楊志廣 趙朗 馮麗

摘 要： 納米材料是21世紀(jì)最有前途的新型材料之一，具有很多獨(dú)特而優(yōu)異的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了納米材料的基本特性，包括表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，介紹了納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞： 納米材料 特性 應(yīng)用

納米科技是21世紀(jì)快速發(fā)展的主流科技之一，交叉性、綜合性很強(qiáng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。納米材料是納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)，被稱(chēng)為“二十一世紀(jì)新材料”，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，成為人們目前研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。納米材料基本組成單元的尺寸在1～100納米范圍內(nèi)，而且基本單元至少有一維處于納米尺度范圍，同時(shí)具有常規(guī)材料不具備的優(yōu)異性能[1]。納米材料特殊的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等特性，已經(jīng)在當(dāng)前高速發(fā)展的各個(gè)科技領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響。本文闡述了納米材料的基本特性，介紹了納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并展望了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

一、納米材料的特性

1.表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而急劇增大的現(xiàn)象[2][3]。由于表面原子數(shù)增多，表面能高，原子配位數(shù)不全，存在嚴(yán)重的缺位狀態(tài)，很不穩(wěn)定，活性極高，極易與其他原子結(jié)合，從而產(chǎn)生一些新穎的效應(yīng)。如利用這一特性，金屬超微顆粒可以作為新一代具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。

2.量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子的尺寸小到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象就是量子尺寸效應(yīng)[4][5]。相鄰電子能級(jí)EF為費(fèi)米能級(jí)。對(duì)于大粒子或宏觀物體包含無(wú)限個(gè)原子，即宏觀物體的能級(jí)間距幾乎為零，即能級(jí)是連續(xù)的；而對(duì)于納米粒子而言，其包含的原子數(shù)十分有限，N值很小，于是δ就有一定的數(shù)值，即能級(jí)是分裂的，呈現(xiàn)為離散能級(jí)。因此，當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、光子的能量等時(shí)，就要考慮量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致納米粒子與宏觀物體的特性顯著不同。如在超細(xì)顆粒態(tài)下的金屬導(dǎo)體可以成為絕緣體，譜線發(fā)生藍(lán)移。

3.小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性出現(xiàn)特殊變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(yīng)[6]。如在納米尺寸下，材料熔點(diǎn)降低、微波吸收增強(qiáng)等。

4.宏觀量子隧道效應(yīng)

納米粒子的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，也就是說(shuō)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)[7]。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)。

二、納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域

納米材料的基本特性使其在力、光、電、磁、熱等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的一系列新穎的物理和化學(xué)特性。因此納米材料在催化、陶瓷、化工、環(huán)境、生物和醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。

1.在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作為催化劑對(duì)催化反應(yīng)如氧化、還原、裂解等反應(yīng)都有很高的活性和選擇性，能加快反應(yīng)速率，使難以進(jìn)行的反應(yīng)順利進(jìn)行。例如，使用納米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃燒效率達(dá)100倍以上。

2.在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重，而納米光催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究日益受到重視，如醇與烴的氧化，無(wú)機(jī)離子氧化還原，固氮反應(yīng)，水凈化處理，等等。納米光催化劑光催化作用機(jī)理一般是在一定波長(zhǎng)的光波照射下，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，這些電子和空穴能使空氣中的氧或水中的溶解氧活化，產(chǎn)生活性氧及自由基等高活性基團(tuán)，反應(yīng)關(guān)系式如下：

3.在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米材料在生物醫(yī)學(xué)中檢測(cè)診斷、靶向藥物輸送、生物分子檢測(cè)、磁共振成像增強(qiáng)及健康預(yù)防等許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景。如利用具有獨(dú)特孔狀結(jié)構(gòu)特性的碳納米管能夠?qū)崿F(xiàn)藥物可控釋放；以光感應(yīng)器做開(kāi)關(guān)的納米機(jī)器人，可以疏通腦血管中的血栓，殺死癌細(xì)胞等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米材料最成功的應(yīng)用是作為藥物載體（如納米膠囊）、生物芯片、納米生物探針和制作人體材料，如人工腎臟、人工關(guān)節(jié)等。

4.在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米技術(shù)和其他所有技術(shù)一樣，將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著不可估量的作用。例如：納米機(jī)器人、納米飛機(jī)、蚊子導(dǎo)彈等許多無(wú)人化設(shè)備將在偵察預(yù)警、指揮控制和精確打擊等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用；納米衛(wèi)星組成的衛(wèi)星監(jiān)視網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)觀察到地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)爭(zhēng)變得更加透明；納米隱身技術(shù)可以最大限度地隱藏自己，同時(shí)千方百計(jì)地尋找和發(fā)現(xiàn)敵人，起到武器裝備隱身的目的，如用做隱形飛機(jī)涂料的納米ZnO對(duì)雷達(dá)電磁波具有很強(qiáng)的吸收能力。

5.在精細(xì)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米材料在精細(xì)化工，如橡膠、塑料、涂料等領(lǐng)域也扮演著重要角色。例如，摻雜納米SiO2可以提高橡膠的抗紫外輻射能力。而為了提高塑料的強(qiáng)度、韌性、致密性、防水性等，生產(chǎn)時(shí)通常在塑料中添加一定的納米材料。

6.在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

陶瓷材料在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，而納米陶瓷可以克服傳統(tǒng)陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性，并在超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的條件下起到其他材料不可替代的作用，應(yīng)用較為廣泛。

7.在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用外，納米材料在諸如電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)、航空航天、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、化妝品工業(yè)等其他領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

三、展望

“誰(shuí)輸?shù)袅思{米，誰(shuí)就輸?shù)袅宋磥?lái)”，這已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)。正如錢(qián)學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：“納米科技將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命”，由此可見(jiàn)納米科技的重要性。納米材料是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但從納米材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，目前其研究還面臨很多問(wèn)題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如合成方法復(fù)雜、單分散的納米粒子或納米線的可控制備、生長(zhǎng)機(jī)制還不完全清楚、缺乏系統(tǒng)的性能研究，等等。但我們有理由相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，制備和改性技術(shù)的不斷完善，納米材料在未來(lái)將會(huì)在更多領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：周口師范學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（ZKNUDXS2014-052）；周口師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目（K201433）。