四川大学功能材料课程综述题目：纳米材料专业：化学工艺姓名：王南南学号： 2014223070047纳米材料摘要由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能, 使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。

本文就纳米材料的性质，制备方法及应用进行了综述, 并对其发展前景进行了展望。

关键词纳米材料性质制备方法应用Nanometer materialsAbstract Due to the special structure of nanomaterials and demonstrated specific effects and performance, making nanomaterials different from conventional materials for special purposes. In this paper, the nature, preparation and application of nano-materials were reviewed, and the prospects of its development prospects.Keyword nanometer materials property preparation method application前言20世纪90年代见证了一场新的科技革命——纳米科技的发展。

它以空前的分辨率为人们揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。

这种精确操控原子、分子构筑材料的能力将会使制造业、农业、能源、医药健康，国家安全等领域取得突破性的进展。

那么，这篇文章会概况的介绍一下纳米材料的相关知识，主要有，纳米材料的定义和性质，制备技术，典型的纳米材料，纳米材料的应用及其发展前景。

1 纳米的相关概念和性质1、1纳米的相关概念纳米（Nano-meter）希腊语“侏儒”“矮子”。

其数学尺度为 1 nm=10-9m=10 埃。

举个简单的例子头发直径大概为50-100 m,而1 nm相当于头发的1/50000。

再比如氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。

纳米材料就是在纳米基础上发展起来的一门新兴学科，把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料[1]。

它是指三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。

是指结构上具有纳米尺度调制特征的材料。

它的特征尺寸1-100nm。

1．2纳米的性质1.2.1 表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的三次方成正比，比表面积与直径成反比，故当颗粒直径减少时，颗粒的比表面积显著增加。

而纳米粒子的表面原子与总原子数之比随纳米粒子的尺寸的减小也是大幅度地增加,原子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化[2].纳米粒子的无序度增加,键态严重失配，配位不足，存在许多悬空键,并具有不饱和性,即出现许多活性中心。

因而极易与其他原子相结合而趋于稳定,所以,具有很高的化学活性.它的表面没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状。

利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂[3]、储气材料或低熔点材料。

1.2．2小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

当超微颗粒尺寸变小，与光波波长、传导电子的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寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。

如光学性质，当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，他会失去原有的光泽变成黑色的，事实上，所有的金属在超微颗粒状态下都会呈黑色[4]。

尺寸越小，颜色越黑，即此时反射率就会很低，甚至完全的消光。

所以，利用这个性质，可以将金属制成高效率的光电光热转换材料，高效率的将太阳能转变成热能、电能。

热学性质主要表现在熔点方面，一般情况下，固态物质的形态为大尺寸，其熔点一般是固定，超细微化后其熔点将显著降低，特别是颗粒尺寸小于10nm时。

可以利用此性质在较低温度下烧制成大功率半导体管的基片。

磁学性质表现[5]，当微粒尺寸小到一定程度即超微颗粒，它的磁性矫顽力会增加，据此可以做成高储存密度的磁记录材料。

1.2.3量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动，即对某些波长的吸收带发生蓝移，对各种波长光的吸收带有宽化作用。

这种现象称为量子尺寸效应[6]。

量子尺寸效应的存在可以解释一些材料的绝缘性导电性的相关变化。

1.2.4宏观量子隧道效应隧道效应[7]是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。

量子尺寸效应和宏观量子隧道效应是制作微电子、光电子器件的理论基础，其确立了现存的微电子进一步微型化的极限。

例如，在制造半导体集成电路过程中，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过宏观量子隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。

2 纳米材料的制备技术关于纳米结构组装体系大致可以分为两大类，一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。

所谓的人工纳米结构组装体系，是利用物理或者化学的方法人为的将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维、三维的纳米结构体系，包括纳米有序列体系和介孔复合体系等。

而纳米结构自组装体系是指通过弱的和较小的有方向性的非共价键，如氢键，范德瓦尔斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或者分子连在一起构成一个纳米结构或者纳米结构的花样。

众所周知，纳米材料的常规制备方法[8]有很多，如溅射法、化学气相沉淀法、共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、浸渍法、超生化学合成法及微波合成法。

这些方法都只能制备各种粉体材料[9]。

现在比较受关注的是纳米有序组装体系和纳米尺度的图案结构，而相关的目前广泛使用的技术大概有光刻、软刻蚀、“蘸水笔“纳米刻蚀和自组装。

下面以自组装为例，简单介绍一下。

所谓自组装[10], 是指基本结构单元(分子, 纳米材料, 微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。

在自组装的过程中[11], 基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。

比如, 单分子层保护的纳米粒子在一定条件下可以在基底上通过体系溶剂的挥发[12,13]或者在水/空气界面通过Langmuir-Blodgett技术[14]自组装形成高度有序的二维/三维超晶格。

3 纳米材料的应用3.1纳米材料在电化学的应用碳纳米材料[15]具有良好的力学、电学及化学性能而被人们广泛研究,特别是对于具有大比表面积、高的电导率和良好生物相容性的碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯更是研究的热点。

这些新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性,被广泛地应用于诸多领域,特别是在电化学领域中显示出其独特的优势。

本文主要阐述了碳纳米材料在电化学领域包括生物传感器[16]、超级电容器和燃料电池中的应用。

碳纳米材料由于高的比表面积和其较好的生物相容性,在生物电催化反应中起着重要作用,能够提高酶的直接电子传递速率,因而基于碳纳米材料构建的生物传感器灵敏度高、线性范围宽、重复性和稳定性能好。

3.2磁性纳米材料在分离及催化的应用磁性纳米材料[17]在分离中的应用主要有吸附脱硫、水中有机物的检测、金属离子的分子、生物分子的富集分离、有机磷杀虫剂的去除和富集以及化妆品中对羚基苯甲酸酷的富集在催化中的应用则主要集中在固体酸催化、固体碱催化、催化、光催化、催化氧化等领域。

磁性纳米材料既具有均相催化剂的高活性,义避免非均相催化过程中的扩散限制,同时赋子了催化剂独特的磁分离特性,简化了操作流程,降低了操作成本。

然而该领域的放大实验还不十分成熟,特别是磁性纳米材料的应用还需进一步研究。

3.3纳米材料在污染水体和土壤修复中的应用纳米材料由于其特有的理化性质,如强的吸附性能、高的催化效率,不仅克服了传统污染水体和污染土壤修复技术的不足,而且表现出更高的修复效率。

因此,利用纳米材料对污染环境进行修复已成为当今环境领域的研究热点[18]。

3.4碳纳米材料在生物医学领域的应用纳米材料具有独特的物理化学性,所以碳纳米材料在组织工程、药物/基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒/抗菌、生物传感等生物医学领域都有广泛的应用[19]. 众所周知，羟基磷灰石是骨骼的天然组分之一，在生理环境下性能稳定纳米级材料为骨细胞的黏附生长提供了良好的支撑，使骨细胞易于贴附，分泌多种成骨分化因子，并且在骨细胞钙化过程中，纳米羟基磷灰石还为骨细胞钙化成骨提供晶核，发挥骨传导作用[20]。

因此，纳米羟基磷灰石是骨修复领域中研究最为广泛的材料。

4 总结材料的结构决定材料的性质。

纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应,因而出现常规材料所没有的一些特别性能, 从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。

且纳米材料所展示的诱人前景还远不及此。

随着人们对纳米材料认识的深人, 相信还会有更多方面的发展和应用, 因此系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的实际意义。

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。

纳米材料作为一门新兴科学必将对人类生活产生深远的影响, 并将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

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