微米和纳米科技材料

纳米材料及其应用简介

一.纳米材料定义及简介

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。

由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

二.纳米材料分类

1.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。

2.按材料物性可分为:

纳米半导体、纳米磁性材料、纳米线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。

3.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。

三.纳米材料五大效应

1.体积效应

当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化,这就是纳米粒子的体积效应。

2.表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随粒径减小,表面原子数迅速增加。另外,随着粒径的减小,纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小,处于表面的原子数越多。表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同。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,易于其他原子想结合而稳定下来,因而表现出很大的化学和催化活性。

3.量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值时,费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级,表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性,如高的光学非线性,特异的催化和光催化性质等。

4.量子隧道

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。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产生变化,故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。

5.介电限域

纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中,粒子被空气﹑聚合物﹑玻璃和溶剂等介质所包围,而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时,由于折射率不同产生了界面,邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应,对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料,介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响。

四.潜力巨大的三种新型纳米材料

1. 石墨烯

石墨烯(rphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。

发展趋势:

010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙手可热,未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药等领域将爆发式增长。

主要研究机构(公司):

Graphene Technologies,Angstron Materials,Graphene Square,常州第六元素,宁波墨西等。

2. 碳纳米管

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。

发展趋势:

功器件的电极、催化剂载体、传感器等。

主要研究机构(公司):

Unidym, Inc.,Toray Industries,Inc.,Bayer Materia ls Science AG,Mitsubishi Rayon Co., Ltd.深圳市贝特瑞,苏州第一元素等

3. 富勒烯

富勒烯(英语:llerene)是一种完全由碳组成的中空分子,形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似,石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成,而富勒烯不仅含有六元环还有五元环,偶尔还有七元环。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯,即”C60分子”或”[60]富勒烯”,因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似,为了表达对他的敬意,将其命名为”巴克明斯特·富勒烯”(巴克球)。

发展趋势:

未来生命科学、医学、天体物理等领域有重要前景,有望用在光转换器、信号转换和数据存储等光电子器件上。

主要研究机构(公司):

Michigan State University,厦门福纳新材等。

五.纳米材料应用举例

1.纳米防水涂层

纳米防水涂层主要运用了莲花效应:莲叶表面具有超疏水以及自洁的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面,落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠,换言之,水与叶面的接触角会大于150度,只要叶面稍微倾斜,水珠就会滚离叶面。

在显微镜下可以发现,莲花的表面有一层茸毛和一些微小的蜡质颗粒,水在这些纳米级的微小颗粒上不会向莲叶表面其他方向蔓延,而是形成一个个球体,就是我们看到莲叶上滚动的雨水或者露珠,这些滚动的水珠会带走叶子表面的灰尘,从而清洁了叶子表面。

2.纳米陶瓷

纳米陶瓷是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体,以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料,其提高了母体材料的室温力学性能,改善了高温性能,并且此材料具有可切削加工和超塑性。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面,包括纳米陶瓷材料的硬度,断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能,特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明,纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性,而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。

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