纳米粒子及其材料的应用，本文主要内容关键词为：粒子论文,纳米论文,材料论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
纳米粒子是近年来科学上的一项重大发现，而纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一，已成为当今许多学科的研究热点之一。
1959年，美国著名的物理学家费因曼（R.P.Feynman ）在一次题为“在底部还有大量的余地”的演讲中提出一个大胆的设想：“如果有一天能够按人们的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹？”今天这一美好的愿望已经成为现实，而创造这一奇迹的就是纳米技术。目前人们已经能够制备包括几十个到几万个的纳米粒子，并把它作为基本构造单元，适当排列成零维的量子点、一维的量子膜和三维的纳米固体。而且，由纳米粒子构成的纳米材料具有相同物质的传统材料所不具备的奇特性能。
1 基本概念
纳米粒子（亦称团簇、超微粒、量子点等）一般是指尺寸在1nm ～100nm之间的粒子，它处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域， 纳米粒子系统既非典型的微观系统，亦非宏观系统，而是介于二者之间的典型的介观系统，近年来随着对纳米微科的深入研究和应用，出现了多相复合纳米材料，即纳米复合材料，它大致包括3种类型。一种是0-0复合，即不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体，第二种0-3复合，即把纳米粒子分散到常规的三维固体中，例如，把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中，或者放入常规的金属、高分子及陶瓷中。第三种是0-2复合材料中，即把纳米粒子分散到二维薄膜材料中，这种0-2复合材料可分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。
2 纳米粒子的基本特性
体积效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相于长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性均随尺寸的减小而发生显著变化。例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态变为无序态；超导相向正常相转变；声子谱发生改变等等，这些均由尺寸减小导致，称为体积效应。
表面与界面效应：由于纳米微料的尺寸小、表面能高、比表面积大、材料中表面缺陷浓度较大、表面所占据的比例较大、表面原子有很大的活性，由此引起的一些性能改变就是表面和界面效应。这种表面原子的活性不但引起纳米晶粒表面原子输运和构型的变化，同时引起表面电子自旋、构象和电子能谱的变化。
量子尺寸效应：当粒子尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级、能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。由于量子尺寸效应，以然导致纳米材料的磁、光、声、电及超导电性与宏观特性有显著的不同。
介电限域效应：随着纳米粒子粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电场线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质会发生较大的变化，这就是介电限域效应。该效应的出现使得纳米粒子表面极化能（为负值）明显增大了，当这种表面效应引起的能量变化大于电子与空穴之间的空间作用能所引起的能量变化时，能带间隙即减小，反映在光学性质上就是吸收光谱明显表现为向长波方向移动（即红移）。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。
3 纳米和纳米复合材料的应用
纳米光学材料：纳米微粒由于体积效应使它具有常规材料不具有的光学特性。例如，用SiO[,2]纳米微粒制成的光纤对波长大于600nm光的传输损耗小于10dB／km。
纳米半导体材料：纳米半导体中的量子遂道效应，使某些材料的电子输运反常；导电率降低；电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值，这些特性在大规模集成电路器件、薄膜晶体选择性气体传感器、光电器件及其它应用领域发挥重要的作用。
纳米磁性材料：纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质。如具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比r－Fe[,2]O[,3]高几十倍。纳米级微粉录像带已投放市场。此外，超顺磁的强磁性纳米颗粒还可以制成磁性液体，广泛应用于电声器件、阻尼器件、旋转封、润滑、选矿等领域。
纳米陶瓷材料：纳米陶瓷晶粒容易在其它晶粒上运动。因此，具有极高的强度和高韧性及延展性。这些特性使纳米陶瓷材料在常温或次高温下进行冷加工成为可能。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
纳米催化材料：由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的键态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，因此是一种极好的催化剂，而且具有粒径小、密度小、反应活性高等许多优点。如Ni或Cu－Zn化合物的纳米颗粒对某些有机物的氢化反应是很好的催化剂，虽然纳米级的催化剂仍处于实验室阶段，但前景广阔。
我国著名科学家钱学森于1991年预言：“我认为纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命”。目前纳米技术已经渗透到电子学、分子生物学、量子力学、计算机科学等领域内，形成了以纳米技术为核心的新的高科技群。美国IBM 公司首席科学家阿姆斯特朗认为：“正像70年代微电子技术产生了信息革命，纳米技术将成为下一个信息时代的核心”。可见，纳米粒子和纳米科技的诞生将会实现生产方式的飞跃，将会对人类社会发展和进步产生重大而深远的影响。