纳米材料与软物质的研究现状应用及未来发展模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。纳米材料与软物质的研究现状、应用与未来发展1引言1990年,第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议同时在美国巴尔的摩举办,《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际专业期刊相继问世,标志一门崭新的科学技术——纳米科技的诞生。从此纳米科技得到科技界的广泛关注,并迅猛发展。1991年,诺贝尔得主、法国物理学家P.G.DeGennes在诺贝尔授奖会上以”软物质(SoftMatter)”为题进行演讲,提出了软物质的研究,统一了欧洲科学家笔下的”软物质”与美国科学家口中的”复杂流体”两个称呼。从此,软物质研究作为物理学的一个重要研究方向得到了广泛的认可。纳米材料与软物质的研究都是从20世纪80年代开始的,是在之前三次工业革命的基础上发展起来的的新兴科技领域。巨大的需求与技术支撑,使其在诞生之初就显现出蓬勃的生命力,而且对它们的研究经久不衰。在知识与学科互相交叉的今天,纳米材料与软物质有可能相互结合,在材料、生物、医学、高分子等领域开拓出一片片新大陆,筑起21世纪工业革命的基石。2纳米材料的概念广义的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。按照维数,纳米材料的基本单元能够分为三类:零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度的材料,如纳米尺度颗粒、原子团簇等;一维,指在空间有两维处于纳米尺度的材料,如纳米丝、纳米棒、纳米管等;二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度的材料,如超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米科技是面向纳米材料的运动规律和相互作用并在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题,发展纳米尺度的探测和操纵。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。扫描隧道显微镜(STM)在纳米科技中占有重要的地位——它贯穿到七个分支领域中,以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。3纳米材料的特性所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1-100nm);(2)有大量的界面或自由表面;(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,也使纳米材料受到各国科学家的追捧。物质尺度到了纳米量级后,由于表面电子能级(费米面)的变化(Kubo效应)导致了纳米材料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,能使多种多样的材料改性,用途极为广泛。表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应,这五种效应是纳米材料的基本特性,它们使纳米粒子和纳米固体呈现出许多奇异的物理性质、化学性质和力学性质,它们是纳米技术应用的理论基础。3.1表面效应粒子直径减少到纳米量级,表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加;处于表面的原子数增多,使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能与块材内部原子有很大的不同;表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合,故具有很大的化学活性。3.2量子尺寸效应纳米粒子尺寸下降到某一定值时,费米能级附近的电子能级将由连续能级变为分立能级。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。3.3体积效应当纳米粒子的尺寸变小时,周期边界条件将被破坏,使得物理化学性质发生变化,甚至是发生突变。如果颗粒尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,金属微粒均失去原有的光泽而呈黑色(光的吸收特性变化);磁性超微颗粒在尺寸小到一定范围时,会失去铁磁性,而表现出顺磁性或超顺磁;非铁磁性也可转化为铁磁性;铁电态变为顺电态、超导相向正常相转变等。3.4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们能够穿越宏观系统的势垒而产生变化。库仑堵塞效应——只能单电子传输,电荷宇称效应——电荷数奇偶性。3.5界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面,与块材相比,纳米结构材料具有反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;能够在较低的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现超强度、超硬度、超塑性等。