics，food,cosmeticsandbiomedicine，andsoonaresummarized.Andtheimportantroleofnanometermaterialinscienceandtechnologydevelopmentandsocialprogressisdescribed.Theapplicationprospectofnanometermaterialsisalsoillustrated.Keywords：nanometermaterials；basiceffect；application1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料，同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议，使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着纳米科技的正式诞生；1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。纳米材料是指由纳米粒子构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm，在通常情况下，应不超过l0nm。即这种材料是指其基本颗粒在l～100nm范围内的材料。纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材料所不具有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，从而使超细粉末与常规颗粒材料相比较具有一系列特异的物理、化学性质，使之作为一种新材料在国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物和医学等领域中开拓了广阔的应用前景。1纳米材料的特异效应1.1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。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域。例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；而金属超微颗粒对光的反射率通常低于1%，且尺寸越小，金属颜色越黑，利用该特性可作为高效率的光热、光电等转换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。1.2表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。或者说，表面效应是指表面原子占总原子数的百分数随粒子半径的变化而变化，造成纳米粒子性质的变化。由图1可见，随着粒子半径的减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒子粒径的减小，粒子的表面积急剧增大所造成。表面原子或分子的比例大致和a/r成正比（a为原子半径，r为粒子半径）。如图1所示，10nm的粒子表面原子占原子总数20%，2nm时占80%，1nm时占90%。由于表面原子增多，原子配位不足及高的表面能，使表面原子有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。配位越不足的原子，越不稳定，极易转移到配位数多的位置上，表面原子遇到其他原子很快结合，使其稳定化,这就是活性原因。这种表面原子的活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。例如，金属纳米粒子在空气中会燃烧；暴露的无机纳米粒子会吸附气体，并与气体进行反应。1.3量子尺寸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由准连续变为离散能级，纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低末被占分子轨道能级，以及能隙变宽等现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应导致纳米微粒的光、电、磁、力、热、声以及超导电性与宏观特性有显著的不同。例如，纳米微粒对于红外吸收表现出灵敏的量子尺寸效应；共振吸收的峰比普通材料尖锐得多；比热容与温度的关系也呈非线性关系；金属普遍是良导体，而纳米金属在低温下都是呈现电绝缘体。1.4宏观量子隧穿效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等宏观量也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。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。1.5介电限域效应随着粒径的不断减小，其比表面积不断增大，微粒的性质将受到表面状态的强烈影响。当在半导体超微粒表面上修饰某种介电常数较小的材料时，他们的光学性质与裸露的超微粒相比，发生了较大的变化，这种差别就来自介电限域效应。