纳米材料的研究进展郭伟明（兰州城市学院化学与环境科学学院, 兰州730070）摘要: 本文综述了纳米材料的概念、种类、结构特性、制备方法及其研究进展，目前应用状况和相关的应用前景，并且着重介绍了纳米科技的研究现状、分析了纳米材料的应用前景和所面临的挑战。
关键词: 纳米材料；结构；性能；研究进展在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。
新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。
新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。
纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。
1纳米材料什么是纳米材料？纳米[1]（nm)是长度单位，一纳米是十亿分之一米，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，人的头发丝的直径一般为7000—8000nm，人体红细胞的直径一般为3000—5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。
一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1—100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
所谓的纳米技术是指：用纳米材料制造新型产品的科学技术。
它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理学、分子生物学、化学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术、合成技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。
在新的世纪，纳米将带给人们更多功能超常的生产生活工具，把人们带向一个从未见过的生活环境。
纳米科学技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。
其最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
这可能改变几乎所有产品的设计和制造方式，实现生产方式的飞跃。
因而纳米科技将对人类产生深远的影响，甚至改变人们的思维方式和生活方式。
纳米技术涉及的范围很广，其中纳米材料是纳米技术发展的基础。
2 纳米材料的结构、性质、特殊效应及制备技术2.1纳米材料的结构所谓纳米结构是指以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，包括一维、二维、三维体系[2]。
如：一维纳米结构材料是指在两维方向上为纳米尺度、作者简介：郭伟明（1990-）, 男, 甘肃天水人, 现为兰州城市学院化学化学与环境科学学院112班学生宏观尺度的新型纳米结构材料，通包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米带以及同轴纳米电缆等。
纳米材料主要是由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成，纳米晶粒内部的微观结构与块材基本相同，纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，有时与晶内的原子数相等。
这表明纳米微晶内界面很多，平均晶粒直径越小，晶界越多，在晶界面上的原子也越多；此外，晶粒越小，比表面积越大，表面能也越高。
晶界上原子的排列结构相当复杂,类似于气态而不同于晶态或玻璃态，对于纳米材料的界面结构有3种不同的理论即：leiter的完全无序模型，有序结构模型，和有序无序模型[3]。
2.2 纳米材料的性质正是由于纳米微晶在结构上与组成上的特殊性，使得纳米材料具有许多与众不同的特异性能，主要表现在以下几方面：2.2.1特殊的热学性质所有材料到纳米级以后性质都将发生变化，其中一项就是材料越小熔点越低[4]。
例如金的熔点本是1064度，但制成10纳米的粉末后，熔点就会降至940度，而2纳米的金粉末，熔点就和室温差不多，只有33度了。
2.2.2特殊的光学性质各种纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率将显著降低，一般低于1%。
粒度越细，光的吸收越强烈，利用这一特性，纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上的雷达波吸收材料[5]。
2.2.3特殊的电磁学性质电导率低，纳米固体中的量子隧道效应使电子运输表现出反常现象，纳米材料的电导率随颗粒尺寸的减小而下降[6]。
当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要影响，使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力，低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/2。
2.2.4特殊的力学性能陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。
因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。
美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。
研究表明[7]，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3-5倍。
至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
2.3纳米材料的特殊效应2.3.1体积效应纳米材料是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数个原子或分子组成的集体属性.当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效应.这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域[8]，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等.2.3.2量子尺寸效应从能带理论出发，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。
当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应[9]。
例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。
2.3.3宏观量子隧道效应近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应[10]。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应，例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作。
目前研制的量子共振隧道晶管就是利用量子效应制成的新一代器件[11]。
2.3.4.表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化[12]。
由于纳米粒子表面原子数增多,表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。
2.4纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法很多．按制备原料的状态来分．由固相法、液体法及气体法；接反应物状态来分，主要有干溘和湿法；接制备手段来分可分为物理方法和化学方法[13-17]。
2.4.1物理方法2．4．1．1真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。
其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。
2．4．1．2物理粉碎法通过机械糟碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。
其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
2．4．1．3机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。
其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
2.4.1化学方法2．4．1．1气棚沉积洼利用金属化古物蒸气的化学反应合成纳米材料。
其特点产品地J皇商，粒度分布窄。
2．4．1．2沉淀法把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。
其特点简单易行，但纯度低．颗粒半径大，适合制备氧化物。
2．4．1．3水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子。
其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。
2．4．1．4溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。
其特点反应物种多．产物颗粒均一，过程易控制．适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化台物的制备。
2．4．1．5微乳液法两种互不相容的溶剂在表面活性刺作用下形成乳液。
在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得到纳米粒子。
其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ旗半导体纳米粒子多用此法制备。
3纳米材料的研究现状、应用前景3.1纳米材料的研究现状由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。
从纳米研究论文来说，美国以较大的优势领先于其他国家，日本、德国、中国和法国位居其后。
在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究[18]，尤其是纳米新材料研究。
除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上，日本不断改进现有方法，同时还积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
在合成与组装方面，美国领先，其次是欧洲，然后是日本。
在生物方法及应用方面，美国与欧洲的水平大致相当，日本位于二者之后，在纳米器件领域，日本独占鳌头，欧洲和美国居其后[19]。
3.1 .1碳纳米管1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。
诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
3.1.2 碳纳米秤1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量。