納米材料

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一、納米材料研究的現(xiàn)狀

自70年代納米顆粒材料問世以來，80年代中期在實(shí)驗(yàn)室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)是在80年代中期以后。從研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個階段。

第一階段（1990年以前）主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。

第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。

第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。

如果說第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機(jī)性，那么這一階段研究的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學(xué)家費(fèi)曼曾預(yù)言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼預(yù)言，創(chuàng)造新奇跡的起點(diǎn)。美國加利福尼亞大學(xué)洛倫茲伯克力國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《自然》雜志上，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢?，納米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導(dǎo)方向。

二、納米材料研究的特點(diǎn)

1、納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大

第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90％，孔徑大小為納米級，這就導(dǎo)致孔隙間的材料實(shí)際上是納米尺度的微粒或絲，這種納米結(jié)構(gòu)為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個三維空間。納米管的出現(xiàn)，豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的機(jī)遇。

2．納米材料的概念不斷拓寬

1994年以前，納米結(jié)構(gòu)材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實(shí)體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)涵變得豐富多彩。

3．納米材料的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)

經(jīng)過第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米材料所具備的不同于常規(guī)材料的新特性，對傳統(tǒng)工業(yè)和常規(guī)產(chǎn)品會產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實(shí)驗(yàn)室的成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國際上已有20多個納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線，其中陶瓷納米粉體對常規(guī)陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開始已陸續(xù)進(jìn)入市場，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益以20％速度增長。

三、納米材料的發(fā)展趨勢

1．加強(qiáng)控制工程的研究

在納米材料制備科學(xué)和技術(shù)研究方面一個重要的趨勢是加強(qiáng)控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時(shí)在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻(xiàn)大小、強(qiáng)弱往往很難區(qū)分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現(xiàn)象的解釋帶來困難，同時(shí)也給設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)帶來很大的困難。如何控制這些效應(yīng)對納米材料性能的影響，如何控制一種效應(yīng)的影響而引出另一種效應(yīng)的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面：一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；三是通過設(shè)計(jì)納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。

2．近年來引人注目的幾具新動向

（1）納米組裝體系藍(lán)綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學(xué)陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍(lán)綠光發(fā)光強(qiáng)度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍(lán)綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強(qiáng)的藍(lán)綠光，比多孔Si的最強(qiáng)紅光還高出1倍多，250nm波長光激發(fā)出極強(qiáng)的藍(lán)光。

（2）巨電導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。美國霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強(qiáng)的高電導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)金顆粒的體積百分比達(dá)到某臨界值時(shí)，電導(dǎo)增加了14個數(shù)量級；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導(dǎo)增加8個數(shù)量級；

（3）顆粒膜巨磁電阻尚有潛力。1992年，納米顆粒膜巨磁電阻發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的關(guān)注，美國布朗大學(xué)的科學(xué)家最近在4K的溫度下,幾個特斯拉的磁場，R/R上升到50％，目前這一領(lǐng)域研究追求的目標(biāo)是提高工作溫度，降低磁場。如果在室溫和零點(diǎn)幾特斯拉磁場下，顆粒膜巨磁阻能達(dá)到10％，那么就將接近適用的使用目標(biāo)。目前國際上科學(xué)家們正在這一領(lǐng)域努力。

（4）納米組裝體系設(shè)計(jì)和制造有新進(jìn)展。美國加利福尼亞大學(xué)化學(xué)工程系成功地把納米AU顆粒組裝到DM的分子上形成納米晶分子組裝體系；美國利用自組裝技術(shù)將幾百支單壁納米碳管組成晶體索"Ropes"，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于10－4W／cm；將納米三碘化鉛組裝到尼龍（nylon－11）上，在X射線照射下具有強(qiáng)的光電導(dǎo)性能，利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。