第一篇：納米固體材料的特性及應(yīng)用

納米固體材料的特性及應(yīng)用

摘要

本文闡述了納米固體材料的概念及歷史，說明了納米固體材料的結(jié)構(gòu)和由它引起的特性，介紹了納米固體材料的各種應(yīng)用。

關(guān) 鍵 詞：納米固體材料

特性

應(yīng)用

納米材料是目前材料科學(xué)研究的一個熱點(diǎn), 是21 世紀(jì)最有前途的領(lǐng)域。由于納米材料具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)等性能, 廣泛應(yīng)用于宇航、國防工業(yè)、磁記錄材料、計(jì)算機(jī)工程、環(huán)境保護(hù)、化工、醫(yī)藥、建材、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域, 其市場前景相當(dāng)廣闊。

目前我國從事納米材料生產(chǎn)的企業(yè)有100 多家, 并建立了幾個納米材料研究基地, 有關(guān)科研部門和生產(chǎn)企業(yè)還對納米復(fù)合塑料、納米涂料、納米橡膠和纖維的改性以及納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究和開發(fā), 并取得一定的成果。近年來一些重大的研究成果不斷問世, 如成功合成世界最長的碳納米管, 制成性能優(yōu)良的納米掃描顯微鏡, 合成出高質(zhì)量的儲氫碳納米材料等, 具有國際領(lǐng)先水平。我國已能生產(chǎn)鐵、鎳、鋅、銀、銅、鋁、鈷等金屬納米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等30 多種, 有些產(chǎn)品已達(dá)國際先進(jìn)水平。中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相, 成功開發(fā)以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等為基材的一系列納米材料, 并實(shí)現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化生產(chǎn)。

納米材料一般分為：納米微粒、納米薄膜（多層膜和顆粒膜）、納米固體。

其中納米固體材料是一類有廣闊應(yīng)用前景的新型材料,它是由納米量級的超細(xì)微粒壓制燒結(jié)而成的人工凝聚態(tài)固體。這種材料具有新型的固態(tài)結(jié)構(gòu),其性質(zhì)與處于晶態(tài)或非晶態(tài)的同種材料大不一樣,因此將它稱為納米固體材料。1963年，日本名古屋大學(xué)教授田良二首先用蒸發(fā)冷凝法獲得了表面清潔的納米粒子。1984年，由德國H.格萊特教授領(lǐng)導(dǎo)的小組首先研制成第一批人工金屬固體（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美國阿貢實(shí)驗(yàn)室研制成TiO2納米固體。20世紀(jì)80年代末，合金、半導(dǎo)體和陶瓷離子晶體等人工納米固體相繼問世。納米固體材料具有全新的“類氣態(tài)”結(jié)構(gòu)，性能十分奇特。如納米固體鐵的斷裂應(yīng)力比常規(guī)鐵材料一下子提高了近12倍；納米固體銅又比一般銅材料的熱擴(kuò)散增強(qiáng)了近一倍。更為奇怪的是，普通狀態(tài)下呈脆性的陶瓷，在納米固體材料中卻能被彎曲，其塑性形變竟然高達(dá)100%……來自太空的隕石和海底的錳結(jié)核中，都有超細(xì)微粒成分。人和動物的牙齒之所以特別堅(jiān)硬，也與構(gòu)成它們的物質(zhì)是納米尺度的超細(xì)微粒密切相關(guān)……

