纳米材料(纳米材料的基本知识)

1.纳米材料的基本知识

从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料（nanometer material），是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子（nano particle）组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1~100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料

光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。 纳米粒子的粒径（10纳米~100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。

2.有关于纳米的知识

什么是纳米？ 纳米是尺寸或大小的度量单位，是一米的十亿分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→纳米）， 4倍原子大小，万分之一头发粗细。

纳米技术是是指制造体积不超过数百个纳米的物体，其宽度相当于几十个原子聚集在一起。 纳米科技及其研究内容 纳米科学技术是研究在千万分之一米（10-8）到亿分之一米（10-9米）内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。

用扫描隧道显微镜的针尖将 原子一个个地排列成汉字， 汉字的大小只有几个纳米。纳米科技的研究内容包括： 创造和制备优异性能的纳米材料，设计、制备各种纳米器件和装置，探测和分析纳米区域的性质和现象 。

纳米科技研究目标和可能的应用 材料和制备：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复； 微电子和计算机技术：2010年实现线条为100nm的芯片，纳米技术的目标为：纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统； 医学与健康 快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物“导弹”技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统 航天和航空 低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料 环境和能源 发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境； 孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物；纳米颗粒修饰的高分子材料 生物技术和农业 在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。

生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。 纳 米 技 术 简 介 纳米（nanometer）：长度单位的一种，1纳米=10-9米，即十亿分之一米。

大约相当于头发粗细的八万分之一。“nanometer“"源自拉丁文，意思是"矮小"。

纳米的确微乎其微，然而纳米构建的世界却是神奇而宏大的。21世纪，信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术是科学技术发展的主流。

人们普遍认为，纳米技术是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础。纳米技术所带动的技术革命及其对人类的影响，远远超过电子技术。

纳米技术：于细微之处显神奇 纳米技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。由于纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。

纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子"组合"在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种"组合"被称为"超分子"或"人工分子"。

"超分子"的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当"超分子"继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去。

通俗来说，纳米材料一方面可以被当作一种"超分子"，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种非常小的"宏观物质"，以至于表现出前所未有的特性。同时， 许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对生命科学的理解。

对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合他们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农业等方面。

纳米材料：材料科学领域的前沿 纳米科技发展中，纳米材料是它的前导，因为纳米材料集中体现了小尺寸、复杂结构、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一，可能会产生全新的物理、化学现象。现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或儿千个原子、分子的 "颗粒"。

这些"颗粒"的尺寸只有几个纳米，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧，发生爆炸。

有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力。另外，用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可加快化学反应过程，大。

3.关于纳米的知识

什么是纳米？

纳米是尺寸或大小的度量单位，是一米的十亿分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→纳米）， 4倍原子大小，万分之一头发粗细。纳米技术是是指制造体积不超过数百个纳米的物体，其宽度相当于几十个原子聚集在一起。

纳米科技及其研究内容

纳米科学技术是研究在千万分之一米（10-8）到亿分之一米（10-9米）内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 用扫描隧道显微镜的针尖将 原子一个个地排列成汉字， 汉字的大小只有几个纳米。纳米科技的研究内容包括： 创造和制备优异性能的纳米材料，设计、制备各种纳米器件和装置，探测和分析纳米区域的性质和现象 。

纳米科技研究目标和可能的应用

材料和制备：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复；

微电子和计算机技术：2010年实现线条为100nm的芯片，纳米技术的目标为：纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统；

医学与健康 快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物'导弹'技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统

航天和航空 低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料

环境和能源 发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境； 孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物；纳米颗粒修饰的高分子材料

生物技术和农业 在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。

4.纳米的知识

纳米（nm），又称毫微米，是长度的度量单位，1纳米=10^-9米。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。

其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。

纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。

有资料显示，2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的第二大产业。

5.纳米材料有什么优点知识

纳米材料的优点：

除味、杀菌、韧性强、延长老化时间等。

缺点：

一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。

二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。

三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒内。

位错与晶粒大小之间的关系为：

1）当晶粒尺寸在50~100nm之间，温度<0.5mTm时，位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小，位错的作用开始减小。

2）当晶粒尺寸在30—50nm时可认为基本上没有位错行为。

3）当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。

4）当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶粒的理论切应力。

【扩展】

纳米材料

①纳米定义：纳米是长度单位，1nm=10-9m即：十亿分之一米；

②当材料的微粒小到纳米尺寸时，材料的性能就会发生显著变化.如：黄金在正常情况下呈金黄色，而它的纳米颗粒却变成了黑色，且熔点显著下降；

6.纳米材料

纳米是一个长度单位。

我们知道，1米=100厘米，1厘米=10毫米，那么1米又等于多少纳米呢？1米=1000000000纳米，即1米=109纳米。可见1纳米是很小很小的长度单位。

1980年的一天，在澳大利亚的茫茫沙漠中有一辆汽车在高速奔驰。驾车人是德国物理学家格兰特教授，他正独自横穿澳大利亚的一个大沙漠。

阳光照射在无边无际的沙漠上，细小的沙粒晶体反射着光线，灼灼发亮。寂寞、孤独和空旷的环境，使格兰特的思维特别活跃和敏锐，他长期从事晶体材料研究，知道晶体中的晶粒虽然微小，却对材料性能有极大影响，晶粒越小，材料的强度越高。

望着茫茫无际的巨大沙丘，格兰特想到它们都是由微小的沙粒组成的：如果组成材料的晶粒细到只有几个纳米那么大，材料的性能又会是怎样的呢？这次旅行给了格兰特很大的启发。 回国后，他立即开始实验。

1984年，他终于得到了只有几个纳米大的超细粉末，而且他发现，任何材料都可以制成纳米大小的超细粉末。更有趣的是，一旦变成纳米大小的粉末，无论是金属还是陶瓷，从颜色上看都是黑的，其性能也就发生了天翻地覆的变化。

纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。 无论在航天还是在军事或民用工业中，纳米材料都显示出了巨大的优越性。