新型纳米材料种类     DATE: 2020-07-02 16:10

  信息、能源、新材料被认为是二十一世纪的三大支柱,而纳米材料(某一维尺寸在1-100nm范围内的材料称为纳米材料)在这三个领域的发展中都有极其重要的作用,如信息---原子开关、磁记录材料、光电功能材料;能源---纳米铂作催化剂利用太阳能制氢,产率提高几十倍,碳纳米管的贮氢燃料;新材料--超塑性陶瓷、隐身材料等。世界各国都先后认识到纳米技术的重要性,美国是最早开始研究纳米技术的国家之一,

  而在1990年日本决定每年投入$6000万成立两个研究机构,一个是生命科学,另一个是纳米科学;1992年我国将纳米材料科学作为重大基础研究列入国家攀登计划。早在1959年诺贝尔物理奖获得者费曼提出“操纵”原子的思想以制备纳米材料;

  1963年用气体蒸发法制备金属纳米粒子并用电镜表征;70至80系统研究金属微粒费米面附近的能级状态的Kubo理论,用量子尺寸效应解释纳米特性如金属在尺寸减小到纳米时成为非导体,而绝缘体却可成为导体;1987年美国Argon实验室的Siegel制备以纳米TiO2多晶体,发现纳米陶瓷在低温下出现超塑性;

  1990年7月在美国的巴尔基摩召开了第一届国际纳米科学技术(NST)会议,1997年美国科学家首次用单电子移动单电子,可望在在不久的将来研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机;到1999年,纳米技术已逐步走向工业化。

  ----分为零维、一维、二维和三维纳米材料。晶粒尺寸至少在一个方向上为0-100nm的材料称为三维纳米材料;具有层状结构的称为二维纳米材料;具有纤维结构的称为一维纳米材料,具有原子簇和原子束结构称为零维纳米材料。

  ---分为金属、金属合金及其氧化物纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料、纳米杂化材料。

  纳米微粒是纳米体系的典型代表,一般为球形或类球形(与制备方法密切相关),它属于超微粒子范围(1~1000nm)。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效应等原因,它具有不同于常规固体的新特性,也有异于传统材料科学中的尺寸效应。

  比如,当尺寸减小到数个至数十个纳米时,原来是良导体的金属会变成绝缘体,原为典型共价键无极性的绝缘体其电阻大大下降甚至成为导体,原为p型的半导体可能变为n型。常规固体在一定条件下其物理性能是稳定的,而在纳米态下其性能就受到了颗粒尺寸的强烈影响,出现幻数效应。

  从技术应用的角度讲,纳米颗粒的表面效应等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁记录、涂料、传热、雷达波隐形、光吸收、光电转换、气敏传感等方面有巨大的应用前景。

  纳米薄膜是由纳米晶粒组成的准二维系统,它具有约占50%的界面组元,因而显示出与晶态、非晶态物质均不同的崭新性质。

  比如,纳米晶Si膜具有热稳定性好、光吸收能力强、掺杂效应高、室温电导率可在大范围内变化等优点。据估计,纳米薄膜将在压阻传感器、光电磁器件及其它薄膜微电子器件中发挥重要作用。

  纳米固体是由大量纳米微粒在保持表(界)面清洁条件下组成的三维系统,其界面原子所占比例很高,因此,与传统材料科学不同,表面和界面不再往往只被看成为一种缺陷,而成为一重要的组元,从而具有高热膨胀性、高比热、高扩散性、高电导性、高强度、高溶解度及界面合金化、低熔点、高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性,可以在表面催化、磁记录、传感器以及工程技术上有广泛的应用。

  总体而言,目前对纳米材料的研究主要有两个方面。一是探索新的合成方法,发展新型的纳米材料。二是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征等,对照常规材料探究纳米材料的特殊规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。

  2.按照几何结构,可分为零维纳米材料(颗粒)、一维纳米材料(纳米管或纤维)、二维纳米材料(薄膜)、三维纳米材料(纳米块体);

  3.按照用途,可分为功能纳米材料和结构纳米材料; 4.按照特殊性能,又可分为纳米润滑剂、纳米光电材料、纳米半透膜等等