納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。由于納米粒子特有的結(jié)構(gòu)，納米粒子或納米固體表現(xiàn)出一系列奇異而獨(dú)特的性質(zhì)，例如：①顆粒為6納米的鐵晶體，其斷裂強(qiáng)度比普通多晶鐵提高約12倍。普通陶瓷在常溫下很脆，而納米陶瓷不僅強(qiáng)度高，而且具有良好的韌性。②納米金屬的比熱容比是普通金屬的2倍，熱膨脹率提高1～2倍。納米晶體熔化時具有所謂準(zhǔn)熔化相的中間相變過程。納米銅晶體的自擴(kuò)散率是普通點(diǎn)陣擴(kuò)散的106～1019倍，這與納米固體中存在較大空隙有關(guān)。③金屬是電的良導(dǎo)體，納米態(tài)下可能變?yōu)榻^緣體。無極性的氮化硅是典型的共價鍵結(jié)構(gòu)和絕緣體，在納米態(tài)下不再是共價鍵結(jié)構(gòu)，而且具有很強(qiáng)的極性，其高頻交流電導(dǎo)急劇增大。一些典型的鐵電體（見電介質(zhì)物理學(xué)）在納米態(tài)下變?yōu)轫橂婓w。④鐵磁性物質(zhì)在納米態(tài)下矯頑力幾乎增大1000倍，但當(dāng)尺寸減小到5納米時，磁有序向磁無序轉(zhuǎn)變，鐵磁性消失變?yōu)轫槾判裕ㄒ姶沤橘|(zhì)）。磁性金屬的磁化率和飽和磁化強(qiáng)度均有很大改變。⑤納米固體在較寬的波長范圍內(nèi)顯示出對光的均勻吸收，幾十納米厚的薄膜相當(dāng)于幾十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金屬對光的反射率很高，而納米金屬微粒的反射率顯著下降，通常低于1％。因等離子共振頻率隨粒子尺寸而變，當(dāng)粒子尺寸改變時，對微波的吸收峰將發(fā)生頻移。

固體的許多性能，在很大程度上取決于原子近鄰間的狀況。納米固體的結(jié)構(gòu)和原子排列的特殊性必將使其與結(jié)構(gòu)相關(guān)的性能發(fā)生相當(dāng)大的變化。納米晶體物質(zhì)的性能與通常的大晶粒多晶物質(zhì)作比較，其差異是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由晶態(tài)到非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)變化所引起性質(zhì)的變化。

不同的化學(xué)組分在原子尺度的合金，是被限制在相圖上所允許的范圍內(nèi)，即嚴(yán)格限制于一些在固態(tài)或熔融態(tài)中能互溶的化學(xué)成分之間。而大多數(shù)化學(xué)組分卻是不互溶的……但是對于納米固體，二元甚至多元的復(fù)合材料，可以通過把不同化學(xué)成分的超細(xì)微粒壓制成多晶固體來獲得，而不必考慮組成部分是否互溶。這樣獲得的納米相復(fù)合材料，還不是在原子尺度上的合金，而是在納米微粒尺度上的合金。但是如果微粒的尺寸達(dá)到有限幾個原子間隙的大小時，兩類合金的差異就大為縮小了。

由較大顆粒制備的常規(guī)材料中，相鄰顆粒界面上的固態(tài)反應(yīng)，由于參與反應(yīng)的物質(zhì)的顆粒和層厚較大，界面附近的原子與體內(nèi)原子數(shù)量量比很小。所以，只能引起固體局部結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。而納米固體中存在的濃度極大且具有高度無序結(jié)構(gòu)的界面，使得內(nèi)部原子輸運(yùn)出現(xiàn)異常現(xiàn)象，導(dǎo)致自擴(kuò)散系數(shù)的劇烈增大。加之納米尺度的層厚及粒度使反應(yīng)的距離變短，使相鄰微粒之間的固態(tài)反應(yīng)在較低的溫度下就能進(jìn)行。這將足以使納米固體材料的界面組元中實(shí)現(xiàn)原子的混合，形成各種不同的亞穩(wěn)相，實(shí)現(xiàn)材料的整體轉(zhuǎn)變。這樣，人們就有可能按預(yù)定的目的來改造和設(shè)計(jì)材料的性能。除了自擴(kuò)散外，納米固體中的量子隧道效應(yīng)還使電子輸運(yùn)反常，某些合金的電導(dǎo)率可下降百倍以上，而其電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

納米固體在較寬的頻譜范圍內(nèi)，顯示出對電磁波均勻的吸收性能……“隱身飛機(jī)”需在其外殼包上某種吸波材料（又稱隱身材料）。而幾十納米的納米固體薄膜的吸收效果，與比它厚1000倍的現(xiàn)有吸波材料相同。