4纳米材料的研究现状及其应用当前,纳米陶瓷、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料、微乳液、纳米纤维、纳米磁性材料、纳米储锂材料、纳米吸波材料等新型材料已经崭露头角,有的已经应用在实际产品中。IDF上,英特尔带来了全球第一块22纳米工艺的芯片。美国科学家开发出一种简单、可行的碳纳米管混合物的净化方式,能够借助紫外线和空气中的氧生成净化的半导体纳米管,对发展下一代计算机芯片具有非凡价值。7月13日一个中德小组在期刊《自然·纳米技术》网络版上报告说,她们经过研究首次证明把钴元素掺入由氧化锌制成的纳米导线,能使纳米导线具有内禀磁性,这一成果对研制运算速度快且能耗低的新型磁性半导体材料具有重要意义。9月27日的《NatureNanotechnology》报道,辛辛那提大学的生物工程研究人员使用一种RNA动力纳米马达,成功地开发出了一种能够使单链和双链的DNA经过的人造微孔。4.1纳米陶瓷纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一,纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。4.2碳纳米管1991年1月,日本筑波NEC实验室的饭岛澄男首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管。纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一,却具有超过钢100倍的强度。不但具有良好的导电性能,还是当前最好的导热材料。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉,也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。研究表明,碳纳米管当中的空腔不但能够充当微型试管、模具或模板,而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。4.3纳米纤维在化纤纺丝过程中加入少量的纳米材料,可生产出具有特殊功能的新型纺织材料,如:抗紫外线纤维、抗菌除臭纤维、抗静电防电磁波纤维、隐身纺织材料、强耐磨纺织材料、远红外线反射功能化纤、抗红外型化纤、导电型化纤和其它功能纤维。4.4纳米磁性材料磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级,一般在1～100nm的准零维超细微粉、一维超薄膜或二维超细纤维(丝)或由它们组成的固态或液态磁性材料。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有:量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。纳米磁性材料根据其结构特征能够分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。4.4.1磁存储介质材料以超微粒作记录单元,可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料能够提高信噪比,改进图像质量。4.4.2纳米磁记录介质今后进一步提高密度要向”量子磁盘”化发展,利用磁纳米线的存储特性,记录密度达400Gbit/in2,相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说,如合金磁粉的尺寸在80nm,钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm。4.4.3磁性液体由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂,然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体能够被磁场控制的特性,用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布,从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的”O”形环,且没有磨损,能够做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。另外,在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘,在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其它许多用途,如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。4.4.4纳米磁性药物磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽,如治疗癌症,用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位,并用磁体固定在病灶的细胞附近,再用微波辐射金属加热法升到一定的温度,能有效地杀死癌细胞。另外还能够用磁粉包裹药物,用磁体固定在病灶附近,这样能加强药物治疗作用。