纳米技术的推进与纳米材料的实际应用
作者 :  李树涛

  材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。新材料的出现以及材料科学技术的重大突破,都会引起科学技术的重大变革,都会加速社会发展的进程。纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域,它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础,许多科技新领域的突破都迫切需要纳米材料和纳米科技支撑,传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。
  1 纳米及纳米材料
  纳米是物理上的长度单位,用nm表示。1m等于10亿nm。l纳米相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说,相当于万分之一头发丝粗细。长度单位主要有;光年、千米、米、分米、厘米、毫米、丝米、忽米、微米、纳米、埃。所以纳米是长度单位中非常小的单位。用肉眼是看不到这么小的长度,所以必须利用显微镜才能观察到。纳米是一个长度单位,本身并没有物理内涵。当物质颗粒大小达,到纳米尺度以后,大约是在lnm~100nm这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既不同于原来的原子、分子,也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。第一个真正认识判定它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,像铁钴合金,把它做成大约20nm~30nm大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1 000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
  2 纳米材料的种类
  纳米材料分为纳米颗粒和纳米固体,纳米颗粒(颗粒的尺寸,一般指直径不超过10nm最大不超过100nm)也称超微粒。纳米固体也称为纳米结构材料,由纳米颗粒凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维等统称为纳米固体。
  3 纳米材料的制备方法
  纳米材料的制备方法很多,一般有物理的、化学的、机械的方法等等。最常见的方法是在惰性气体环境中采用凝聚技术制备纳米材料。制作过程就是将金属原材料置于一个电加热的蒸发皿中,然后将蒸发皿放在充满惰性气体的密闭容器内加热蒸发。在蒸发皿的上部放置一个冷凝系统使得受热蒸发的金属原子(或原子簇)在冷凝器外壁沉积下来,蒸发、冷凝过程结束后,抽出惰性气体,在真空状态下,取下冷凝器上的金属微细颗粒。压制成块,便得到这种金属的纳米固体材料。纳米材料制备技术迫切需要解决的问题是如何提高制备的速度和率,降低成本,尽快使纳米材料的科学技术转化为生产力。
  4 纳米材料的奇异特性
  在纳米量级内,物质颗粒的尺度已经很接近原子的大小。材料的纯度越来越高,缺陷却越来越少。因而,纳米结构材料与普通结构材料相比,在力学、磁学、光学、声学、电学、热学等方面都有很大差异。第一,强度和硬度都有很大提高。例如,由纳米的铁晶体颗粒压制而成的铁纳米结构材料与普通钢铁材料相比,强度提高12倍,硬度提高超过100倍;第二,熔点降低。例如金的熔点为1 064℃,加工成10nm左右的粉末的熔点降到940℃,加工至2nm左右时,熔点降到327℃;第三,表面活性增强,具有很强的催化作用。因纳米材料是由众多尺度很小的纳米颗粒所制成。表面积显著增大,表面能也相应增加,同时随着颗粒尺度的藏小,颗粒表面的原子数占颗粒的总原子数的比例迅速增大。因此,纳米颗粒的表面活性大大增强,因而使材料具有很强的催化作用,例如:在火箭燃料中添加少量的镍纳米颗粒。可以成倍提高燃料的燃烧效率;第四,纳米颗粒对光有极强的吸收能力。例如,金属纳米颗粒对光的反射率很低,一般低于1%,所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现为黑色。纳米颗粒尺寸越小,材料颜色越黑。第五,材料的磁学性能和电学性能与常规材料却有很大差别。很多在常规下导电的物质,当制成纳米材料时就不导电了,而不导电的物质在制成纳米材料后却能够导电。
  5 纳米材料的神奇妙用
  第一,纳米陶瓷发动机。一般材料制成的发动机所能承受的温度比较低,燃料因此不能充分燃烧,不仅效率低,造成能源的浪费,而且会污染环境。陶瓷材料所能经受的温度比金属高得多,因此纳米陶瓷发动机具有耐高温、效率高、燃料能充分燃烧、减少大气污染等优点;
  第二,纳米传感器。可用纳米材料制成光传感器、可燃气体泄漏报警器、湿度传感器等等;
  第三,可制成纳米微机械零件与微电子器件,从而使未来的计算机、卫星、电视、机器人等的体积变得越来越小;
  第四,纳米催化剂。铜的纳米颗粒是冶金和石油化工中的优良催化剂,在制造高分子聚合物化学工业的反应中,铜的纳米颗粒催化剂有极高的活性和选择性;
  第五,纳米光学材料。纳米材料具有普通光学材料不具备的光学特征。因而在现代的光学通讯中有着许多重要的应用。用纳米材料制成的光纤材料可能降低传输光信号的损耗;
  第六,纳米机械―细菌大小的机器人。用纳米技术可以制成比细菌还小的机器人。这种机器人中的发动机,依靠人体细胞中一种叫做磷酸腺苷的物质分子所驱动,这种物质能够给细胞提供能量。可以用这种机器人来治疗心脑疾病;
  第七,碳纳米管的妙用。所谓碳纳米管是指一种栅网组成的胶带状的石墨薄片,厚度只有一个碳原子大小,大约在百万分之一毫米到百万分之十毫米之间。它具有极高的强度和柔软性以及极强的导电能力。主要用来制成人工肌肉、航天器的燃料储罐等等。
  参考文献
  [1]李春霞,李立平,酒金婷,王柏华.纳米粒子的表面改性研究进展[D].第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集,2002.
  [2]李星国,纳米材料研究及其应用[D].第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集,2003.

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