纳米技术前景展望

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇纳米技术前景展望范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文简单阐述了纳米材料的基本性质和制备方法。从物理理论和实际应用两方面揭示了纳米技术的瑰丽前景。对纳米材料未来的研究方向和思路做了一定的展望。

关键词：纳米材料；奇异物性；纳米颗粒

中图分类号：O59 文献标识码：A

纳米材料是指在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料。纳米材料具有尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子比例大的四大特点，并且，具有小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应的四大效应。纳米材料特性主要取决于制备方法，当材料颗粒的尺寸进入微米量级（1～100nm）时，由于其尺寸小而表现出一些奇特效应和奇特的物理特性。

一、纳米颗粒基本效应

1.表面与界面效应

纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加，缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合，表现出很高的活性。

2.小尺寸效应

随着颗粒尺寸变小，周期性的边界条件将被破坏，在一定条件下会引起颗粒性质的质变,声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的尺寸效应。由于颗粒尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。例如：光吸收显著增加，所有金属失去光泽，变为黑色。

3.量子尺寸效应和宏观量子隧道效应

对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向的移动。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础。

二、奇异物性

上述四个效应是纳米微粒与纳米团体的基本特性，从而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，出现一些“反常现象”。这就使得它具有许多奇异物性。因而具有广阔的应用前景。

1.奇异的热学性质

(1)熔点降低

由于颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

(2)烧结温度降低（陶瓷材料或难熔金属）

在低于熔点下进行加热烧结,使粉末互相结合成块，使密度接近材料的理论密度的最低加热温度称为烧结温度。

纳米微粒尺寸小，表面能高，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低，烧结速度加快。

2.特殊的光学性能

光的发射与吸收与原子的状态有关,纳米颗粒大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。

(1)宽频带强吸收

大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围．各种颜色(波长)的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳米粒子的反射率为1%，金纳米粒子的反射率小于10%。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。

(2)蓝移现象

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。例如，纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分且是814cm-1和794cm-1。由不同粒径的Si纳米微粒吸收光谱看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。

(3)新的发光光谱

硅是具有良好半导体持性的材料．是微电子的核心材料之一,可美中不足的是硅材料不是好的发光材料．将稀土发光材料加入到纳米氧化物当中，可提高其的发光效率，制得新型的荧光材料。

3.特殊的电学性能

传统的金属是良导体，但纳米金属颗粒却强烈地趋向电中性，如5～15nm纳米铜就不导电了，且电阻随着粒径减小而增大。而原本绝缘的SiO2在20nm时开始导电。

4.特殊的力学性质

(1)陶瓷材料的良好韧性

因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力的作用下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。

(2)纳米材料的强度、硬度和塑性

纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。金属-陶瓷的复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。纳米材料的代表之一：碳纳米管，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，是纳米技术研究的热点，它将是未来制造业的首选材料。

5.特殊的磁学性质

(1)磁性材料

所谓磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料。

任何物质在磁场作用下都会处于磁化状态，但各物质的磁化强度却有很大的不同。

(2)纳米材料的特殊磁学性质

纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶材料不具备的磁特性。纳米微粒的主要磁特性表现在它具有超顺磁性或高的矫顽力上。

A矫顽力提高

矫顽力的大小反映了铁磁物质保留剩磁的能力。

10～25nm的铁磁性金属颗粒的矫顽力比相同的常规材料大1000倍.。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。

B.铁磁性到超顺磁性转变

纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。

特点：在磁场中极易磁化，但当外加磁场消失时其磁性消失。

原因：由于磁性颗粒尺寸减小到一定值时，各向异性能与热运动能可相比拟．磁化颗粒就不再固定存一个易磁化方向，易磁化方问作无规则的变化。

三、纳米材料的制备技术

制备技术是纳米科技的关键。影响纳米材料的微观结构和宏观性能。通过不同的制备技术可以得到纳米颗粒材料、纳米膜材料、纳米固体材料等等。

很久以前,我国人们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉，实际上就是纳米粉体。在科学技术高度发展的今天．人工制备纳米材料的方法得到了很大的发展。通常采用两个不同的途径得到纳米材料：

纳米材料需要制备成各种形式以满足各种应用的需要，纳米固体(块体、膜)是重要的形式。它的制备方法是近几年逐渐发展起来的。

由于纳米陶瓷呈现出许多优异的持性，因此引起人们的关注。目前，材料科学工作者正在摸索制备具有高致密度的纳米陶瓷的工艺。

参考文献

[1]钟宁.纳米材料的特性及制备方法[J].湖南有色金属，2000，16(2)：28-30.

[2]Rosse tti R.E llison J.L G ibson J.M.et a.l .J.Chem.Phys.1984，80(9)：4464.

[3]雷秀娟.纳米材料的力学性能[D].陕西：西北工业大学，2001.

[4]Stoner E C，Wohlfarth E P.A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys [J].Proc.Phys.Soc，1948，240：599-605

[5]Bean C P，Livingston J D.Superparamagnetism [J].Appl.Phys，1959，30：120-129.