4.4.5纳米微晶稀土永磁材料稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进,磁体磁性能也在不断提高,当前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50MGOe,接近理论值64MGOe,并已进入规模生产。为进一步改进磁性能,当前已经用速凝薄片合金的生产工艺,一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm,如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度、易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点,当前正在探索新型的稀土永磁材料,如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面,开发研制复合稀土永磁材料,将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合,就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。4.4.6纳米微晶稀土软磁材料在1988年,首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土,经适当温度晶化退火后,获得一种性能优异的具有超细晶粒(直径约10nm)软磁合金,后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器,应用于电力电子技术领域,用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等,可取得令人满意的经济效益。4.4.7巨磁电阻材料将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中,构成两相组织的纳米颗粒薄膜,这种薄膜最大特点是电阻率高,称为巨磁电阻效应材料,能够在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大,可便器件小型化、廉价,可作成各种传感器件,例如,测量位移、角度,数控机床、汽车测速,旋转编码器,微弱磁场探测器等。4.4.8磁性薄膜变压器个人电脑和手机的小型化,必须采用高频开关电源,而且工作频率越来越高,逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展,立体的三维结构铁芯已经不能满足要求,只有向低维的平面结构发展,才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源,将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜,基本上不成形三维立体结构,而是二维平面结构,其物理特性也与原来的立体结构不同,能够获得前所未有的高性能和综合性能。4.4.9磁光存储器当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用,可是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器,其能够像磁盘一样重复多次地重复记录。当前大量使用的软磁盘,由于材料介质和记录磁头的局限性,其存储密度已经达到极限。另外其已经不能满足信息技术的发展要求,无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储,就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量,而且能重复地擦写使用。4.5纳米储氢材料锂电池是选用所有金属元素中最轻的锂作电极,因此它的能量密度很高。但从20世纪80年代以来的工作发现,由于锂金属十分活泼,安全问题不能解决。锂离子电池体系则很好地解决了这个问题。它是1990年日本索尼公司首先开发的,其核心技术即是以锂的嵌入化合物代替了金属锂,用适当降低容量的代价解决了安全性和循环寿命方面的问题。现在的纳米储氢材料已经有纳米氧化锡储氢材料、纳米硅负极材料、纳米孔碳微球负极材料、纳米锡锑合金／HCS复合材料等,它们已经在锂离子电池上显示出容量高和循环性好的特点。4.6纳米吸波材料纳米吸波材料对电磁波能量的吸收主要取决于三种效应:(1)由晶格电场热运动引起的电子散射;(2)由杂质和晶格缺陷引起的电子散射;(3)电子与电子间的相互作用。一方面,由于纳米微粒尺寸为1nm-100nm,远小于雷达发射的电磁波波长,因此纳米材料对这种波的透过率比常规材料强得多,大大减小了波的反射率,使得雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的目的;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规微粒大3至4个数量级,对电磁波和红外光波的吸收率比常规材料大得多。被探测物发射的红外光和雷达发射的电磁波被纳米粒子吸收,使得红外探测器和雷达很难探测到被探测目标。另外,随着颗粒的细化,在一定尺寸时,由于颗粒的表面效应,纳米颗粒费米面附近的电子能级由准连续变为离散能级,而且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的轨道能级,使得能隙变宽。