纳米材料-经济百科

纳米材料(Nanophase Materials)

什么是纳米材料^[1]

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。

纳米材料的特点^[1]

当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。

纳米材料的分类^[2]

如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为3类：

(1)0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；

(2)1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；

(3)2维，指在3维空间中有1维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。

按化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。

按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。

按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。

纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的，而浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所。

纳米材料的性能^[2]

纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性质。物质的机械、电学、光学等性质的改变，出现了构筑它们的基石达到纳米尺度。例如铜的纳米晶体硬度是微米尺度的5倍，脆性的陶瓷成为易变形的纳米材料，半导体量子阱、量子线和量子点器件的性能要比体材料的性能好得多；当晶体小到纳米尺寸时，由于位错的滑移受到边界的限制而表现出比体材料高很多的硬度；纳米光学材料会有异常的吸收；体表面积的变化使得纳米材料的灵敏度比体材料要高得多；当多层膜的单层厚度达到纳米尺寸时会有巨磁阻效应等。纳米材料之所以能具备独到的特性，是当组成物质中的某一相的某一维的尺度缩小至纳米级，物质的物理性能将出现根本不是它的任一组分所能比拟的改变。

材料的光学性能是由其对太阳光的反射性能或吸收性能所决定的。如绿色的树叶表明它吸收了其他波长的光而反射出绿色的特征波。红色的颜料表明它吸收了其他波长的光而反射出红色的特征波。纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十几个纳米而表现出奇异的小尺寸效应和表面界面效应，因而其光学性能也与常规的块体及粗颗粒材料不同。纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。比如，玻璃是一种绝缘体，它无法把吸收到的电磁波释放出去，但是重金属汽化后生成的纳米材料却有极强的导电性能，因此可以通过接在防护屏上的地线导出吸收到的静电，从而消除静电对人体造成的危害。另外，电脑屏幕发射出的电磁波的频度并不均匀，因此，在对玻璃表面蒸涂纳米材料时也并不是均匀蒸涂，而是根据电磁波发射频度的变化规律进行蒸涂，以此抵消电磁波频度变化对纳米材料吸收功能的干扰，消除屏幕光亮闪烁对眼睛造成的伤害，使画面更加清。

纳米材料的应用前景^[3]

21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学是一门将应用科学和基础科学集于一体的新兴科学。纳米材料在光学、机械、磁学、电子、化学和生物学等各个领域有着广阔的应用前景。

(1)信息产业纳米化。纳米微粒尺寸小，比表面积大，因此在电子信息应用产业方面具有独特的优势。主要表现在三个方面，其一，纳米材料被广泛应用于纳米结构器件、网络通讯、高清晰度数字显示技术以及芯片技术等方面，这主要取决于纳米材料具有的频带宽、吸波性能好的性能优势，计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为：掌上电脑：；其二，网络通讯设备的关键器件纳米化，突破了微电子技术的极限，产品主要涉及微电容、谐振器、网络通讯中激光、过滤器、微电极等；其三，分子电子器件、光电子器件和巨磁电子器件，这些原器件目前正在实验阶段，尚未被广泛推广及应用，转为批量生产为商品进入市场也还要10年左右的时问。

(2)环境产业中纳米化。纳米技术在环境净化方面有不可取代的作用。纳米材料在环境污染物中的降解范围为20NM-200NM。我国已成功制备了一种能够化一氧化碳的同时还原氮氧化物、吸附甲醛的纳米设备并进入批量生产阶段；采用稀土氧化铈和贵金属纳米催化剂在汽车发动机汽缸内发挥催化作用，汽油在燃烧过程中不产生CO和NOX，效果明显；此外，纳米材料在环保产业中还可应用于治理淡水湖内藻类引起的污染，这主要是利用纳米材料的吸附能力，并已在实验室初步研究成功。例如苯酚等传统技术难以降解的有机污染物能被多孔小球组合光催化纳米材料很好的降解。

(3)能源产业纳米化。随着我国能源结构的调整，当前我国能源发展的两大方向为合理利用传统能源以及开发新能源。研究表明，纳米催化材料对催化氧化，裂解反应都具有很高的催化活性。在国外，开发新能源的主要成果，就是把非可燃气体变成可燃气体。利用金属纳米材料的小尺寸反应性质，可以制造高效能的光热、光电转换材料。

(4)制药业纳米化。目前，国际医药行业面临新的决策，就是纳米生物医药，纳米生物医药主要涉及以下方面：在提高药物的吸收利用方面，就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，以求增加药物的比表面积，促进了药物的溶解，最大限度发挥药效。在纳米给药方面，就是利用纳米技术在提取药物精华后，活性成分通过溶解，通过很小的骨架(例如糖、淀粉等)将药效高效缓释，提高药物作用的靶向性。

(5)纳米新材料。据测算，对于汽车而言，如果用轻质高强材料替代当前汽车上40％金属材料，汽车在行驶过程中，同一里程(公里)中汽车所耗油量可以节省40％，减少CO₂，排放40％，直接节省或者创造的经济效益可达1000亿美元／年。此外，利用纳米材料的独特性能，通过纳米技术还可以改进各种功能材料，例如，质量轻但是透明度好的玻璃材料。