纳米材料的制备与性质杨旭应化一班学号051摘要今天，世界各国的科学家都不约而同地把目光投向一种完全新型的材料——纳米材料，并且预言，纳米材料的应用标志着人类的科学技术已经进入了一个新时代。

那么究竟是什么让小小的纳米材料进入世界上众多科学家的眼中呢？我想纳米材料的性质无疑起了重大的作用，首先它们十分细小，也因此拥有了巨大的比表面积，这点是任何催化剂材料所不能比拟的；其次它的性质也较其他材料更加的特殊，因为上述的两项原因，纳米材料更加让世界的科学家为止倾倒。

对于纳米材料，首先顾名思义是因为其尺寸的原因称之为纳米材料，然而它在各个方面的表现让我们不能忽视着小小的纳米材料，正如人不可貌相，海水不可斗量一样，一切的原因还是要从其不同于别的材料的性质开始讲起。

2正文2.1纳米材料的性质纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。

它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。

目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。

而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。

在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。

美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上，在X射线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

复合氧化物一维和零维单晶纳米材料稀土纳米材料2.1.1 体积效应体积效应又称小尺寸效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的de Broglle波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学性质、催化性等于普通粒子相比都有很大变化，这就是纳米粒子的体积效应，该效应大大扩充了纳米材料的物理、化学特性范围，为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域。

2.1.2表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒长变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

也就是随着粒径的变小，纳米粒子表面原子所占的比例急剧增大。

纳米晶粒减小的结果，导致其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，具有不饱和性质、致使它表现出很高的活性。

2.1.3量子尺寸效应量子尺寸效应指的是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，吸收光谱闭值向短波方向移动的现象。

纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如强氧化性和还原性、特异性催化和光催化性质等。

2.1.4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势阱的能力称为隧道效应。

纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应，用次概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。

该效应与量子尺寸效应一起确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

2.1.5化学反应性质纳米材料的粒径小，表面原子百分数多，吸附能力强，表面反应活性高。

金属纳米粒子易被氧化，甚至燃烧，暴露在大气中的无机纳米材料会吸附气体，形成吸附层，正是利用这一性质。

人们做成了气敏元件，以便对不同气体进行检测。

2.1.6光学性质纳米粒子的粒径远小于光波波长，与入射光相互作用，光透性可通过控制粒径和气孔而精确控制，在感应和光过滤场合有广泛应用。

块状金属具有各自的特征颜色，但由于量子尺寸效应，当其晶粒尺寸减小到纳米量级时，所有金属便都成黑色，且粒径越小，颜色越深，即纳米晶粒的吸光能力越强，纳米晶粒的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和粒径及其表面上电荷分布的影响。

2.1.7催化性质由于纳米晶粒提及小，比表面积大，表面活性中心多，因而其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。

另外，纳米晶粒催化剂没有孔隙，从而避免了诸多目前在科研和工业生产中由于普遍使用常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来的某些副反应产物的生成，并且这类催化剂不必要附着在惰性载体上使用，可直接放入液相反应体系中，反应产生的热量会随着反应液流动而不断向周围扩散，从而保证不会因局部过热导致催化剂结构破坏而失去活性。

纳米材料吸收光能后，原有的束缚态电子——空穴变为激发电子、空穴并向纳米晶粒表面扩散。

电子、空穴到达表面的数量多，则光催化效率高，反应活性高，反应速度快。

纳米材料的光催化性已广泛用于抗菌水处理装置、食品包装、尾声用品、化妆品、纺织品、医用设备、建材和涂料等方面。

2.1.8其他性质硬度高、可塑性强。

纳米材料的强度比普通金属高5~10倍，硬度提高2个到3个数量级；普通陶瓷是脆性材料，而室温下纳米陶瓷却变成了韧性材料，可以任意弯曲，塑形变性高达100%。

高比热和热膨胀。

纳米铅的比热比多晶态铅增加25%-50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜成倍增大。

高导电率和扩散性。

晶粒尺寸为8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜增大10-19倍；由于纳米材料的量子隧道效应使其中的电子运输表现出反常，因而可使某些合金的电阻率下降100倍以上。

烧结温度低和烧结收缩大。

普通钨粉需在3000℃高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米镍粉后烧结成形课降低到1200℃—1300℃。

此外，纳米材料的熔点、蒸气压、磁化率。

矫顽力、相变温度、超导等许多方面也显示出与宏观晶体不同的特殊性能。

2.2纳米材料的制备2.2.1惰性气体下蒸发凝聚法通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结。

国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料，包括金属和合金，陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。

我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。

2.2.2化学方法此法包括两种方法：1、水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；2、水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等。

2.2.3综合方法结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。

其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。

2.3国内的研究情况及取得的成果纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。

如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。

在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微系统的研究。

在国内，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成。

他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米，长度约100微米的碳纳米管。

并由此制备出纳米管阵列，其面积达3毫米×3毫米，碳纳米管之间间距为100微米。

氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。

他们首次利用碳纳米管制备出直径3~40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。

并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。

他们利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首纳米电缆。

次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2用催化热解法制成纳米金刚石，由中国科学技术大学的钱逸泰等完成。

他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备出了金刚石纳米粉。

但是，同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距。

德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为到2000年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。

并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域。

总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样："纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。

"[2]2011年10月19日欧盟委员会日前通过了对纳米材料的定义，之后又对这一定义进行了解释。

根据欧盟委员会的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。

1纳米等于十亿分之一米。

在纳米尺度上，一些材料具有很多特殊功能。

纳米材料已在人们的工作和生活中得到广泛应用。

在欧盟委员会通过的纳米材料定义中，为什么限定基本颗粒大小在1纳米至100纳米之间？欧盟委员会认为，目前已知的大多数纳米材料的基本组成颗粒都在这一范围内，当然超出这一范围的材料也有可能具有纳米材料的特点。

这一规定是为了使标准明确。

为什么要求纳米材料的基本颗粒总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上？欧盟委员会认为，纳米颗粒比例过低会淹没整个材料的纳米特性，50%是一个比较合适的比例。

另外，用纳米颗粒的数量比例而不是用质量比例作为纳米材料的衡量标准，更能体现纳米材料的特点。

因为一些纳米材料密度很低，在质量比例较小的情况下已经能显现出明显的纳米材料特点。

为什么纳米材料包括天然材料？欧盟委员会认为，纳米材料应按照基本组成颗粒的大小来定义，不管它是天然的还是人造的。

实际上一些天然材料也具有人造纳米材料的特点。

为什么把具有纳米结构的材料排除在纳米材料之外？欧盟委员会认为，尽管这种材料也具有纳米材料的特点，但目前还无法对纳米结构进行明确定义，因而不具有可操作性。

为什么含纳米材料的产品不是纳米材料？欧盟委员会认为，纳米材料是原材料或者原材料的混合物，当它与其他材料制成产品后，已经与其他材料形成新的材料，因而制得的产品就不再是纳米材料了。

不过，欧盟委员会也承认，这一定义还有不完善之处，并因此决定在2014年根据科技的发展和定义的实际实施情况修订这一定义。

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