納米陶瓷TiO2在常溫下具有很好的韌性和延展性能。由于其高純度的邊界及小尺寸的晶粒，可在較低溫度下燒結(jié)，并大大改善其性能。室溫下的納米陶瓷TiO2在壓實(shí)中已結(jié)合得很好。當(dāng)燒結(jié)溫度高于500℃時就迅速增稠，而晶粒尺度卻僅有微小增加。所以它能在比大晶粒樣品低600℃的溫度下達(dá)到類似于普通陶瓷的硬度……在冷加工成形后，可使之轉(zhuǎn)變到常規(guī)陶瓷。若采用表面退火的辦法，就能制成一種表面保持常規(guī)陶瓷的硬度和穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷……

利用納米粒子的高度活性可制備活性極高的催化劑，應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑, 特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個半導(dǎo)體顆粒, 可近似地看成是一個短路的微型電池, 用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時, 半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下, 電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置, 與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。

納米鋁粉是一種納米金屬催化劑, 因粒徑小, 烴類與催化劑的混合接觸充分, 傳質(zhì)效果好。無錫威孚吉大應(yīng)用開發(fā)研究所, 投入資金約500 萬元, 進(jìn)行納米鋁粉應(yīng)用于改進(jìn)三元催化劑的研究和開發(fā)。同時公司還將納米技術(shù)應(yīng)用于汽車尾氣凈化, 應(yīng)用前景較樂觀。武漢塑料工業(yè)集團(tuán)股份有限公司以中科院化學(xué)所工程塑料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為技術(shù)依托, 建設(shè)兩條納米材料生產(chǎn)線, 制造高性能聚合物/ 粘土納米復(fù)合材料。該材料具有高強(qiáng)度、耐熱、高阻隔及自熄滅性等優(yōu)點(diǎn), 在汽車、電子、建材、包裝等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。另外, 江蘇五菱常泰納米材料股份有限責(zé)任公司也進(jìn)行納米材料及其產(chǎn)品的研究、制造及營銷。江蘇和陜西等地也分別建成納米氧化鋅生產(chǎn)線。

在火箭固體燃料中摻入鋁的納米微粒，可提高燃燒效率若干倍。利用鐵磁納米材料具有很高矯頑力的特點(diǎn)，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙，以及高性能錄像帶等。利用納米材料等離子共振頻率的可調(diào)性可制成隱形飛機(jī)的涂料。納米材料的表面積大，對外界環(huán)境（物理的和化學(xué)的）十分敏感，在制造傳感器方面是有前途的材料，目前已開發(fā)出測量溫度、熱輻射和檢測各種特定氣體的傳感器。在生物和醫(yī)學(xué)中也有重要應(yīng)用。

Nano solid material properties and applications

Tiansainan Chemistry engineering of Beijing Institute of Petrochemical Technology Beijing 1026174；化092

090040 This paper expounds the concept and nano solid materials history, explained the structure of solid materials and nanotechnology caused by its characteristics, this paper introduces the application of nano solid materials.參考文獻(xiàn)

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第二篇：淺論納米材料的特性及應(yīng)用

淺論納米材料的特性及應(yīng)用

人類 論文關(guān)鍵詞：納米尺寸；性能

論文摘要：納米尺寸開辟科學(xué)新領(lǐng)域，介紹納米材料的神奇特性及在生活中的應(yīng)用。

對物質(zhì)世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無限小和無限大兩個物質(zhì)尺寸去認(rèn)識物質(zhì)，使人們了解到世界是物質(zhì)的。物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的，原子、分子是保持物質(zhì)化學(xué)、物理理特性的最小微粒。這為人類認(rèn)識世界、改造世界推進(jìn)科學(xué)的向前發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了一個個的科學(xué)原理和定理，推動了人類生產(chǎn)和生活的不斷向前發(fā)展。

隨著科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米尺度以后，大約在這個范圍空間。物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能的物質(zhì)構(gòu)成的材料，即為納米材料。

過去，人們只注意原子、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家。他們發(fā)現(xiàn)：一個導(dǎo)電，米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，度，大約是在1效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)等及由這些效應(yīng)所引起的諸多奇特性能。學(xué)特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應(yīng)用價值。

近年來，已在醫(yī)藥、1醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：

目前，國際醫(yī)學(xué)行業(yè)面臨新的決策，從動植物中提取必要的物質(zhì)，的想法，隨著健康科學(xué)的發(fā)展，高藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技術(shù)。數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體，以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動，因此可以用檢查和治療身體各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，受人們的歡迎。

