納米材料研究現狀探析論文

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一、納米材料研究的現狀

自70年代納米顆粒材料問世以來，80年代中期在實驗室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學和凝聚態物理研究的前沿熱點是在80年代中期以后。從研究的內涵和特點大致可劃分為三個階段。

第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結構的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。

第二階段（1994年前）人們關注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復合，納米微粒與常規塊體復合及發展復合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導方向。

第三階段（從1994年到現在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構的材料體系越來越受到人們的關注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。

如果說第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機性，那么這一階段研究的特點更強調人們的意愿設計、組裝、創造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學家費曼曾預言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實現費曼預言，創造新奇跡的起點。美國加利福尼亞大學洛倫茲伯克力國家實驗室的科學家在《自然》雜志上，指出納米尺度的圖案材料是現代材料化學和物理學的重要前沿課題?？梢姡{米結構的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導方向。

二、納米材料研究的特點

1、納米材料研究的內涵不斷擴大

第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90％，孔徑大小為納米級，這就導致孔隙間的材料實際上是納米尺度的微?；蚪z，這種納米結構為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個三維空間。納米管的出現，豐富了納米材料研究的內涵，為合成組裝納米材料提供了新的機遇。

2．納米材料的概念不斷拓寬

1994年以前，納米結構材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現在納米結構的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結構材料內涵變得豐富多彩。

3．納米材料的應用成為人們關注的熱點

經過第一階段和第二階段研究，人們已經發現納米材料所具備的不同于常規材料的新特性，對傳統工業和常規產品會產生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實驗室的成果轉化為規模生產，據不完全統計，國際上已有20多個納米材料公司經營粉體生產線，其中陶瓷納米粉體對常規陶瓷和高技術陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環保、能源、醫藥等領域的應用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開。納米材料及其相關的產品從1994年開始已陸續進入市場，所創造的經濟效益以20％速度增長。

三、納米材料的發展趨勢

1．加強控制工程的研究

在納米材料制備科學和技術研究方面一個重要的趨勢是加強控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結構的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應都同時在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻大小、強弱往往很難區分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現象的解釋帶來困難，同時也給設計新型納米結構帶來很大的困難。如何控制這些效應對納米材料性能的影響，如何控制一種效應的影響而引出另一種效應的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面：一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質和表面的修飾可以改變表面帶電狀態、表面結構和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態（連續分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應和滲流效應；三是通過設計納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。

2．近年來引人注目的幾具新動向

（1）納米組裝體系藍綠光的研究出現新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發現了藍綠光發光強度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經紫外輻照或氧化也發藍綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發下發射極強的藍綠光，比多孔Si的最強紅光還高出1倍多，250nm波長光激發出極強的藍光。

（2）巨電導的發現。美國霍普金斯大學的科學家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強的高電導現象，當金顆粒的體積百分比達到某臨界值時，電導增加了14個數量級；納米氧化鎂銦薄膜經氫離子注入后，電導增加8個數量級；

（3）顆粒膜巨磁電阻尚有潛力。1992年，納米顆粒膜巨磁電阻發現以來，一直引起人們的關注，美國布朗大學的科學家最近在4K的溫度下,幾個特斯拉的磁場，R/R上升到50％，目前這一領域研究追求的目標是提高工作溫度，降低磁場。如果在室溫和零點幾特斯拉磁場下，顆粒膜巨磁阻能達到10％，那么就將接近適用的使用目標。目前國際上科學家們正在這一領域努力。

（4）納米組裝體系設計和制造有新進展。美國加利福尼亞大學化學工程系成功地把納米AU顆粒組裝到DM的分子上形成納米晶分子組裝體系；美國利用自組裝技術將幾百支單壁納米碳管組成晶體索"Ropes"，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于10－4W／cm；將納米三碘化鉛組裝到尼龍（nylon－11）上，在X射線照射下具有強的光電導性能，利用這種性能為發展數字射線照相奠定了基礎。