现代科学技术讲座 纳米技术 纳米科学技术 纳 米 科 学 技 术 ( Nano Science and Technology， 简 称 NanoST)， 是 指 在 l~1OOnm尺度上研究和应用原子、分子现 象，并由此发展起来的一个新的综合性的多 学科交叉研究应用的科学技术。 1nm 10 9 m 国际纳米科技会议将NanoST分为6个主要 部分，即纳米电子学、纳米材料学、纳米物理 和纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米 测量学等。本节仅仅介绍几个NanoST的主要 组成部分。 1、纳米材料的特性 2、纳米材料的制备 3、纳米材料的应用 微颗粒材料是指颗粒的尺度介于分子、原 子与块状材料之间，通常泛指为1-1000nm范围 内的微小固体粉末。粉末包括金属、非金属、 有机物、无机物和生物等不同种类，构成了多 种超微颗粒材料。 在原子、分子和宏观物体之间的中间 域是人们尚未充分认识和开拓的介观领域 纳米体系的范围通常定义为1-l00nm。 纳米颗粒就是这个体系的典型代表，它当 然也居于超微颗粒范围 C60是由60个碳原子组成封闭的足球形 (见图1)，直径为0.7nm，构成一个32面体， 其中有20个六边形和12个五边形。它被称 为"巴基球"。巴基球的结构与常规的碳 的两种同素异构体石墨层状结构和金刚石 结构完全不同，物理性质也很奇特，因此 被称为"第三代碳晶体"。进一步研究发 现，当碳原子的团簇包含的原子数为20、 24、28、32、36、50、60和70等偶数时， 具有高度的稳定性。 图1
Download ReportTranscript 现代科学技术讲座 纳米技术 纳米科学技术 纳 米 科 学 技 术 ( Nano Science and Technology， 简 称 NanoST)， 是 指 在 l~1OOnm尺度上研究和应用原子、分子现 象，并由此发展起来的一个新的综合性的多 学科交叉研究应用的科学技术。 1nm 10 9 m 国际纳米科技会议将NanoST分为6个主要 部分，即纳米电子学、纳米材料学、纳米物理 和纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米 测量学等。本节仅仅介绍几个NanoST的主要 组成部分。 1、纳米材料的特性 2、纳米材料的制备 3、纳米材料的应用 微颗粒材料是指颗粒的尺度介于分子、原 子与块状材料之间，通常泛指为1-1000nm范围 内的微小固体粉末。粉末包括金属、非金属、 有机物、无机物和生物等不同种类，构成了多 种超微颗粒材料。 在原子、分子和宏观物体之间的中间 域是人们尚未充分认识和开拓的介观领域 纳米体系的范围通常定义为1-l00nm。 纳米颗粒就是这个体系的典型代表，它当 然也居于超微颗粒范围 C60是由60个碳原子组成封闭的足球形 (见图1)，直径为0.7nm，构成一个32面体， 其中有20个六边形和12个五边形。它被称 为"巴基球"。巴基球的结构与常规的碳 的两种同素异构体石墨层状结构和金刚石 结构完全不同，物理性质也很奇特，因此 被称为"第三代碳晶体"。进一步研究发 现，当碳原子的团簇包含的原子数为20、 24、28、32、36、50、60和70等偶数时， 具有高度的稳定性。 图1
