1、1纳米材料的特性及其在各领域中的应用摘 要： 纳米材料是 21 世纪最有前途的新型材料之一，具有很多独特而优异的性质，在很多领域得到了广泛应用。本文阐述了纳米材料的基本特性，包括表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应等，介绍了纳米材料在各个领域中的应用，并对其未来发展趋势进行了分析。 关键词： 纳米材料 特性 应用 纳米科技是 21 世纪快速发展的主流科技之一，交叉性、综合性很强，在国民经济和科学技术等方面有着广阔的应用前景。纳米材料是纳米科技发展的基础，被称为“二十一世纪新材料” ，在很多领域都有广泛的应用价值，成为人们目前研究的重点领域之一。纳米材料基本组成单元的尺寸在 11
2、00 纳米范围内，而且基本单元至少有一维处于纳米尺度范围，同时具有常规材料不具备的优异性能1。纳米材料特殊的力学、光学、电学、磁学、热学等特性，已经在当前高速发展的各个科技领域中得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会影响。本文阐述了纳米材料的基本特性，介绍了纳米材料在各个领域中的应用，并展望了其未来发展趋势。 一、纳米材料的特性 1.表面效应 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减小2而急剧增大的现象23。由于表面原子数增多，表面能高，原子配位数不全，存在严重的缺位状态，很不稳定，活性极高，极易与其他原子结合，从而产生一些新颖的效应。如利用这一特性，金属超微颗粒可以作为新
3、一代具有高催化活性和产物选择性的催化剂。 2.量子尺寸效应 当粒子的尺寸小到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象就是量子尺寸效应45。相邻电子能级 EF 为费米能级。对于大粒子或宏观物体包含无限个原子，即宏观物体的能级间距几乎为零，即能级是连续的；而对于纳米粒子而言，其包含的原子数十分有限，N 值很小，于是 就有一定的数值，即能级是分裂的，呈现为离散能级。因此，当能级间距大于热能、磁能、光子的能量等时，就要考虑量子尺寸效应，导致纳米粒子与宏观物体的特性显著不同。如在超细颗粒态下的金属导体可以成为绝缘体，谱线发生蓝移。 3.小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与光波波长、传导电子
4、的德布罗意波长及超导态的相干长度或磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性出现特殊变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应6。如在纳米尺寸下，材料熔点降低、微波吸收增强等。 4.宏观量子隧道效应 纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，也就是说微观粒子具有贯穿势垒的能力称为纳米3粒子的宏观量子隧道效应7。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件发展的基础。 二、纳米材料的应用领域 纳米材料的基本特性使其在力、光、电、磁、热等方面呈现出常规材料不具备的一系列新颖
5、的物理和化学特性。因此纳米材料在催化、陶瓷、化工、环境、生物和医学、军事等各个领域具有非常重大的应用价值。 1.在催化领域中的应用 纳米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作为催化剂对催化反应如氧化、还原、裂解等反应都有很高的活性和选择性，能加快反应速率，使难以进行的反应顺利进行。例如，使用纳米 Ni 粉催化火箭燃料，可以提高燃烧效率达 100 倍以上。 2.在环保领域中的应用 随着工业的发展和人口的快速增长，环境污染也越来越严重，而纳米光催化技术在环境保护中的应用研究日益受到重视，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，固氮反应，水净化处理，等等。纳米光催化剂光催化作用机理一般是在一定波长的光波照
6、射下，产生光生电子空穴对，这些电子和空穴能使空气中的氧或水中的溶解氧活化，产生活性氧及自由基等高活性基团，反应关系式如下： 3.在生物医学领域中的应用 纳米材料在生物医学中检测诊断、靶向药物输送、生物分子检测、磁共振成像增强及健康预防等许多方面都有广阔的应用前景。如利用具4有独特孔状结构特性的碳纳米管能够实现药物可控释放；以光感应器做开关的纳米机器人，可以疏通脑血管中的血栓，杀死癌细胞等。在医学领域中，纳米材料最成功的应用是作为药物载体（如纳米胶囊） 、生物芯片、纳米生物探针和制作人体材料，如人工肾脏、人工关节等。 4.在军事领域中的应用 纳米技术和其他所有技术一样，将在未来战争中发挥着不可估
7、量的作用。例如：纳米机器人、纳米飞机、蚊子导弹等许多无人化设备将在侦察预警、指挥控制和精确打击等方面发挥着越来越重要的作用；纳米卫星组成的卫星监视网，可以实时观察到地球上的每一个角落，使战争变得更加透明；纳米隐身技术可以最大限度地隐藏自己，同时千方百计地寻找和发现敌人，起到武器装备隐身的目的，如用做隐形飞机涂料的纳米 ZnO 对雷达电磁波具有很强的吸收能力。 5.在精细化工领域中的应用 纳米材料在精细化工，如橡胶、塑料、涂料等领域也扮演着重要角色。例如，掺杂纳米 SiO2 可以提高橡胶的抗紫外辐射能力。而为了提高塑料的强度、韧性、致密性、防水性等，生产时通常在塑料中添加一定的纳米材料。 6.在
8、陶瓷工业领域中的应用 陶瓷材料在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，而纳米陶瓷可以克服传统陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性，并在超高温、强腐蚀等苛刻的条件下起到其他材料不可替代的作用，应用较为广泛。 57.在其他领域中的应用 除了在上述领域中的应用外，纳米材料在诸如电子计算机和电子工业、航空航天、机械工业、纺织工业、化妆品工业等其他领域也有着广泛应用。 三、展望 “谁输掉了纳米，谁就输掉了未来” ，这已经成为世界各国的共识。正如钱学森院士所预言的那样：“纳米科技将是 21 世纪的又一次产业革命” ，由此可见纳米科技的重要性。纳米材
9、料是整个纳米科技的基础，在各个领域得到了广泛应用。但从纳米材料的基础研究和实际应用来看，目前其研究还面临很多问题和严峻挑战。如合成方法复杂、单分散的纳米粒子或纳米线的可控制备、生长机制还不完全清楚、缺乏系统的性能研究，等等。但我们有理由相信，随着科学技术的不断进步，制备和改性技术的不断完善，纳米材料在未来将会在更多领域中得到更加广泛的应用。 参考文献： 1张立德，李爱莉，端夫编著.奇妙的纳米世界（第 1 版）M.北京：化学工业出版社，2004. 2王大志.纳米材料结构特征J.功能材料，1993，24（4）：303-306. 3张立德，牟季美编著.纳米材料学M.沈阳：辽宁科学技术出版社，1994
10、. 4Kubo R.Electronic properties of metallic fine 6particlesJ.Phys.Soc.of Jap.，1962，17（6）：975-986. 5Li JB，Wang LW.Comparison between quantum confinement effects of quantum wires and dotsJ.Chem.Matter.，2004，16（21）：4012-4015. 6张立德，牟季美编著.纳米材料和纳米结构（第 1 版） M.北京：科学出版社，2001. 7王占国.纳米半导体材料及其纳米器件研究进展J.半导体技术，2001，26（5）：17-19. 基金项目：周口师范学院大学生科研创新基金项目（ZKNUDXS2014-052） ；周口师范学院实验室开放项目（K201433） 。
