納米材料的分類及其物理性能研究

趙心瑩

（武漢市外國語學(xué)校 湖北 武漢 430000）

納米材料的分類及其物理性能研究

趙心瑩

（武漢市外國語學(xué)校 湖北 武漢 430000）

在當(dāng)前市場應(yīng)用潛力較大的科學(xué)技術(shù)中，納米技術(shù)是其中備受追捧的科學(xué)技術(shù)之一。經(jīng)過了三十余年的發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)引起了一場技術(shù)革命。納米技術(shù)研究的范圍主要包括納米材料學(xué)和納米工程等。納米材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸一般位于1nm～100nm這個區(qū)間范圍。納米材料跟普通材料比較而言，其特性是很多材料所不具備的。本文對納米材料的分類及其物理性能進(jìn)行了研究。

納米材料；分類；物理性能

1 引言

在上個世紀(jì)八十年代末期，對納米技術(shù)的研究就已經(jīng)開始了。納米科學(xué)技術(shù)跟其他學(xué)科的交叉是比較緊密的，它是跨世紀(jì)的一項戰(zhàn)略性的科學(xué)技術(shù)。錢學(xué)森，作為一代著名的科學(xué)家，曾經(jīng)預(yù)言納米技術(shù)將會是二十一世紀(jì)中一次產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命。納米技術(shù)的種類有很多，不僅包括了納米材料科學(xué)，還包括了納米電子學(xué)和納米生物學(xué)。在納米技術(shù)中，納米材料科學(xué)是最基礎(chǔ)的。納米材料是二十一世紀(jì)的新材料之一，這是當(dāng)之無愧的。現(xiàn)在，對于該材料的研究非常活躍。如圖1所示，為納米材料專業(yè)申請在整個材料研究領(lǐng)域的占比情況。

圖1 材料科學(xué)與工程專業(yè)分支申請概況圖

2 納米材料的分類

“納米”這個詞第一次被提出來是在上個世紀(jì)八十年代，它在發(fā)展初始階段，指的是納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體。從廣義的角度上來講，納米材料在至少有一維符合納米尺度范圍。

根據(jù)納米材料的維度的基本單元進(jìn)行分類，我們可以將納米材料分為以下三類。分別為0維、1維、2維。第一類納米材料的特點(diǎn)是，在空間的三維尺度方面，它們都符合納米尺度。第二類納米材料的特點(diǎn)是，從空間的三維尺度來看，該納米材料有兩維符合納米尺度。這類材料中的典型之一就是納米管和納米棒。第三類納米材料有1維在納米尺度。這類納米材料的典型為超薄膜。英國某大學(xué)的著名教授德馬克斯曾經(jīng)發(fā)明了一種厚度為0.35nm的超級薄膜。該薄膜厚度極小，如果重疊20萬層，才能達(dá)到一根頭發(fā)絲的厚度。

如果從化學(xué)成分去分類，納米材料分為納米陶瓷、納米金屬以及納米復(fù)合材料等。根

據(jù)納米材料的物理特性的差異，可以將納米材料分為納米半導(dǎo)體、納米鐵電體、納米熱電材料等等。就目前情況來看，納米材料中的很大一部分比例不是機(jī)器生產(chǎn)，而是通過人工制備的，這類材料可稱為人工材料。事實上，在大自然中，納米固體就一直存在，只是我們對它們不了解而已。比如，天體隕石的碎片從本質(zhì)上來講就是一種納米材料，動物的牙齒是納米微粒組成的。

3 納米粒子的物理特性

數(shù)目較少的原子或分子組成了納米粒子，納米粒子的在熱力學(xué)上的穩(wěn)定性不強(qiáng)，納米粒子所處的物理狀態(tài)是一種中間狀態(tài)，它跟宏觀物質(zhì)和微觀原子的狀態(tài)是有區(qū)別的，這也就使得納米材料的特性是比較獨(dú)特的。

3.1 比表面積和表面張力較大

平均粒徑10～100nm的納米粒子的比表面積區(qū)間為[10，70]m2/g，通過使用儀器對納米粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部壓力較大，且表面張力比較大，內(nèi)部原子間距相對來說不大。

3.2 納米粒子的熔點(diǎn)降低

粒徑2nm的納米時金熔點(diǎn)為300℃左右，塊狀金的熔點(diǎn)要比該溫度高763℃。因此，可以利用納米狀態(tài)金的這種特性，來成熔融工藝。

3.3 磁性的變化

當(dāng)一些物質(zhì)處于晶粒納米等級時，該物質(zhì)可能改變磁性。比如從抗磁性變?yōu)轫槾判浴１热缃饘賁b（是銀白色有光澤硬而脆的金屬）。在一般情況下，它是抗磁性的，而當(dāng)它處于納米狀態(tài)時，就會產(chǎn)生順磁性。并且，該金屬被納米化之后，還能展現(xiàn)其一些磁效應(yīng)變化。

3.4 物理性質(zhì)變化

金屬納米粉末的顏色一般是黑色的，其顏色比較深，并且該狀態(tài)的金屬納米粒子的吸光能力也增加。如果金屬納米顆粒不大于50nm的時候，金屬強(qiáng)度會增加，其中的原理，由于篇幅限制，這里不做詳細(xì)陳述。粒徑約為 5～7nm的納米粒子得到的銅的固體硬度和彈性強(qiáng)度比通常情況下的金屬要高很多。

3.5 納米離子的導(dǎo)電性增強(qiáng)

根據(jù)有關(guān)研究顯示，CaF2在多晶粉末狀態(tài)和納米狀態(tài)時的離子導(dǎo)電率有一個數(shù)量級的差別，單晶CaF2比納米

CaF2的離子導(dǎo)電率要少兩個數(shù)量級。除此之外，納米粒子在低溫下的熱導(dǎo)性比較強(qiáng)。納米粒子如果充當(dāng)催化劑，那么催化效率就會提高。當(dāng)納米粒子的粒度逐漸減小，超導(dǎo)臨界溫度會逐步上升。

4 納米材料的應(yīng)用前景展望

納米粒子作為新材料中新寵，不但能夠直接使用，它也可以用來制作其他材料。在當(dāng)前情況下，已經(jīng)有納米磁性材料、納米半導(dǎo)體、納米傳感器等被研制出來了，并且這些材料在我們?nèi)粘W(xué)習(xí)和工作中都有一些應(yīng)用。比如，RNA蛋白質(zhì)其顆粒在醫(yī)學(xué)上有一些應(yīng)用。當(dāng)這種顆粒的大小位于15nm到20nm范圍內(nèi)時，這種粒子可以歸屬于納米粒子的范圍之內(nèi)。如果超微粒子小于10nm，那么氣就能夠自由進(jìn)入人體的某些病變部位，可以進(jìn)行疾病診斷和檢測。又如，石墨可以作為碳納米管的生產(chǎn)材料，強(qiáng)度非常高，其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較強(qiáng)，電阻極小。如果該材料能夠規(guī)模化生產(chǎn)，那么就可以使全球電力不足的現(xiàn)象得到緩解。另外，納米材料在電子器件中也有廣泛的用途，能夠減少集成電路的數(shù)量，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的未來，納米材料終究會實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，并且在我們生活和工作中應(yīng)用。同時，我們應(yīng)當(dāng)清晰的認(rèn)識到，科學(xué)技術(shù)也是一把雙刃劍，我們應(yīng)當(dāng)盡量避免其給社會帶來一些弊端。

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TB383.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0020-02