现代科学技术讲座 纳米技术 纳米科学技术 纳 米 科 学 技 术 ( Nano Science and Technology， 简 称 NanoST)， 是 指 在 l~1OOnm尺度上研究和应用原子、分子现 象，并由此发展起来的一个新的综合性的多 学科交叉研究应用的科学技术。 1nm 10 9 m 国际纳米科技会议将NanoST分为6个主要 部分，即纳米电子学、纳米材料学、纳米物理 和纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米 测量学等。本节仅仅介绍几个NanoST的主要 组成部分。 1、纳米材料的特性 2、纳米材料的制备 3、纳米材料的应用 微颗粒材料是指颗粒的尺度介于分子、原 子与块状材料之间，通常泛指为1-1000nm范围 内的微小固体粉末。粉末包括金属、非金属、 有机物、无机物和生物等不同种类，构成了多 种超微颗粒材料。 在原子、分子和宏观物体之间的中间 域是人们尚未充分认识和开拓的介观领域 纳米体系的范围通常定义为1-l00nm。 纳米颗粒就是这个体系的典型代表，它当 然也居于超微颗粒范围 C60是由60个碳原子组成封闭的足球形 (见图1)，直径为0.7nm，构成一个32面体， 其中有20个六边形和12个五边形。它被称 为"巴基球"。巴基球的结构与常规的碳 的两种同素异构体石墨层状结构和金刚石 结构完全不同，物理性质也很奇特，因此 被称为"第三代碳晶体"。进一步研究发 现，当碳原子的团簇包含的原子数为20、 24、28、32、36、50、60和70等偶数时， 具有高度的稳定性。 图1 巴基球的结构 二、纳米颗粒材料 纳米颗粒有非晶态和亚稳态存在。纳米颗 粒只包含有限数目的晶胞，它的电子能级结构 与大块固体不同。纳米颗粒的表面层结构也不 同于内部的完整结构。总体来说，纳米颗粒主 要具有以下四方面的效应，并由此产生出宏观 固体不具备的许多特殊性质。 1、 纳米颗粒的四种效应 (1)小尺寸效应。当超微颗粒的尺度与光波波长、德布 罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特 征尺度相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏， 从而引起其宏观物理性质的改变，这被称为"小尺寸 效应"。这时，材料的声、光、电磁、热力学等特性 均会呈现新的尺寸效应。 (2)表面和界面效应。纳米颗粒尺寸小，表面大，位于 表面的原子占相当大的比例。由于颗粒可以近似看作 球，它的表面积与直径的平方成正比，体积与直径的 立方成正比，故其"比表面"(表面积/体积)与直径成反 比。随着粒径减小，比表面显著增加，当粒子直径小 到2nm时，比表面就猛增到80%。纳米颗粒的表面跟 大块固体的表面不同，它没有固定的形态，。它既不 同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。 (3)量子尺寸效应。纳米材料中电子的能级或能带 与组成材料的颗粒大小有密切的关系，这就是"量 子尺寸效应"。对超微颗粒的量子尺寸效应早在 1963年就由日本科学家久保给出了如下的定义:当 颗粒尺寸下降到最低值时，费米能级附近的准连续 能级变为离散能级。颗粒直径对能级间距δ的影响 通过N反映在著名的久保公式中: E1 N 3 F (1) 式中EF为费米能级，N为总电子数。 当颗粒直径减小而使能级间距大于热能、磁能、 静磁能、静电能、光子能量或超导的凝聚态能时， 就出现量子尺寸效应，使纳米体系具有不同于宏观 物体的奇特性质。 (4)宏观量子隧道效应 近几年来，人们发现一些宏观量如微粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量亦具有隧道效应，称为宏观 量子隧道效应。人们发现Fe一Ni薄膜中畴壁运动速度 在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是有人 提出量子力学的零点振动可以在低温起着类似热起伏 的效应，从而使零温度附近微粒磁化矢量的重取向， 保持有限的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的 磁化反转率。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。