其应用
纳米材料定义
•1959 年, 美国著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynman 曾说过: 我深信当人们能操纵细微物体的排列时, 将可以获得极其丰富的新的物质性质。

如今, Feynman 的梦想终于在纳米材料中得到实现。

•尺寸在0. 1nm 到100nm之间, 处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子称为纳米材料或超微粒。

纳米材料制备历史
•20 世纪80 年代初, 德国科学家Gleiter提出纳米晶体材料的概念, 并采用人工制备首次获得纳米晶体。

•1987 年美国Argon 实验室Siegles 等采用惰性气体蒸发原位加压的方法, 制备•了纳米级TiO2 陶瓷材料。

•到20 世纪90 年代, 人工制备的纳米材料已达百种以上。

纳米材料特性
•表面效应
•小尺寸效应
•量子尺寸效应
•宏观量子隧道效应
小尺寸效应
•当纳米材料的晶体尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时, 一般固体材料赖以成立的周期性边界条件将被破坏, 声、光、热和电磁等特征会出现小尺寸效应。

•例如: 纳米银的熔点为373K, 而银块则为1234K。

纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12 倍。

纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数不多不少, 其运动速度不快不慢。

而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体, 而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。

介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次( 即小尺寸效应) 对材料的物性起着决定性作用。

表面与界面效应
•纳米材料的颗粒尺寸小, 位于表面的原子所占的体积分数很大, 产生相当大的表面能。

随着纳米粒子尺寸的减小, 比表面积急剧加大, 表面原子数及比例迅速增大。

•例如, 粒径为5nm时, 比表面积为180m2/ g, 表面原子的比例为50%; 粒径为2nm时, 比表面积为450m2/ g, 表面原子的比例为80%。

•由于表面原子数增多, 比表面积大, 原子配位数不足, 存在未饱和键, 导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷, 使这些表面具有很高的活性, 特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。

这种表面原子
的活性不但引起纳米粒子表面输运和构
型的变化, 同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。

量子尺寸效应
•粒子的尺寸减小到某一尺寸时, 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散
能级, 对于纳米颗粒, 由于所含电子数少, 能级间距不再趋于零, 从而形成分立的能级。

一旦粒子尺寸小到使分立的能级间
隔大于热能、磁能、电能和光子能量等
特征能量时, 则引起能级改变、能隙变宽, 使粒子的发射能量增加, 光学吸收向短波方向移动, 直观上表现为样品颜色的变化。

例如: CdS 颗粒由黄色变为浅黄色。

出现这种现象叫做量子尺寸效应。

宏观量子隧道效应
•量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的, 解释粒子能够穿越比总能量高的势垒, 这是一种微观现象。

•近年来, 发现一些宏观量( 如微颗粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等) 也具有隧道效应, 称为宏观量子隧道效应。

对于纳米颗粒这一特性的研究, 对发展微电子学器件将具有重要的理论和实践意义。

纳米材料应用领域
•正是由于以上各种效应引起的奇异力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特征,使其在国防、电子、核技术、冶金、航空、轻工、医药等领域中具有重要的应用价值, 从而掀起了纳米材料制备和研究的高峰。

纳米材料的应用
•纳米材料由于其产生的特殊效应, 因而具有常规材料所不具备的性能, 使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。

对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法, 而是多学科和多种研究方法的综合利用。

结构材料
•纳米结构材料的研究兴起于20 世纪80 年代, 主要是对纯金属纳米材料进行研究。

•现在已由纯金属向多元合金以及纳米复合材料方向发展。

纳米复合材料通常定义为在多元复合组成中, 至少有一种固相处于纳米尺度范围内。

例如纳米陶瓷材料也为人们所关注的重要结构材料之一, 纳米复合陶瓷, 因其优异的耐高温、高强度等性能, 有望应用于高温发动机中, 其燃料热效率可望增加一倍, 且燃烧完全, 污染降低。

光学材料
•1990 年秋, 英国皇家信号与雷达研究所的坎汉报导了他从多层硅层中获得可见光谱内的光致发光。

•控制硅粒的尺寸, 改变其能级达到产生一定波长光波的目的。

如将硅置于Y 型沸石的超笼中, 1. 3nm的纳米硅粒, 在室温条件下可以发出橙红色的光谱。

•纳米SiO2 光学纤维对波长大于600nm 的光的传输损耗小于0. 01db/ m, 此值比体材料的光传输损耗小许多倍。

•纳米红外反射材料在灯泡工业上有很好的应用前景。

•利用纳米材料对紫外的吸收特性而制作的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体的损害, 而且可以提高灯管的使用寿命。

•作为光存储材料时, 纳米材料的存储密度明显高于体材料。

催化材料
•纳米材料作为新一代催化剂倍受国内外重视。

例如在火箭固体燃料中掺入铝的纳米颗粒, 燃烧效率可提高若干倍。

近年来的发展方向是纳米复合化, 例如氟石结构的纳米CeO2-x与Cu 组成纳米复合材料, 可用于汽车尾气中排放出来的SO2、CO 的消除。

气敏材料
•纳米材料同样可作为高效的气敏材料, 这是因为气敏材料的基本要求是对吸附气体有快速的反应, 吸附后能改变其物理性质, 且反应可逆, 能再生, 而纳米材料的高比表面积正是增进气体元件灵敏度的重要原因。

•例如Pd 是一种很好的气敏材料, 若将10~ 15nm 的Pd 纳米颗粒压制成薄片, 其致密度不可能很高, 有很好的孔洞, 易于实现固气反应, 提高灵敏度。

储氢材料
•在气体吸附的研究中, 固体吸附储氢是一个很有实用意义的研究方向, 采用纳米材料可避免大晶粒贮氢材料在反复吸收、释放氢气的循环过程中产生的氢脆现象, 又可增加吸氢容量和吸氢速率。

磁致冷工质
•美国的罗伯特在钆镓石榴石(GGG) 中加铁得到的纳米复合材料钆镓铁石榴石具有磁致冷效应, 且大大优于GGG。

据报导, 美国利用Gd作为磁致冷工质, 已使室温磁致冷迈向实用化,如将磁致冷工质纳米化, 可能用来展宽致冷的温区。

巨磁电阻材料
•磁场导致物体电阻率改变的现象称为磁电阻效应。

•1988 年在Fe/ Cr 多层膜中发现磁电阻效应比坡莫合金大一个数量级, 其值为负，基本上是各向同性, 称之为巨磁电阻效应(GMR) 。

•磁电子学是磁与电在纳米量级人工结构材料中新呈现出来的交叉效应。

导电材料
•把具有导电性的纳米颗粒, 如碳黑、金属粒子等加入到高聚物中, 可以改善高聚物的导电性。

•例如, 在用真空镀法制作的尼龙薄膜上, 真空镀敷上一层粒径为1~ 10nm 的Au 颗粒, 所得Au尼龙复合材料具有良好的导电性。

共轭聚合物与合成或天然无机纳米粒子反应复合,也能得到导电性能优良的产品。

结束语
•诺贝尔奖获得者罗雷尔曾风趣地说:几十年前, 没有人能够预测半导体晶体管可以为社会带来什么变化, 除了作为电子管的替换部件以外, 更无从想到今天的计算机时代。

类似的情况适用于纳米科学。

随着人们对纳米材料研究的深入, 纳米材料必将出现更为广阔的应用前景, 纳米材料的大规模工业生产和商业应用也将成为现实。

谢谢大家！。