这种效应使屏蔽效应减弱，同时带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了粒子的结合能和振子强度。2纳米材料的应用2.1在催化领域中的应用由于纳米粒子尺寸小、表面占有的体积百分数较大、表面原子配位不全导致表面的活化中心增多，这就提供了其作为催化剂的必要条件。纳米粒子作为催化剂可大大提高反应速度和反应效率；决定反应路径，有优良的选择性；降低反应温度。纳米材料稀土氧化物/氧化锌可作为二氧化碳选择性氧化乙烷制乙烯的催化剂。它是以为载体担载稀土氧化物作为活性组分，载体ZnO是平均粒度为5-80nm的超细纳米粒子，所用稀土氧化物为镧、铈、钐等稀土元素中的一种或几种混合氧化物，含量为10%-80%。用这种纳米催化剂，乙烷和二氧化碳反应可高选择性地转化为乙烯，乙烷转化率可达60%，乙烯选择性可达90%。2.2在传感器方面的应用由于纳米材料具有大的比表面积，高的表面活性及与气体相互作用强等原因，纳米微粒对周围环境十分敏感，如光、温、气氛、湿度等，因此可用作各种传感器，如温度、气体、光、湿度等传感器。用纳米金沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器。金纳米薄膜的特点是对可见光到红外光整个范围的光吸收率很高，当薄膜厚度达500g/cm2以上时，可吸收95%的光。大量红外线被金膜吸收后转变成热，由膜与冷接点之间的温差可测出其温差势电势，据此就可制成辐射热测量仪。2.3在磁性材料中的应用磁记录是信息储存与处理的重要手段，随着信息化的高速发展，要求记录密度日益提高．磁性纳米材料因具有单磁畴结构，矫顽力很高，故用它作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量。晶粒尺寸为30-80nm的Fe、Co、Ni磁性合金可用于制造高速视频磁带复制装置用的原版磁带和计算机用磁带，其寿命约为γ-Fe203磁带的两倍。高矫顽力的强磁性纳米材料还可以制成磁性信用卡、磁性票证及磁性钥匙等。将磁性纳米微粉通过界面活性剂均匀分散于溶液中制成的磁流体，在宇航、磁制冷、显示及医药中已广泛应用。2.4在食品及化妆品中的应用将天然花粉超细粉碎后，营养物质得以释放，作为添加剂可以制成高价值保健品。被废弃的虾蟹壳、蛋壳及各类动物骨头等超细粉碎后，是良好的有机钙添加剂。在防晒护肤品中添加纳米级ZnO、TiO2有很好的护肤美容作用，其防紫外线效果优于有机防晒剂。目前日本已开发出了化妆品用紫外线屏蔽剂；用Ag等纳米粒子制成的抗菌、除臭复合剂粉，具有光谱杀菌、除臭功能，并可长时间使用。2.5在生物医学上的应用纳米微粒尺寸与生物体内细胞、红血球相近，从而为生物医学研究提供了一个新的研究途径。可将纳米机器人注入人体血管内，随血液流动可对人体各部位进行全身健康检查，例如，疏通血管中的血栓，清除动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞等。还可以和机器人进行对话，使其能按人们的意图去进行基因的装配，对人体器官进行修复。纳米Fe粒子作为显影剂可发现微小癌变，有利于癌症的早期诊断和治疗。磁性超微粒子还可用于癌细胞分离技术，如英国伦敦的儿科医院已利用磁性超微粒子分离癌细胞，成功地进行了人体骨髓液癌变细胞的分离。一些具有生物活性的纳米材料，还可用于人造骨、人造牙、人造人体器官等。除上述用途外，纳米材料在光学材料、工程材料、润滑技术、纺织领域等方面的应用也有良好的发展前景。3结语纳米材料是上世纪80年代中期发展起来的新型材料，它所具有的独特结构使它显示出独特而优异的性能。科学家预言，纳米时代的到来不会太久，它在未来的应用将远远超过计算机工业，并成为未来信息时代的核心。尽管纳米材料的研究已取得了很大的的进展，但仍有许多问题有待进一步探索和解决。如纳米材料的微观结构特征还需深入细致的研究与确证；纳米材料制备过程中的结构控制及其性能稳定方面也有许多工作要做，这些都是纳米材料实现工业化应用的基础。可以相信，纳米材料作为一门新兴的科学，必将对人类社会的发展和进步产生重大而深远的影响。参考文献:[1]孙丽丽，盖轲.纳米材料的特性及用途[期刊论文]-锦州师范学院学报（自然科学版）.2002，23（3）[2]高新，李稳宏，王锋，杨清翠.纳米材料的性能及其应用领域[期刊论文]-石化技术与应用.2002，20（3）[3]张敬畅，刘慷，曹维良.纳米粒子的特性、应用及制备方法[期刊论文]-石油化工高等学校学报.2001，14（3）[4]王天赤，路嫔，车丕智，辛显双，周百斌.纳米材料的特性及其在催化领域的应用[期刊论文]-哈尔滨商业大学学报（自然科学版）.2003，19（4）[5]冯异，赵军武，齐晓霞，高芬.纳米材料及其应用研究进展-[期刊论文]-工具技术.2006，40（10）[6]高春华.纳米材料的基本效应及其应用[期刊论文]-江苏理工大学学报（自然科学版）.2001，22（6）[7]陈月辉，赵光贤.纳米材料的特性和制备方法及应用[期刊论文]-橡胶工业.2004，51（3）[8]程晨.纳米材料的特异效应及应用[期刊论文]-安徽建筑工业学院学报（自然科学版）.2005,13（4）