纳米技术简介

纳米科技及纳米材料应用进展纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m。在晶体学和原子物理中还常常使用埃(.)作单位，1.=10-10m1nm=10.。氢原子的1.1nm10个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知，纳米是一个微小的尺寸，但从微米进入到纳米代表人们生疏上的一个的层次。纳米正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，也是物理学、化学、材料科学、生命科学以及信息科学进展的领地。纳米材料中包含了假设干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进展材料和器件的设计和制备。纳米科技进展2080年月末刚刚诞生并正在崛起的科技，它的根本涵义是在纳米尺寸范围内生疏和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子制造物质。纳米科技是争论尺寸在0.1nm～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。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。纳米材料的种类纳米材料是指显微构造中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。纳米微粒1～100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米固体纳米固体是由纳米微粒聚拢而成的分散体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作纳米构造材料。纳米组装体系由人工组装合成的纳米构造材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为根本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米构造的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够依据人们的意愿进展设计，使整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。纳米材料的特异性能纳米构造材料的特性是由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来打算的。在肯定条件下，这些因素中的一个或多个可能起作用。因此，人们想要制造纳米构造材料，就要着眼于具有打算意义的因素。纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质的线度减小时，其外表原子数的相比照例增大，使单原子的外表能快速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反响到物质构造和性能上，就会显示格外异的效应，这里介绍几种最根本的物理效应。小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒外表层四周原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出转变而导致消灭的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。特别的光学性质当黄金(Au)被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，全部的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，大约几千纳米的厚度就能完全消光。利用这个特性，纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。特别的电学性质介电和压电特性是材料的根本物性之一。特别的磁性人们觉察鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在纳米级磁性颗粒，使这类生物能在地磁场中区分方向，具有回归本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向养分丰富的水底。特别的热学性质在纳米尺寸状态，具有削减了空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地削减组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被转变特别的力学性质陶瓷材料在通常状况下呈脆性，然而由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下简洁迁移，因此表现出很好的韧性与肯定的延展性，使陶瓷材料具有颖的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。。外表效应纳米微粒尺寸小，外表能高，位于外表的原子占相当大的比例。随着粒径减小，外表原子数快速增加。这是由于粒径小，外表积急剧变大所致。宏观量子隧道效应各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进展了合理的解释，由很多原子构成固体时，单独原子的能级就合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论动身成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区分，对介于原子、;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。人们把当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级四周的电子能级由准连续变为离散的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低空轨道(LUMO)能级而使能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。例如,导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子的奇偶数有关，比热亦会消灭反常变化，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。因此，对纳米颗粒在低温条件下必需考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。另外，晶粒尺寸降到纳米级，有望使Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料的室温超塑性成为现实。超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量，这种现象通常发生在经受中温(0.5Tm)、中等到较低的应变速率(10-6～10-2s-1)条件下的细晶材料中。目前，形变率达100％的张应力超塑性比较常见，最大的形变高达800％。陶瓷超塑性的主要问题是形变率太大而缺乏以进展实际的应用，另外尽管人们觉察在Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料高温时(1100～1600℃)具有超塑性，但室温超塑性仍旧未见报道。一般认为陶瓷具有超塑性应当具有两个条件，一是较小的粒径，二是快速的集中途径(增加的晶格、晶界集中力量)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的集中途径，所以有望实现室温超塑性。最近争论觉察，随着粒径的削减，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高。由于这些试样气孔很少，可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细0.041/4，说明这些陶瓷具有延展性，尽管没有表现出室温超塑性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。纳米材料的制备纳米材料的制备技术不仅包括纳米粉体、纳米块体及纳米薄膜制备技术，还包括纳米高分子材料的制备技术，纳米有机-无机材料的杂化技术，纳米元器件制备技术，纳米胶囊制备技术和纳米组装技术等，一般地，纳米材料制备方法可分为：物理法，化学法和综合法。纳米材料的应用纳米材料在高科技中的地位高技术是在前沿科学根底上进展起来的先进技术，它往往是工业革命的先导，也是技术竞争的“制高点术和经济实力的标志之一。下一代的微电子学和光电子学朝什么样的方向进展，计算机各国关注的重点。效应的单电子晶体管。磁学应用纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产、至今还布满活力、具有宽广应用前景的一类人工功能材料之一。纳米磁记录材料磁记录是信息储存与处理的重要手段，随着科学的进展，要求记录密度越来越高。2080年月日本就利用Fe、Co、Ni等金属超微粒制备高密度磁带。磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴构造、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。纳米巨磁电阻材料巨磁阻抗效应是磁性材料的沟通阻抗随外磁场发生急剧变化的现象。对于纳米微晶巨磁阻抗材料，产生这种效应的磁场较低，工作温度在室温以上，这就对巨磁阻抗材料的应用格外有利。型的磁性液体磁性液体的主要特点是在磁场作用下，可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流淌性。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成肯定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。磁性液体还有很多其他用途，如利用磁性液体对不同密度的物体可以进展密度分离，设计出磁性液体比重计，以及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。纳米微晶软磁材料纳米微晶稀土永磁材料由于稀土永磁材料的问世，使永磁材料的性能突飞猛进。稀土永磁材料已经受了SmCo5、Sm2Co17以及Nb2Fe14B3个进展阶段6．纳米磁致冷工质磁致冷是利用自旋系统磁熵变的致冷方式进展制冷的。纳米催化催化是纳米超微粒子应用的重要领域之一。纳米超微粒子作为一种型的功能材料，由于尺寸小，外表原子所占比例大，外表的键态和电子态与颗粒内部不同，外表原子配位不全等导致外表活性位增加，这就使其具备了作为催化剂的根本条件纳米粒子的化学催化化学催化的作用主要可归结为3个方面：一是提高反响速度，增加反响效率；二是打算反响路径，有优良的选择性，例如只进展氢化，脱氢反响，不发生氢化分解和脱水反响；三是降低反响温度。纳米粒子作为催化剂必需满足上述的条件。半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应是指在光的照耀下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把四周环境中的烃基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了对有机物的降解。纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子格外活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药中，增加爆炸效率，也可以作为引爆剂进展使用。为了提高热燃烧的效率，人们将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，来提高燃烧的效率，因此这类材料可用于火箭助推器和煤的助燃剂中。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。光学应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸取、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依靠关系。利用纳米微粒的特别的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。红外反射材料灯管发热也会影响灯具的寿命纳米微粒的诞生为解决这个问题供给了一个的途径，不但透光率好，而且有很强的红外线反射力量。优异的光吸取材料纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸取带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸取带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸取材料就是依据了这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸取材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外光的吸收力量依靠于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量及组分于紫外吸取的例子是很多的红外吸取材料也有很重要的应用前景。隐身材料医学应用当物质小到1～100nm时，由于其量子效应，物质的局域性及巨大的外表与界面效应，使物质的很多性能发生质变，在原子、分子水平上制造材料和器件,可引导“的