同时,量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级发生分裂,其间隔正处于微波能量范围(10-2-10-55纳米材料研究展望正因为纳米材料具有与传统块材不同的结构、不同的特性与效应,使得纳米材料自上世纪80年代以来,持续引发了各国科学家的巨大热情。虽然当前发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点,可是纳米材料新奇的特性可能引发新一轮的技术革命,可能是21世纪人类文明继续发展的物质基础。(1)纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头。日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅,发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍:多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光;含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光,比多孔Si的最强红光还高出1倍多,250nm波长光激发出极强的蓝光。(2)巨电导的发现。美国霍普金斯大学的科学家在SiO2一Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象,当金颗粒的体积百分比达到某临界值时,电导增加了14个数量级;纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后,电导增加8个数量级。(3)颗粒膜巨磁电阻尚有潜力。1992年,纳米颗粒膜巨磁电阻发现以来,一直引起人们的关注,当前这一领域研究追求的目标是提高工作温度,降低磁场。如果在室温和零点几特斯拉磁场下,颗粒膜巨磁阻能达到10％,那么就将接近实用的使用目标。当前国际上科学家们正在这一领域努力。(4)纳米组装体系设计和制造有新进展。美国加利福尼亚大学化学工程系成功地把纳米Au颗粒组装到DM的分子上形成纳米晶分子组装体系;美国利用自组装技术将几百支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10－4W／cm;将纳米三碘化铅组装到尼龙上,在X射线照射下具有强的光电导性能,利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。6软物质的概念20世纪的物理学家致力于研究硬物质,像金属、半导体,以及陶瓷等非晶材料,掌握这些材料使大规模集成电路技术成为可能,并开创了人类社会的信息时代。时至21世纪,指数式生长的生物科学与技术成为划时代的科技发展方向,形成生物体的构成材料,已不是上述的无机固体,而是由有机大分子按照基因写成的程序按自组装方式组成的软物质。物理学家已把20世纪以前分散于化学化工、医学、食品、生物材料研究对象——液晶、聚合物、胶体、生物膜、泡沫、生物大分子及颗粒物质重新组合为逐渐统一的研究领域,称为软凝聚态物质,它包括了处于固体和理想流体之间的一切物质。这类物质在自然界、生命体系、日常生活和工业生产中广泛存在,也被人类研究使用许多世纪。但由于其复杂性,这类物质的奇异特性和一般运动规律尚未得到很好的认识。因此,当物理学家在20世纪80年代末开始将软物质作为一类普遍物质形态进行研究时,曾用”复杂流体”来概括这类物质。现在被正确的”软物质”名称所代替要归功于诺贝尔物理奖得主P.G.DeGennes,她在其诺贝尔获奖演讲时就以”软物质”为题。P.G.DeGennes的演讲最终将”复杂流体”归为”软物质”,实际上这两个名称所涉及的对象是同一类凝聚态物质。7软物质研究的现状7.1如何建立描述软物质复杂体系及其运动的模型在物理学发展中,往往以简化模型对物质进行描述:例如,对于气体由理想气体模型,经过位力展开进而描述真实气体;对固体则以晶体原子或分子的周期性排列作为基础。尽管描述液体的理论尚未完善建立,采用原子和分子相互作用及无序分布的模型,也可对液体结构和性质有较深入的认识。软物质与以原子和小分子组成的气、液、固体相比,有很大的差别.软物质组成复杂,组成单元可跨越很大尺度(从微观、介观到宏观),形态多样,组成单元的相互作用弱,涨落支配其运动,而且常常处于非平衡态,属于慢动力学体系。软物质的运动不能简单地归结为原子和小分子的作用。对于有些软物质体系,如液晶、聚合物已作了相当多的物理研究,这些体系的结构和运动规律现已有较为成熟的理论。在这些研究中一般均采用粗粒化模型处理,不考虑复杂结构单元中的细节。但总体来讲,对软物质中的相互作用、非平衡态及慢动力学运动的认识还很不清楚,从物理学的观点开展软物质研究时间不长,建立描述软物质运动规律的理论仍有待时日。20多年前L.Kadanoff曾经说过:”物理学家开始认识到复杂体系可能有自己的规律,这些规律或许就像自然界任何其它规律一样简单,一样基本,一样漂亮”。物理学家们正面对认识软物质这种复杂体系运动规律的挑战。7.2自组织(装)的起源:熵力、排空效应软物质中普遍存在自组织是与硬物质不同的重要特征。自然界物质形成,特别是生命的形成和发展以及某些材料制备,常常经过自组织来实现。