纳米材料的发展

摘要：近年来纳米科技迅速发展，纳米技术得到了广泛应用，本文将介绍纳米科技的发展史和本人对纳米科技的认识、并对未来纳米技术发展进行展望。 关键词：纳米科技、发展史、展望 正文

1:纳米材料和纳米效应

纳米材料：是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，并具有由纳米效应引起具有优于常规块体材料性质的材料。

纳米效应：表面效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。 纳米效应

（1） 表面效应

对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。

由于表面原子数增多, 原子配位不足及高的表面能, 使这些表面原子具有高的活性, 极不稳定,很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中,这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合在一起,而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒子述可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而结合在一起。 （2）小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长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附近原子密度减小, 导致声、光电磁学、热学、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。这区别于表面效应，表面效应的由于表面原子排布和内部不同，小尺寸效应由于其尺寸和光波等尺寸相当，如当颗粒尺寸和光波长相同时，颗粒回吸收光波，会使某些原本透明的材料变黑。其纳米微粒的小尺寸效应使其具有独特的物理化学性能, 从而拓宽了材料的应用范围。如当颗粒的粒径降到纳米级时, 材料的磁性就会发生很大变化, 如一般铁的矫顽力约为80A/m, 而直径小于20nm的铁,其矫顽力却增加了1000倍,可用于制造磁卡;利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸, 控制吸收边的位移, 制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料,可用于电磁波屏蔽、飞机等。若将纳米粒子添加到聚合物中, 不但可以全面改善聚合物的力学性能, 甚至还可以赋予材料新性能。 （2） 宏观量子隧道效应

微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化, 这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用, 如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等, 都具有重要意义.

2.纳米材料的发展史

2.1纳米科技提出前的纳米材料的于应用

在纳米科技概念提出之前人类就开始无意识得制备纳米材料，如在中国1000年前人们收集燃烧的蜡烛来收集碳墨的原料和染料。我国古代铜镜表面长久不生锈钝，经过检验其表面有一层纳米氧化锡。

50年代前后在纳米材料纳米技术的概念提出前，纳米材料有一个重大的应用。制备氧化铁纳米粉体用于制备分离膜，用于铀的浓缩。

原子弹的制备必须要有铀235浓度大于85%-90%武器级浓缩铀，而自然界中的铀235含量只有0.7%，铀235和铀238是同位素，难与分离。在离心分离法提出之前只能用气体扩散法来分离。基本原理是：在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的气体分子 (例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。这样,通过膜以后，轻分子的含量就会提高，从而达到同位素分离的目的。

对于六氟化铀气体，气体扩散法的理想单级浓缩系数为4.29×10-3。在实际扩散机中,浓缩系数远不能达到理想值，70年代末80年代初，最高水平可达2×10-3。由于气体扩散法的一次分离系数很小，在生产中需要把很多级按一定方式连接成级联。简单串联级联见图1 ，通过膜后的气体（精料）送入前一级，未通过膜的气体（贫料）送入后一级,铀235逐级加浓。级联还有并联、搭接等多种形式。要得到90％丰度的铀235同位素,就需要3000～4000个扩散机组成的长达几千米的级联装置。

在这中工艺方法中其中最重要的是制备出高质量的分离膜，这种分离膜具有微细多孔结构的膜片。微孔可普通气流，而容许扩散流通过，因此可以利用质量差异来进行同位素分离。要提高分子扩散的效率，这要求有很薄的膜厚和孔隙半径小、很高的孔隙率，同时要求在高温的和有腐蚀性的六氟化铀工艺气体中，仍然保持稳定、可靠性和一定的机械强度。常规颗粒烧结出来的分离膜无论在膜厚、孔隙半径、孔隙率等都难以满足要求。必须使用粒径分别很窄的纳米粉体烧结。

在其他纳米粉体还没产生前，据称各国生产出数吨级的氧化铁纳米粉体用于生产分离膜。

第二次世界大战结束后，美国的实践证明，气体扩散法能够用来大规模生产铀 235。它是目前最成熟的大规模分离铀同位素的方法，是对各种新的浓缩方法的大规模商业应用的挑战，是比较各种方法的基本点。美国和法国大型气体扩散工厂的分离功率达1万吨/年以上，比能耗均在 2400千瓦•时/千克左右。

这引发我们思考：是先有理论还是先有实践？我们发现在材料学领域很多理论都是马后炮、而且很多理论都事实逻辑基础不是很牢固，有些最后证实是错误的。难怪有的人说材料学90%都是伪科学、搞物理学的最近才承认有材料学存在。所以做材料必须以实验为根本、只一些把一些理论当经验而不是把它圣神化成决定真理。

2.2纳米材料纳米技术概念的提出

1959年著名的物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费曼发表了关于纳米的最早梦想，他预言，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品。

1970年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，向世界展示了一个可见的原子、分子世界，这对纳米科技发展产生了积极的促进作用。 2.3纳米材料特殊的性质的发现

1984年纳米材料德国物理学家格莱特（Grant）惰性气体蒸发原位加压法制备纳米陶瓷，并发现了纳米增韧效应。引发了广泛关注

那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响：晶粒越小，强度就越高。 格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入：如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！

格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验。经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。

格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩：瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色──黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地”的变化。

著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。