信息、能源、新材料被認為是二十一世紀的三大支柱,而納米材料(某一維尺寸在1-100nm范圍內的材料稱為納米材料)在這三個領域的發展中都有極其重要的作用,如信息---原子開關、磁記錄材料、光電功能材料;能源---納米鉑作催化劑利用太陽能制氫,產率提高幾十倍,碳納米管的貯氫燃料;新材料--超塑性陶瓷、隱身材料等。世界各國都先后認識到納米技術的重要性,美國是最早開始研究納米技術的國家之一,
而在1990年日本決定每年投入$6000萬成立兩個研究機構,一個是生命科學,另一個是納米科學;1992年我國將納米材料科學作為重大基礎研究列入國家攀登計劃。早在1959年諾貝爾物理獎獲得者費曼提出“操縱”原子的思想以制備納米材料;
1963年用氣體蒸發法制備金屬納米粒子并用電鏡表征;70’至80’系統研究金屬微粒費米面附近的能級狀態的Kubo理論,用量子尺寸效應解釋納米特性如金屬在尺寸減小到納米時成為非導體,而絕緣體卻可成為導體;1987年美國Argon實驗室的Siegel制備以納米TiO2多晶體,發現納米陶瓷在低溫下出現超塑性;
1990年7月在美國的巴爾基摩召開了第一屆國際納米科學技術(NST)會議,1997年美國科學家首次用單電子移動單電子,可望在在不久的將來研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機;到1999年,納米技術已逐步走向工業化。
以下簡單介紹納米材料的分類
納米材料的分類
按納米材料的結構分類
----分為零維、一維、二維和三維納米材料。晶粒尺寸至少在一個方向上為0-100nm的材料稱為三維納米材料;具有層狀結構的稱為二維納米材料;具有纖維結構的稱為一維納米材料,具有原子簇和原子束結構稱為零維納米材料。
按納米材料的組成分類
---分為金屬、金屬合金及其氧化物納米材料、無機納米材料、有機納米材料、納米雜化材料。
按納米材料有序性分類
----按納米材料內部的有序性可分結晶納米材料及非晶納米材料。
納米材料一般分為:納米微粒、納米薄膜(多層膜和顆粒膜)、納米固體。
納米微粒
納米微粒是納米體系的典型代表,一般為球形或類球形(與制備方法密切相關),它屬于超微粒子范圍(1~1000nm)。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效應等原因,它具有不同于常規固體的新特性,也有異于傳統材料科學中的尺寸效應。
比如,當尺寸減小到數個至數十個納米時,原來是良導體的金屬會變成絕緣體,原為典型共價鍵無極性的絕緣體其電阻大大下降甚至成為導體,原為p型的半導體可能變為n型。常規固體在一定條件下其物理性能是穩定的,而在納米態下其性能就受到了顆粒尺寸的強烈影響,出現幻數效應。
從技術應用的角度講,納米顆粒的表面效應等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁記錄、涂料、傳熱、雷達波隱形、光吸收、光電轉換、氣敏傳感等方面有巨大的應用前景。
納米薄膜
納米薄膜是由納米晶粒組成的準二維系統,它具有約占50%的界面組元,因而顯示出與晶態、非晶態物質均不同的嶄新性質。
比如,納米晶Si膜具有熱穩定性好、光吸收能力強、摻雜效應高、室溫電導率可在大范圍內變化等優點。據估計,納米薄膜將在壓阻傳感器、光電磁器件及其它薄膜微電子器件中發揮重要作用。
納米固體
納米固體是由大量納米微粒在保持表(界)面清潔條件下組成的三維系統,其界面原子所占比例很高,因此,與傳統材料科學不同,表面和界面不再往往只被看成為一種缺陷,而成為一重要的組元,從而具有高熱膨脹性、高比熱、高擴散性、高電導性、高強度、高溶解度及界面合金化、低熔點、高韌性和低飽和磁化率等許多異常特性,可以在表面催化、磁記錄、傳感器以及工程技術上有廣泛的應用。
總體而言,目前對納米材料的研究主要有兩個方面。一是探索新的合成方法,發展新型的納米材料。二是系統地研究納米材料的性能、微結構和譜學特征等,對照常規材料探究納米材料的特殊規律,建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。
1.按照材質,可分為金屬納米材料、無機納米材料、有機納米材料等;
2.按照幾何結構,可分為零維納米材料(顆粒)、一維納米材料(納米管或纖維)、二維納米材料(薄膜)、三維納米材料(納米塊體);
3.按照用途,可分為功能納米材料和結構納米材料; 4.按照特殊性能,又可分為納米潤滑劑、納米光電材料、納米半透膜等等
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