因此,认识自组织的起源是研究软物质运动规律的重要课题。当前的基本认识是,熵力、排空效应是导致自组织形成的主导因素。自然界自发产生的自组织(装)现象随处可见,人们也可利用自组织(装)制备特殊结构材料。因此,我们必须了解自组织(装)起源的原理和规律。7.3体积分数效应和堵塞引起的相变软物质体系中组成单元的体积分数较高时,体积分数对软物质的行为有至关重要的影响。1968年Hoover和Ree经过对硬球体系的理论计算,得到”随着硬球颗粒体积分数的增加,将发生从液态到固态的相变”的结果。实际问题十分复杂。例如,玻璃是无序固体,液体也是无序态,都存在原子(或分子)间的相互作用。在常温下,玻璃不能像液体那样流动。当玻璃熔化后则可流动,原因是什么?这仍是困惑物理学家的问题。而软物质体系,如颗粒物质、胶体和聚合物等,也存在体积分数效应。在日常生活中,堵塞现象也到处可见,如血管堵塞、交通堵塞以及在管道输运中各种堵塞等。有些人提出,这是在体积分数足够高时发生的堵塞引起的非平衡相变。堵塞引起的相变仍是一个开放的问题。不同体系的”堵塞”态与流动态的动力学是否相同?在颗粒、聚合物、胶体或泡沫等体系中经过外加切变力,是否与在玻璃体系增高温度等效?是否可用一个等效温度来表述软物质体系堵塞引起的相变?多尺度和不同形状结构单元组成的体系如何描述?这些问题还有待进一步研究。7.4界面作用、尺度效应和受限效应很多实际软物质体系,如膜、表面活性剂、微流体以及大量生命物质等,均存在界面或受限于小空间,且多种尺度、多种软物质形态共存。体系影响因素更多,行为更为复杂,不但有软物质自身的运动,还有微观层次的物理和化学相互作用。当前的研究工作多数只是针对具体对象进行,或对较简化的体系进行实验研究和计算。7.5颗粒物质运动行为颗粒物质是自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在的一类离散态物质。颗粒物质与其它软物质体系的主要区别是其尺寸较大,一般大于1μm,其势能比kT大1012倍以上,因而颗粒体系中温度作用可忽略不计,即相当于处在kT=0的状态。颗粒体系能量会经过与其它颗粒的摩擦和碰撞而耗散,呈现许多奇特的运动行为。当前对颗粒物质的运动规律及其物理本质的认识还很不深入,即使对静态颗粒物质,也不能给出表述其状态的合适方程。DeGennes认为,这一领域几乎每一件事都尚待理解。L.Kadanoff则表示,不能用普通流体力学方程描述颗粒物质,它的丰富奇特行为没有得到很好认识。7.6软物质的流变学简单流体为牛顿流体,任何切变力均可引起流动,流动性质用粘滞性来描述。固体的弹性形变和外加力间关系则一般见模量来描述。软物质既不同于液体,也不同于固体,一般表现为非牛顿流体性质,切变强度与切变速率有关。软物质常常呈现出新奇的流动行为,使人们很难理解其原因。湍流减阻现象就是一例。在液体湍流状态,添加百万分之几的聚合物就可使液体流动阻力下降约一半,用这种方法可使消防救火时水喷射的距离大大提高。聚合物似乎发生了”线团-伸展相变”,能阻止湍流状态出现的耗散。而在聚合物流体中,分子的相互缠结强烈地抑制着流动,施加剪切作用可使流动加快,即剪切变稀效应。Edwards和DeGennes等人给出了称之为”蛇行”运动概念来解释聚合物流变原理。在悬浮液发生流动时,运动行为更为复杂。一个悬浮颗粒的运动会因附近其它颗粒的存在而受到扰动,流动行为与湍流很相似。然而,对于此种运动方式的理解还不如对湍流的认识多,既提不出一个类似雷诺数的量来表述向混沌的过渡,也提不出令人信服的渐近标度假设8软物质的特性软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感性和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性、复杂性等。8.1对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。天然橡胶分子的200个碳原子中,只要有一个与硫原子发生作用,就会使天然橡胶汁从液体变成具有弹性的固体;一滴卤水就能使一锅豆浆凝结成豆腐;一滴骨胶能够使墨汁长期稳定而不沉淀;一颗钮扣电池能够驱动液晶手表工作几年。软物质的这一由于受到外界微小的作用力而发生巨大状态变化的特点,犹如雕塑家用拇指轻压就能改变黏土的外形一般。这便是DeGennes将之称为软物质的原因。8.2熵弹性是软物质的第二个基本特征。根据热力学理论,体系的状态由自由能F=U-TS决定,其中U、T、S分别为内能、温度和熵。体系的自由能低,则状态稳定。在软物质中,内能的变化很小,体系的变化主要由熵变引起。软物质三维运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出。从能量来讲,软物质的”软”与”可变”性来源于它们之间的相互作用的范德瓦尔斯力,其作用势在室温时可用kbT来衡量,因此结构的热涨落不可忽视。8.3复杂性复杂性有三层含义:(1)构成软物质的基元多数是化学结构颇为复杂的链状和支状分或分子集团,远比量子物理学处理的单原子或多原子组成的简单分子复杂;(2)这些分子本身具有不同的功能团,如两亲分子的不同部位对周围介质具有不同的响应;(3)由这些分子自组织或自组装形成了各种复杂结构,如蛋白质分子的折叠、表面活性剂分子在溶液中形成的单连通和多连通结构、镶嵌聚合物的奇妙结构和胶体悬浮液中胶体颗粒聚集形成的分形结构等等。8.4自组装自组装就是在一