2在涂料方面的應(yīng)用；

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，的涂層技術(shù)，再給涂料中添加納米材料，傳統(tǒng)涂層功能改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能，耐腐蝕、變色等。在涂料中加入納米材料，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保結(jié)作用。在建材產(chǎn)品如玻璃中加入適宜的納米材料，可達(dá)到減少光的透射和熱估遞效果，產(chǎn)生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的顏色不同，黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。色的效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面色彩多樣化。

3在化工方面的應(yīng)用；只是以前沒有認(rèn)識到這個尺度的范圍的性能。表現(xiàn)出既不導(dǎo)電，也不導(dǎo)熱。納米這個范圍空間，就會產(chǎn)生特殊的表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸生物、環(huán)境保護(hù)和化工等方面得到了應(yīng)用，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。然后在納米尺度組合，人們對藥物的要求越來越高。可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織，注射到人體血管中，避免身體健康部位受損，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，納米材料的顏色不僅限粒徑而變，第一個真正認(rèn)識到導(dǎo)熱的銅、材料在尺寸上達(dá)到納米尺擁有一系列的新穎的物理和化 并顯示出它的獨(dú)特魅力。納米生物醫(yī)學(xué)就是最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)控制藥物釋放減少副作用，提納米粒子可使藥物在人體內(nèi)方便傳輸。用稱為“定向?qū)棥薄Ｔ摷夹g(shù)是在磁性納米微粒包通過磁場導(dǎo)航輸送到病變部位，可以大大減小藥物的毒副作用，如；有超硬、耐磨，抗氧化、這樣可以通過復(fù)合控制涂料的顏色，而具有隨角度變Tio2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能 ～100納米 尤其是因而深借助于傳統(tǒng)使得阻燃、克服碳1銀導(dǎo)體做成納～100然后釋放藥物。

具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能。耐熱、化工業(yè)影響到人類生活的方方面面，如果在化工業(yè)中采用納米技術(shù)，將更顯示出獨(dú)特畦力。在橡膠塑料等化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Sio2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。最近又開發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強(qiáng)烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。

4其他生活方面的應(yīng)用：

納米技術(shù)正在悄悄地滲透到老百姓衣、食、住、行各個領(lǐng)域。化纖布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦容易產(chǎn)生靜電，因而在生產(chǎn)時加入少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現(xiàn)象。不久前，關(guān)于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應(yīng)用了納米技術(shù)。納米材料可使衣物防靜電、變色、貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機(jī)等一些電器時間長了容易產(chǎn)生細(xì)菌，而采用了納米材料，新設(shè)計(jì)的冰箱、洗衣機(jī)既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線對人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線對人體有害的部分，市場上的許多化妝品正是因?yàn)榧尤肓思{米微粒而具備了防紫外線的功能。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時間不長墻壁就會變的班駁陸離，納米技術(shù)應(yīng)用之后，涂料的技術(shù)指標(biāo)大大提高，外墻涂料的耐洗刷性提高很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱為黑色家電，這是因?yàn)榧译娡獗聿牧现斜仨毤尤胩己谶M(jìn)行靜電屏蔽。如今可以通過控制納米微粒的種類，進(jìn)而可控制涂料的顏色，使黑色家電變成彩色家電。

其實(shí)，納米技術(shù)最早只是合成，限于納米微粒，后來有了其他形貌，大概3-40年。第二階段是復(fù)合，核殼結(jié)構(gòu)，薄膜，分形等，都是這個階段，大概在90年代到2000年。第三階段是功能化，現(xiàn)在的文章也很注重應(yīng)用了，沒有應(yīng)用前景的是發(fā)不了高檔次的，當(dāng)然，功能化還是有點(diǎn)復(fù)合的味道的，因?yàn)檫@是一個不可分割的過程。我么現(xiàn)在所處的時段就是功能化。

在我的觀點(diǎn)看來，至于納米材料的前景，很大程度上要看這一二十年了，如果沒有不可代替的應(yīng)用必要，那么其前景將暗淡，會想超導(dǎo)材料一樣，熱了幾十年，現(xiàn)在限于停滯，國外基本上不大規(guī)模搞了。

