纳米材料与软物质的研究现状、应用及未来发展

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1、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

2、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可以分为三类：零

3、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

4、（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

5、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

6、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

7、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，它们可以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；可以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目前，纳米陶瓷、纳米

8、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。2009年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，可以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