納米材料的特性及其在各領域中的應用

楊志廣 趙朗 馮麗

摘 要： 納米材料是21世紀最有前途的新型材料之一，具有很多獨特而優異的性質，在很多領域得到了廣泛應用。本文闡述了納米材料的基本特性，包括表面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，介紹了納米材料在各個領域中的應用，并對其未來發展趨勢進行了分析。

關鍵詞： 納米材料 特性 應用

納米科技是21世紀快速發展的主流科技之一，交叉性、綜合性很強，在國民經濟和科學技術等方面有著廣闊的應用前景。納米材料是納米科技發展的基礎，被稱為“二十一世紀新材料”，在很多領域都有廣泛的應用價值，成為人們目前研究的重點領域之一。納米材料基本組成單元的尺寸在1～100納米范圍內，而且基本單元至少有一維處于納米尺度范圍，同時具有常規材料不具備的優異性能[1]。納米材料特殊的力學、光學、電學、磁學、熱學等特性，已經在當前高速發展的各個科技領域中得到了廣泛應用，產生了巨大的經濟效益和社會影響。本文闡述了納米材料的基本特性，介紹了納米材料在各個領域中的應用，并展望了其未來發展趨勢。

一、納米材料的特性

1.表面效應

表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的減小而急劇增大的現象[2][3]。由于表面原子數增多，表面能高，原子配位數不全，存在嚴重的缺位狀態，很不穩定，活性極高，極易與其他原子結合，從而產生一些新穎的效應。如利用這一特性，金屬超微顆粒可以作為新一代具有高催化活性和產物選擇性的催化劑。

2.量子尺寸效應

當粒子的尺寸小到某一數值時，費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象就是量子尺寸效應[4][5]。相鄰電子能級EF為費米能級。對于大粒子或宏觀物體包含無限個原子，即宏觀物體的能級間距幾乎為零，即能級是連續的；而對于納米粒子而言，其包含的原子數十分有限，N值很小，于是δ就有一定的數值，即能級是分裂的，呈現為離散能級。因此，當能級間距大于熱能、磁能、光子的能量等時，就要考慮量子尺寸效應，導致納米粒子與宏觀物體的特性顯著不同。如在超細顆粒態下的金屬導體可以成為絕緣體，譜線發生藍移。

3.小尺寸效應

當納米粒子的尺寸與光波波長、傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度或磁場穿透深度相當或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態納米粒子表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性出現特殊變化，這就是納米粒子的小尺寸效應[6]。如在納米尺寸下，材料熔點降低、微波吸收增強等。

4.宏觀量子隧道效應

納米粒子的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，也就是說微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應[7]。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件發展的基礎。

二、納米材料的應用領域

納米材料的基本特性使其在力、光、電、磁、熱等方面呈現出常規材料不具備的一系列新穎的物理和化學特性。因此納米材料在催化、陶瓷、化工、環境、生物和醫學、軍事等各個領域具有非常重大的應用價值。

1.在催化領域中的應用

納米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作為催化劑對催化反應如氧化、還原、裂解等反應都有很高的活性和選擇性，能加快反應速率，使難以進行的反應順利進行。例如，使用納米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃燒效率達100倍以上。

2.在環保領域中的應用

隨著工業的發展和人口的快速增長，環境污染也越來越嚴重，而納米光催化技術在環境保護中的應用研究日益受到重視，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，固氮反應，水凈化處理，等等。納米光催化劑光催化作用機理一般是在一定波長的光波照射下，產生光生電子—空穴對，這些電子和空穴能使空氣中的氧或水中的溶解氧活化，產生活性氧及自由基等高活性基團，反應關系式如下：

3.在生物醫學領域中的應用

納米材料在生物醫學中檢測診斷、靶向藥物輸送、生物分子檢測、磁共振成像增強及健康預防等許多方面都有廣闊的應用前景。如利用具有獨特孔狀結構特性的碳納米管能夠實現藥物可控釋放；以光感應器做開關的納米機器人，可以疏通腦血管中的血栓，殺死癌細胞等。在醫學領域中，納米材料最成功的應用是作為藥物載體（如納米膠囊）、生物芯片、納米生物探針和制作人體材料，如人工腎臟、人工關節等。

4.在軍事領域中的應用

納米技術和其他所有技術一樣，將在未來戰爭中發揮著不可估量的作用。例如：納米機器人、納米飛機、蚊子導彈等許多無人化設備將在偵察預警、指揮控制和精確打擊等方面發揮著越來越重要的作用；納米衛星組成的衛星監視網，可以實時觀察到地球上的每一個角落，使戰爭變得更加透明；納米隱身技術可以最大限度地隱藏自己，同時千方百計地尋找和發現敵人，起到武器裝備隱身的目的，如用做隱形飛機涂料的納米ZnO對雷達電磁波具有很強的吸收能力。

5.在精細化工領域中的應用

納米材料在精細化工，如橡膠、塑料、涂料等領域也扮演著重要角色。例如，摻雜納米SiO2可以提高橡膠的抗紫外輻射能力。而為了提高塑料的強度、韌性、致密性、防水性等，生產時通常在塑料中添加一定的納米材料。

6.在陶瓷工業領域中的應用

陶瓷材料在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，而納米陶瓷可以克服傳統陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性，并在超高溫、強腐蝕等苛刻的條件下起到其他材料不可替代的作用，應用較為廣泛。

7.在其他領域中的應用

除了在上述領域中的應用外，納米材料在諸如電子計算機和電子工業、航空航天、機械工業、紡織工業、化妝品工業等其他領域也有著廣泛應用。

三、展望

“誰輸掉了納米，誰就輸掉了未來”，這已經成為世界各國的共識。正如錢學森院士所預言的那樣：“納米科技將是21世紀的又一次產業革命”，由此可見納米科技的重要性。納米材料是整個納米科技的基礎，在各個領域得到了廣泛應用。但從納米材料的基礎研究和實際應用來看，目前其研究還面臨很多問題和嚴峻挑戰。如合成方法復雜、單分散的納米粒子或納米線的可控制備、生長機制還不完全清楚、缺乏系統的性能研究，等等。但我們有理由相信，隨著科學技術的不斷進步，制備和改性技術的不斷完善，納米材料在未來將會在更多領域中得到更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]張立德，李愛莉，端夫編著.奇妙的納米世界（第1版）[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]王大志.納米材料結構特征[J].功能材料，1993，24（4）：303-306.

[3]張立德，牟季美編著.納米材料學[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1994.

[4]Kubo R.Electronic properties of metallic fine particles[J].Phys.Soc.of Jap.，1962，17（6）：975-986.

[5]Li JB，Wang LW.Comparison between quantum confinement effects of quantum wires and dots[J].Chem.Matter.，2004，16（21）：4012-4015.

[6]張立德，牟季美編著.納米材料和納米結構（第1版） [M].北京：科學出版社，2001.

[7]王占國.納米半導體材料及其納米器件研究進展[J].半導體技術，2001，26（5）：17-19.

基金項目：周口師范學院大學生科研創新基金項目（ZKNUDXS2014-052）；周口師范學院實驗室開放項目（K201433）。