纳米技术简介.doc

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1、1.1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经常使用埃(.)作单位，1.=10-10m，所以1nm=10.。氢原子的直径为1.，所以1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知，纳米是一个极小的尺寸，但从微米进入到纳米代表人们认识上的一个新的层次。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发展的新领地。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和

2、器件的设计和制备。1.1.1纳米科技进展纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究尺寸在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。1.1.2纳米材料的种类纳米材料是指显微结构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。1.纳米微粒纳米微粒是指线度处于1～100

3、nm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。2.纳米固体纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。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结构材料。3.纳米组装体系由人工组装合成的纳米结构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基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，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。1

4、.1.3纳米材料的特异性能纳米结构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决定的。在一定条件下，这些因素中的一个或多个可能起作用。因此，人们想要创造纳米结构材料，就要着眼于具有决定意义的因素。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，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应，这里介绍几种最基本的物理效应。1.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

5、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表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。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。(1)特殊的光学性质当黄金(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，所有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

6、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。(2)特殊的电学性质介电和压电特性是材料的基本物性之一。(3)特殊的磁性人们发现鸽子、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辨别方向，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营养丰富的水底。(4)特殊的热学性质在纳米尺寸状态，具有减少了空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少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，平衡相的关系将被改变。。(5)特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆

7、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，这是因为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容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。。2.表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。3.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。