纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪,纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术 是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性 以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用,并简单展望了纳米材料的 应用前景。 关键词:纳米材料;功能;应用; 纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米 或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸 的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素 形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性 磁学特性、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了 应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难 题,可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构 的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增 殖符合 Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大 增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时,其韧性、 强度、硬度大幅提髙,使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用 热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的 值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-C2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用,从而有效地将太阳光能转换为热能 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材 料,甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变(SMT)。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量 超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管,表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性,成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展,已经成功硏 制出由碳纳米管组成的逻辑电路
纳米材料及其应用前景 摘要: 21 世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术 是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性 以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的 应用前景。 关键词： 纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即 1~100 纳米 或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸 的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素 形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、 磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了 应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难 题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、 力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构 的材料强 度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合 Frank-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大， 增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有 50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、 热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的 值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如 Cr-Cr2O3 颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、 电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材 料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、 超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001 年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路
4、磁学性质 当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2,在这情况下, 感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%,已不 能满足需要,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可以用于信 息存储的磁电阻读出磁头,具有相当髙的灵敏度和低噪音。目前巨磁电 阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到171Gb/cm2。同时纳米巨 磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系,所以也可以用作 新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率, 对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,而且对红外波段的吸收系 数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO3和FeF3透明体至 少高1个数量级,从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用 、纳米材料的主要应用 借助于纳米材料的各种特殊性质,科学家们在各个研究领域都取得了性 的突破,这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。 1、特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧 结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质 地优异的烧结体(如siC、w、BC等),且不用添加剂仍能保持其良好的 性能。另一方面,由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强 烧结收缩大等烧结特性,所以它又可作为烧结过程的活化剂使用,以加 快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3000℃ 髙温时烧结,而当掺入0.1%~0.5%的纳米镍粉后,烧结成形温度可降低 到1200℃~1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温 度各不相同,所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小 尺寸效应和表面效应,不仅使其熔点降低,且相变温度也降低了,从而 在低温下就能进行固相反应,得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材 料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成 的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低,故在低温低压下 就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具 有塑性强、硬度髙、耐髙温、耐腐蚀、耐磨的性能,它还具有髙磁化率 高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应,这些都将成为材料开 拓应用的一个崭新领域,并将会对高技术和新材料的开发产生重要作 2、生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA到病毒,都在1-100nm的尺度范围,从而纳 米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元 都是执行某种功能的“纳米机械”,细胞就象一个个“纳米车间”,植物 中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装 排列做到了原子级的结构精确,神经系统的信息传递和反馈等都是纳米 科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构 的源泉,研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。 纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小,这就为医学研 究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有:利用纳米So2微粒 实现细胞分离的技术,纳米微粒,特别是纳米金(Au粒子的细胞内部染 色,表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等
4、 磁学性质 当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过 1.55Gb/cm2，在这情况下， 感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为 3%，已不 能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达 50%，可以用于信 息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电 阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到 1.71Gb/cm2。同时纳米巨 磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作 新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率， 对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系 数至少比传统粗晶材料低 3 个数量级，磁性比 FeBO3 和 FeF3 透明体至 少高 1 个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 二、纳米材料的主要应用 借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性 的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。 1、 特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧 结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质 地优异的烧结体(如 SiC、WC、BC 等)，且不用添加剂仍能保持其良好的 性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、 烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加 快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在 3 000℃ 高温时烧结，而当掺入 0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低 到 1 200℃～1 311℃。 复合材料的烧结 由于不同材料的熔点和相变温 度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小 尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而 在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材 料的制备 通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成 的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下 就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具 有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、 高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开 拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作 2、 生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA 到病毒，都在 1-100nm 的尺度范围，从而纳 米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元 都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物 中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装 排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米 科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构 的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。 纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研 究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米 SiO2 微粒 实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染 色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因 芯片(即DNA芯片)等,都具有集成、并行和快速检测的优点,已成为纳 米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断,药物开发和人类遗传 诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗,而且可在动态检测 中发现疾病的先兆信息,使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也 可以分为两类,一类是适合于生物体内的纳米材料,如各式纳米传感器, 用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别 病区所在,并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血 管中的血栓、脂肪沉积物,甚至可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。另 类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料,它们可以不被用于生物体, 而被用于其它纳米技术或微制造 3、纳米生物计算机开发 生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子, 并以此作为生物芯片。在这种芯片中,信息以波的形式传播,其运算速 度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍,能量消耗仅相当于普通 计算机的几亿分之一,存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分 子能自我组合,再生新的微型电路,从而使得生物计算机具有生物体的 些特点,如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障, 还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994 年11月首次研制成功的。 科学家们预言,实用的生物分子计算机将于今后几年问世,它将对未来 世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机 和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装 置,它一旦研制成功,有可能在1秒钟完成数十亿次操作,届时人类的 劳动方式将产生彻底的变革。 目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜,它已取得一系列成果,使全 世界为之震动,并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注 视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展,这一领域前景 十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉,可以形成许多新的学科或学 科群,其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文 明进步产生巨大影 4、新的国防科技革命 纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如:纳米电子器 件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系;对化学、生物、核武器的 纳米探测系统;新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力:由 纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务;纳 米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗,按不同轨道组成卫星网,监 视地球上的每一个角落,使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的 应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中,超高频(SHF,GHz)段电磁波吸 波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由 于纳米材料的界面组元所占比例大,纳米颗粒表面原子比例高,不饱和 键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化,吸收频带展宽。高的 比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂, 分裂的能级间距正处于微波的能量范围,为纳米材料创造了新的吸波通
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因 芯片(即 DNA 芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳 米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传 诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测 中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也 可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器， 用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别 病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血 管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一 类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体， 而被用于其它纳米技术或微制造。 3、 纳米生物计算机开发 生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子， 并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速 度要比当今最新一代计算机快 10 倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通 计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分 子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的 一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障， 还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于 1994 年 11 月首次研制成功的。 科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来 世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机 和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装 置，它一旦研制成功，有可能在 1 秒钟完成数十亿次操作，届时人类的 劳动方式将产生彻底的变革。 目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全 世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注 视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景 十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学 科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文 明进步产生巨大影 4、 新的国防科技革命 纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器 件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的 纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由 纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳 米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监 视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的 应用尤其引人注目。 在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸 波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由 于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和 键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的 比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂， 分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通
道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下,运动加剧,增加电磁 能转化为热能的效率,从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超 黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99%,法国最近研制的CoNi 纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料,在2-7GHz范围内,其m￠和m￠￠ 几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、 可见光等波段的纳米复合材料,并提出了单个吸收粒子匹配设计机理, 这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波 功能的同时,普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、 碳化物,铁氧体,包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将 大有作为 5、其他领域 除此之外,纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微 电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用,纳米材料在这些领域都在逐 渐发挥着光和热。 三、纳米材料的应用前景展望 经过几十年对纳米技术的研究探索,现在科学家已经能够在实验室操纵 单个原子,纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯 片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测: 不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳 米复合物、纳米光子晶体将应运而生:用于集成电路的单电子晶体管、记忆 及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用;分子、原子簇的控制和自组 装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将 被研究制造出来。 纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段, 但从历史的角度看:上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达 国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米 技术对我们既是严峻的挑战,又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳 米基础理论的研究,为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个 人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革
道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁 能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超 黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达 99％，法国最近研制的 CoNi 纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠ 几乎均大于 6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、 可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理， 这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波 功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、 碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将 大有作为 5、 其他领域 除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微 电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐 渐发挥着光和热。 三、纳米材料的应用前景展望 经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵 单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯 片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪 4 大领域高速发展。可以预测： 不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳 米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆 及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组 装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将 被研究制造出来。 纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段， 但从历史的角度看：上世纪 70 年代重视微米 科技的国家如今都已成为发达 国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在 21 世纪成为先进国家。纳米 技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳 米基础理论的研究，为我国在 21 世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个 人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革