納米材料科學簡介

杜亞冰，花春飛

（河南城建學院，河南 平頂山 467000）

納米（nanometer），是一種長度單位，一納米等于十億分之一米，大約是三四個原子排列起來的寬度。納米材料又稱超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子一般是指尺寸在 1～100 nm間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域。納米科學技術（nano－tecnology），是指用數千個分子或原子制造新型材料或微型器件的科學技術。它以現代科學技術為基礎，是現代科學和現代技術相結合的產物。納米科學技術將使人們邁入了一個奇妙的世界。［1］

1 納米材料的分類

納米材料按其形態，可以分為4種：

1.1 納米顆粒型材料［2］

這種材料的表面積大大增加，表面結構發生較大的變化，與表面狀態有關的吸附、催化以及擴散等物理化學性質均有明顯改變。納米顆粒型材料在催化領域有很好的前景，在火箭發射的固體燃料推進劑中添加 l%重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。

1.2 納米固體材料［3］

通常指由尺寸小于 15 nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。其主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5 nm顆粒所構成的固體每立方厘米將含1 019個晶界，原子的擴散系數要比大塊材料高1 014～1 016倍，因此使納米材料具有高韌性。

1.3 納米膜材料［4］

將顆粒嵌于薄膜中所生成的復合薄膜，通常選用兩種在高溫下互不相溶的組元制成復合靶材，在基片上生成復合膜。改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中顆粒的大小與形態，從而控制膜的特性。顆粒膜材料有很多應用，硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉變為電能；氧化錫顆粒膜可制成氣體－濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測多種氣體。

1.4 納米磁性液體材料［5］

由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構成穩定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體運動，因此具有其他液體所沒有的磁控特性，用途十分廣泛。

2 納米材料的奇異特性

當人們將宏觀物體細分成超微顆粒后，它將顯示出許多奇異的特性。

2.1 表面效應［6］

球形顆粒的表面積與直徑平方成正比，其體積與直徑立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分數將會顯著增加。直徑大于0.1 μm的顆粒，表面效應可忽略不計；當顆粒尺寸小于0.1 μm時，其表面原子百分數急劇增長，1g超微顆粒表面積的總和可高達100 m2，這時的表面效應將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，利用表面活性，金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

2.2 小尺寸效應［7］

顆粒尺寸的量變在一定條件下，將引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，其比表面積會顯著增加，從而會產生一些新奇的性質，如：

2.2.1 特殊的光學性質

當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態下都呈現為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于l%，大約幾個微米的厚度就會完全消光。利用這個特性，可以將它作為高效率的光熱、光電轉換材料，還可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。

2.2.2 特殊的熱學性質

固態物質的形態為大尺寸時，其熔點是固定的，但是超細微化后熔點會顯著降低，當顆粒小于10 nm量級時尤為顯著。例如，銀的常規熔點為670 ℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100 ℃。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。

2.2.3 特殊的磁學性質

人們發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在有超微磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 2 nm的磁性氧化物顆粒，它實質上是一個生物磁羅盤，趨磁細菌依靠它可以游向營養豐富的水底。

2.2.4 特殊的力學性質

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面，而界面原子的排列相當混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性。

此外，小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等諸多方面。

2.3 量子尺寸效應［7］

各種元素的原子具有特定的光譜線，無數原子構成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶。由于電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續的。對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸的減小而增大。當周圍環境中的熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。例如，導電金屬為超微顆粒時，可以變成絕緣體。磁矩大小和顆粒中電子數的奇、偶有關，比熱亦會反常變化，光譜線會向短波長方向移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。

2.4 宏觀量子隧道效應［8］

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。電子既有粒子性又有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如超微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。它與量子尺寸效應是未來微電子、光電子器件的基礎，確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。

本文介紹了納米材料的種類及其特性，展示了納米新材料和納米科技在能源、化工、計算機、生物醫學以及航天領域中的應用。納米技術無疑掀起了一場技術革命。著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman就曾預言：如果對物體微小規模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量異乎尋常的特性。這些神奇特性將使它在陶瓷、微電子學、生物工程、光電、化工、醫學、分子組裝、傳感器等眾多領域展現出誘人的應用前景。尤其納米材料的性質強烈地依賴著材料的尺寸、微結構乃至形狀，這就對合成技術提出了十分苛刻的要求。理想的合成方法應使產物具有很窄的尺寸分布，且不發生團聚。因此，探索如何制備出尺寸可控、分布狹窄且排列有序的納米結構材料是目前納米科學技術研究的重點和難點。

1 C. R. Martin, Nanomaterials--a membrane－based synthetic approach ［J］. Science, 1994（5193）: 1961

2 C. I. Simionescu, S. Dumitriu. Apatite: a new catalyst in synthetic organic chem istry ［J］. Chem. Technol.,1978（12）: 585

3 H. Nagayama, H. Honda, H. Kawahara. A new method of liquid－phase deposited （LPD） oxide films ［J］. J. Electrochem.Soc., 1988（8）: 2013

4 T. N. Kin, Q. L. Feng, et. al., Antim icrobial effects of metal ions（Ag+, Cu2+, Zn2+） in hydroxyapatite ［J］. Journal of Materials Science: Materials Medicine, 1998（9）: 129

5 Y. C. Zhu, M. H. Huang, C. X. Ding, et al., Investigation on structural transform of nano－titania powders during plasma spraying pocess ［J］. J. Inrog. Mater., 1998（6）: 923

6 張立德、牟季美.納米材料和納米結構［M］.科學出版社，2001：118

7 張立德、牟季美.開拓原子和物質的中間領域－納米微粒與納米固體［J］.物理，1992（3）:167