效应将会是未来微电子器件 的基础，当微电子器件进一步细微化为纳米器件时必 须考虑上述宏观量子效应。 2、 纳米颗粒的奇异特性及其应用 (1)力学特性。普通的陶瓷材料呈脆性，然而 用纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良 好的韧性。 例如，把纳米Al2O3颗粒加入粗晶粉体中可 提高氧化铝坩埚的致密性和耐冷热疲劳性能;又 如把纳米氧化铝和氧化锆进行混合，在实验室中 已获得高韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低 l00Cº;再如把纳米氧化铝粉末添加到常规85瓷、 95瓷中，材料的强度和韧性均提高50%以上。 (2)热学特性。纳米颗粒粒径小，表面原子数多，这 些表面原子近邻配位不全，活性大，而体积又远小 于大块材料，因此纳米颗粒熔化时所增加的内能就 小得多，使纳米颗粒的熔点急剧下降，这当颗粒小 于纳米量级时尤为显著。 熔点的下降也有利于粉末冶金，如在钨颗粒 中加入0.1%-0.5%重量比的纳米镍颗粒，可使钨 的烧结温度从3000oC下降到1200oC。 (3)电学特性。同一种材料，当颗粒达到纳米级时， 它的电阻、电阻温度系数都会发生变化。如银是良 导体，但是10-15nm大小的银颗粒的电阻会突然升 高，失去金属的特征;对于典型的绝缘体氮化硅、 二氧化硅等，当其颗粒尺寸小到15-20nm时，电阻 却大大下降，使它们具有导电性能。 (4)光学特性。大块金属由于对可见光范围内的各种 色光的反射和吸收能力不同，因而具有不同的色泽。 而纳米金属几乎都呈黑色，这是因为它们对可见光 的反射率极低而呈现强吸收性。如铂纳米颗粒的反 射率为1%，金纳米颗粒的反射率小于10%。 (5)磁学特性。纳米颗粒的奇异磁学特性主要有巨磁 电阻特性、超顺磁性以及高的矫顽力。一般磁性金 属和合金都有磁电阻现象，即在一定的磁场作用下 电阻会发生改变。纳米颗粒的电阻在磁场作用下也 会急剧减小，其减小的幅度为常规材料的十多倍， 故称为"巨磁电阻特性"。 (6)结构特性。大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也 有呈非晶态或亚稳状态。纳米微粒的结构和形状是 多种多样的。纳米颗粒除了球形外还有链条状、六 角条状等。纳米颗粒只包含有限的晶胞，不再具有 周期性条件，由于大的比表面，大的表面能和大的 表面张力，使纳米颗粒的结构常常发生很大畸变， 使它的对称性与晶格常数等与常规材料有很大差别。 而且制备方法不同，它的结构也不同。 (7)化学特性。纳米材料的一个重要特性是表面效应。 随着粒径减小，比表面大大增加，使键态严重失配， 出现许多活动中心，表面台阶和粗糙度增加，表面 出现非化学平衡、非整数配位的化学价，这些就是 纳米体系不同于常规化学平衡体系的化学特性。 三、纳米材料的制备方法 纳米固体材料是由颗粒尺寸为1-l00nm的粒子凝聚 而成的。它包括由纳米颗粒在三维空间堆积成的纳 米块体，在二维空间排列成的纳米薄膜，以纳米颗 粒为单元沿着一维方向排列成的纳米丝和纳米管。 1、 纳米颗粒的制备方法 我国古代就已有人用光 滑的陶瓷在燃烧的蜡烛火焰上方收集烟雾，经冷凝 后变成很细的碳粉。这种超细碳粉实际上就是纳米 碳小颗粒，由它制成的墨具有良好性能。现在由于 科技的高度发展，人工制备纳米材料的方法也己显 著改进，大致可以分为气相法和液相法两大类。 气相法主要用蒸发、熔融、溅射等方法在低压 的惰性气体或真空中加热材料后，使其蒸发形成1l00nm的纳米微粒。比较典型的有气体冷凝法，其 原理见图2整个制备过程是在超高真空室内进行的。 液相法制备纳米颗粒有沉淀法、喷雾法、高温 水解法等等。这些制备方法都伴随着化学反应。