納米科學技術(shù)與納米材料發(fā)展

　　20世紀80年代，納米材料體系開始為科學家所關(guān)注，目前已成為跨世紀材料科學研究的熱點。 ?納米科學技術(shù)? 納米科學技術(shù)是在0.1~100?nm尺度上研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象,并由此發(fā)展起來的多學科的、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新的科學技術(shù).它是現(xiàn)代物理(介觀物理、量子力學、混沌物理和分子生物學等)和先進工程技術(shù)(計算機、微電子和掃描隧道顯微鏡等技術(shù))結(jié)合的產(chǎn)物.

　　? ?研究納米科技的背景和意義：目前，人類廣泛應(yīng)用的功能材料和元件,其尺寸遠大于電子自由程,觀測的電子輸運行為具有統(tǒng)計平均結(jié)果.描述這些性質(zhì)的主要是宏觀物理量,現(xiàn)已有成熟的理論和技術(shù)。當功能材料和元件的尺寸逐漸減小到納米量級時,其物理長度與電子自由程相當,載流子的輸運將有明顯的量子力學特征,傳統(tǒng)的理論和技術(shù)已不再適用。因而,需要發(fā)展基于電子的波動性、電子的量子隧道效應(yīng)、電子能級的不連續(xù)性、量子尺寸效應(yīng)和統(tǒng)計漲落等特性的新的理論和新的技術(shù)。傳統(tǒng)科學技術(shù)中元件尺寸是從毫米向微米過渡，現(xiàn)在在新技術(shù)、新效應(yīng)的應(yīng)用中，功能元件的尺寸要求從微米向納米過渡。如果再進一步發(fā)展,需要組裝性能更新穎、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的功能元件，就需要開發(fā)新材料和相應(yīng)的組裝技術(shù),也就更需要多學科的協(xié)作與交叉發(fā)展。因此，從80年代后期開始逐漸發(fā)展起來了一個新的綜合性的多學科交叉的研究領(lǐng)域———納米科學技術(shù)。納米科學技術(shù)的誕生將對生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。并且有可能從根本上解決人類面臨的一系列問題，例如糧食、健康、能源和環(huán)境保護等重大問題。

　　? 納米材料學： 納米材料學是納米科技領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的學科。納米材料學主要研究納米材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用等，是納米科技與材料學交叉而成的邊緣學科。納米材料的特性，在生產(chǎn)實踐中人們發(fā)現(xiàn)，如果將宏觀尺度的物質(zhì)微細化到納米尺度，這種納米顆粒在性能上就表現(xiàn)出與原宏觀尺度物質(zhì)完全不同的性質(zhì)，人們將這種納米顆粒稱為“物質(zhì)的新狀態(tài)”。納米物質(zhì)之所以表現(xiàn)出這些奇異的性能，主要是由于物質(zhì)進人納米尺度后表現(xiàn)出了一些宏觀物質(zhì)不具備或在宏觀物質(zhì)中可忽略的物理效應(yīng)。據(jù)目前人們對納米顆粒的研究，這些效應(yīng)主要有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。表面效應(yīng)，處于物質(zhì)內(nèi)部的粒子和處于物質(zhì)表面的粒子其狀態(tài)完全不同，后者具有很高的能量和化學活性，當物質(zhì)的尺度進人納米量級，納米材料的表面效應(yīng)可增加材料的化學活性、降低熔點等。利用這一特性可制作高效催化劑、敏感元件、用于高熔點材料冶金等。目前已成熟的粉末冶金法及無機材料行業(yè)在一定程度上就是利用了這一原理。?量子尺寸效應(yīng)： 對于納米粒子，能帶中能級間隔增大;當能級間距大于熱能、磁能、電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，物質(zhì)就會呈現(xiàn)出一系列與宏觀物質(zhì)截然不同的反常特性，這就是量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會導(dǎo)致納米物質(zhì)在磁、電、光、聲、熱以及超導(dǎo)性等方面表現(xiàn)出與宏觀物質(zhì)顯著不同的特性。例如，導(dǎo)電的金屬在納米狀態(tài)下變成絕緣體。小尺寸效應(yīng)? 當固態(tài)物質(zhì)的粒子尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特性尺寸相當或更小時，晶體周期性邊緣條件將破壞，非晶質(zhì)的表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱等特性發(fā)生顯著改變，即謂之小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)為納米物質(zhì)的實用技術(shù)開拓了新領(lǐng)域，如果磁性物質(zhì)當其處于納米尺度時具有很高的矯頑力，可以制成磁卡，或制成磁性液體，廣泛用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、選礦等領(lǐng)域。 宏觀量子隨道效應(yīng)：人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀的量如納米顆粒的磁化強度、量子相干器中磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)早期曾被用來解釋納米鎳在低溫下繼續(xù)保持超順磁性等，后來發(fā)現(xiàn)在許多納米物質(zhì)中普遍存在。量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)一起將會是未來電子器件的基礎(chǔ)，一方面它指出了現(xiàn)有電子器件微型化的發(fā)展方向，同時又確定了其限度。?

　　納米材料的制備方法? 制備高純、超細、均勻的納米微粒，發(fā)展新型的納米材料，就顯得格外重要。通常，納米微粒制備的要求是:(l)表面潔凈;(2)粒子形狀及粒徑、粒度分布可控，防止粒子團聚;(3)易于收集;(4)有較好的穩(wěn)定性;(5)產(chǎn)率高。隨著納米微粒研究的深入，對納米超細微粒提出了不同的物理、化學特性需求，而解決問題的關(guān)鍵就在于研究、發(fā)展新的合成技術(shù)，并實現(xiàn)納米材料的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化。納米超細微粒的制備方法很多，總體上可分為物理方法和化學方法，以物料狀態(tài)來分可歸納為固相法、液相法、氣相法，進而發(fā)展、衍生出模板合成法。具體包括固相物質(zhì)熱分解法，物理粉碎法，高能球磨法，水熱合成法，表面化學修飾法，化學沉淀法，膠體化學法，溶膠—凝膠法，電解法，激光加熱蒸發(fā)法，氣相等離子體沉積法等。合成的方法各有優(yōu)缺點，通常存在的問題往往是反應(yīng)需要高溫、大量使用有機溶劑、過程控制復(fù)雜、設(shè)備操作費用昂貴、顆粒均勻性差、粒子容易粘結(jié)或團聚等。因此，需要根據(jù)對納米材料的不同要求和特點，選擇研究不同的合成方法。由納米粉體制備具有極低密度、高強度的催化劑、金屬催化劑載體以及過濾器等工藝有待改進。宇紅納米采用電爆法，是一種物理方法，具有產(chǎn)量高，活性高，雜質(zhì)少，無污染等的特點。

　　? 納米技術(shù)的前景：現(xiàn)在很多國家，尤其是美國、日本和歐洲都非常重視發(fā)展納米技術(shù)，他們在納米技術(shù)研究和應(yīng)用方面投人的經(jīng)費成倍地增加，我國政府也十分重視納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用。據(jù)有些科學家分析，我國目前納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究處于高速發(fā)展期。