浅谈纳米材料

“材料起源、发展及未来”课程论文

摘要：纳米材料是决定现代社会发展的决定性技术之一，纳米材料的发展代表了目前人类高端技术的发展，文章主要写了纳米材料的介绍及发展历程，纳米材料的技术特性，纳米材料的现状，纳米材料在各个学科方面应用，以及纳米材料的美好前景的展望。

一、 纳米材料的介绍及发展历程

纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位。

就现在来看，一般认为纳米材料包括了两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料在此时的物理化学性质发生了明显的改变。

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。

纳米材料是在20世纪中期研制成功的，之后发展也越来越迅速，一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

二、纳米材料的技术特性

（1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧

道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

不仅如此，教授还给我们介绍了纳米材料的现状以及在一些学科中的应用。

三、纳米材料的现状及应用

就此方面，教授主要介绍了我国的纳米材料发展情况，以及上海大学的研究情况。在纳米研究领域，因为我国对此认识较早，所以在一些技术方面，与国际上的发达国家相差不大，特别是在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子操控等方面研究较为系统，纳米材料主要以金属和非金属纳米材料为主，而且高分子和化学合成材料也是一个重要的方面，可是，在有些方面，还是和发达国家有一定的差距，比如说，纳米电子学和纳米生物医学等方面。

而上海大学的纳米技术发展情况，教授们也做了简要解说，向我们展示了我们学校的技术研究团队，以及一些先进的科学仪器，和我们学校的一些院士，介绍了我们学校取得的一些成果和在国际上的一些奖项。

与传统材料相比，纳米材料具有高强度、高扩散性、高可塑性、低密度、高电阻、高比热、低热导率等特殊性能，所以，纳米材料在多个领域都有广泛应用。如纳米陶瓷材料，传统陶瓷材质脆，烧结温度高，而应用纳米材料烧制后，就可以在常温和次高温下将陶瓷烧制而出，然后做表面退火处理，就能做出化学稳定性好，而内部仍具有纳米材料高延展性的新型陶瓷。还有纳米传感器，检查的灵敏度比一般的传感器高了很多。纳米半导体材料，它的一些特性在大规模集成电路器件以及光电器件等领域发挥了重要作用。甚至可以制作出效率高的、能在阴天工作的太阳能电池，还能用新型的材料利用太阳能催化分解一些有机物和无机物。另一方面，纳米材料不仅仅能利用于工业等领域，还能在生物医学领域大放异彩，在人体内，，纳米粒子的体积比人红细胞还要小，能在血液中自由流动，如果将这些纳米粒子制作成有医疗作用的药物，或者对人体进行全方位的疾病检查，就能很轻松的将疾病祛除，其效果比传统的打针吃药要好得多。

四、前景展望

经过几十年的研究和探索，现在，科学家们已经可以在实验室内操纵单个原子。纳米技术飞速发展着，目前，纳米技术还在光学、生物医学、半导体材料等方面高速发展着。可以预测，在不久的将来，纳米材料一定在世界上发出它独有的光彩。虽然，目前纳米技术从整体上看还是处于实验阶段和小规模生产阶段，但不管从哪个方面看，纳米技术对我们来说都是一个不可多得的机遇，同时，也是一个严峻的挑战。在目前看来，上世纪大力发展纳米技术的国家都已步入发达国家行列，所以，我们必须重视纳米技术的研究和发展，为我国在21世纪的腾飞奠定坚实的技术基础。并且，整个人类也会因纳米技术的发展而受益。