如 沉淀法采用包含一种或多种离子(待制备的微粒)的 可溶性盐溶液，当加大沉淀剂(如OH-、C2O42-、 CO32-等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形 成不溶性的氢氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶 液中原有的阴离子洗去，经热分解即得所需的氧化 物 粉 末 。 又 如 高 温 水 解 法 制 备 ZnO2 粉 末 是 用 ZrSiO4和NaOH在高温高压下进行分解制得的。制 得的最小颗粒已达到几纳米的水平。 2、 纳米块体的制备方法 对纳米金属或合金块体 的制备比较成功的有惰性气体蒸发后原位加压法。 其步骤是先制备纳米颗粒，后收集颗粒再压制成块 体。为了防止氧化，上述步骤一般都在真空(小于 10-6Pa)中进行，这给制备带来了很大的困难。但用 此法已可制成Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶体金属块 体和Si25Pd75、Pd70Fe5Si25、Si75Al25等纳米金属玻 璃，且制备的块体内纳米颗粒具有清洁的表面，很 少有团聚体或粗团聚体，块体纯度高，相对密度高 于90%，最高可达97%。近年来还有人采用直接淬 火法来制备纳米合金大块材料。 3、 纳米薄膜的制备 纳米薄膜有两类:一类是由纳 米颗粒在二维空间堆砌而成;另一类是纳米颗粒镶 嵌在另一种基体材料中的颗粒膜。第一类纳米薄 膜的制备与一般薄膜相类似，有气相法和液相法。 它的基本原理是用蒸或溅射等方法把在胶液、电 解液反应中获得的纳米颗粒淀积在基片上。 第二类颗粒膜是把纳米级的小颗粒镶在薄膜 基体中的复合体系。通常采用共蒸发、共溅射的 方法制得这一类颗粒膜。它们的组分可以有金属、 半导体、绝缘体和超导体。由它们的组合可以衍 生出众多类型的颗粒膜，尤金属-绝缘体型、金属 -金属型及半导体-绝缘体型最引人注目。 4、 纳米管的制备 一维纳米材料是指直径为纳米 量级，长度达微米甚至更长的线状材料，又可称为 "量子线"。它具有许多独特的电学、光学、磁学和 力学性质，在新一代的量子器件、超高密度信息存 储以及作为纳米复合材料等领域中有着广阔的应用 前景。典型的纳米管是碳纳米管，其他的一维纳米 材料都是以碳纳米管为框架制备的。 典型的制备纳米丝和纳米棒的方法之一是将碳 纳米管在空气中加热到700C，使其顶部封口由于氧 化而被破坏，从而形成开口的管子，将低熔点金属 (如Pd )用电子束蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上， 由于虹吸作用，金属熔体进人中空的芯部，从而形 成纳米丝。 四、纳米复合材料 纳米复合材料的分类 纳米复合材料可以包括 三种类型;一种是0-0复合，即不同成分、不同相或 不同种类的纳米颗粒复合而成的固体。这种复合体 的纳米颗粒可以是金属与金属、金属与陶瓷、金属 和高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷和高分子等构成的纳 米复合体。 第二种是0-3复合，即把纳米颗粒分散到常规 的三维固体中。例如，把金属纳米粒子弥散到另 一种金属或合金中，也可加入常规的陶瓷材料或 高分子材料中，或将陶瓷纳米颗粒加入常规的金 属、高分子材料及陶瓷中。 第三种是0-2复合，即把纳米颗粒分散到二维的薄 膜材料中。 纳米复合材料广阔的应用前景 隐身材料与 "生物导弹"纳米复合材料利用纳米颗粒的特性， 可以把不同质、不同相、不同有序度的材料进行 合成、组合和剪裁，这是人类按照自己的意愿探 索、设计和制造新型材料的一个重要途径。 1、纳米机器人 2、太空升降机 3、储氢燃料电池 4、纳米电子枪和探头 5、电子隧道 6、纳米隐身术 7、纳米卫星与微型飞船 8、原子精密度计算机 9、纳米多功能抗菌塑料