任何一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展都是十分緩慢的，既然我們生存的一個宏觀世界，納米世界的物質(zhì)的安全性也要考慮的，所以很多應(yīng)用還只是實(shí)驗(yàn)室階段，這就限制了應(yīng)用，但是這是發(fā)展的必要。

總之，在未來生活中，納米技術(shù)將帶給我們無限的舒心與時尚，使人類的生存的條件更加優(yōu)越。

第三篇：納米天線的超常特性及應(yīng)用

納米天線的超常特性

都世民

最近筆者發(fā)現(xiàn)有多則科技報(bào)道與納米光學(xué)天線有關(guān)。為此從百度文庫、道客巴巴文庫、光明網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、騰訊網(wǎng)、國家納米研究中心網(wǎng)、中科院納米研究中心網(wǎng)等，查詢納米光學(xué)天線有關(guān)資料，分析整理后，對有關(guān)問題進(jìn)行一些討論。

近日，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，用一種新穎的反射式金納米天線陣列，成功應(yīng)用於激光全息領(lǐng)域。這是一種在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。武漢大學(xué)鄭國興與伯明翰大學(xué)教授張霜開展合作，在實(shí)驗(yàn)中不僅捕捉到令人滿意的愛因斯坦激光全息圖像，而且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%的實(shí)測衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且工藝流程大大簡化——僅需一步光刻工藝。

另據(jù)報(bào)道，蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功降低了光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運(yùn)行。在自由空間中光速接近每秒30萬公里，當(dāng)光通過諸如冰體、玻璃等材料時，光速會出現(xiàn)降低，但只要它再次返回自由空間中，其速度就會回歸正常。

美國伊利諾斯大學(xué)厄本那—香檳分校一個研究小組基曼尼·圖森特,用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下，調(diào)整陣列，實(shí)現(xiàn)對等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此人們能在制作好之后，決定所需的納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對光波的控制。

這種納米天線陣列為柱-領(lǐng)結(jié)納米天線（p-BNA）陣列模板，每根直徑約250納米，用金制作成領(lǐng)結(jié)狀柱塊，“領(lǐng)結(jié)”下墊有500納米高的玻璃柱。用掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)出的電子束，可以讓單根或多根p-BNA子陣列，以60納米/秒的速度變形。在電子束的激發(fā)下，等離子推動納米天線陣列，使其出現(xiàn)明顯變形，這在金粒子之間形成納牛（10的負(fù)9次方牛）量級的受力差異。

2015-03-05，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一類尺寸為50納米，且具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米材料，通過降低結(jié)構(gòu)對稱性和增大顆粒尺寸，使其能夠在可見光寬譜范圍內(nèi)吸光，吸光后的光熱效應(yīng)足以為有機(jī)加氫反應(yīng)提供熱源。納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處具有超強(qiáng)的聚光能力從而產(chǎn)生局部高溫。

內(nèi)外科技專家上述研究進(jìn)展，這些成果很受關(guān)注。無論是軍用或民用上，這些成果的轉(zhuǎn)化都可能產(chǎn)生顛覆性影響。其應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)然這些領(lǐng)域的研究是相互交叉的，有一個較長時期的融合過程。將會在哪些方面出現(xiàn)巨大變化，還需試目以待。這是筆者關(guān)注的原因之一。另外，筆者從事天線技術(shù)五十年，專業(yè)上愛好和興趣也是一個原因。

納米光學(xué)天線的基本關(guān)注點(diǎn)

[size=14.0000pt]1.納米光學(xué)天線最小尺寸

納米光學(xué)天線與傳統(tǒng)天線比較，首先在維度上是最小尺寸。1985年，wessel教授基于金屬小顆粒能有類似于傳統(tǒng)天線接收入射電磁波的屬性，最早提出光學(xué)天線的概念。隨后，Pohl教授對這種類似性進(jìn)行系統(tǒng)的討論，通過比較近場光學(xué)探針與傳統(tǒng)天線的相似性，得出傳統(tǒng)天線理論可以應(yīng)用于近場光學(xué)。由于光學(xué)偶極子天線諧振長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光半波長，這與傳統(tǒng)天線理論相悖，Novotny教授用有效波長的概念解決了該問題。

2010年03月17日新華網(wǎng)報(bào)道：日本廣島大學(xué)的研究小組日前開發(fā)出納米級超小型天線.天線寬75至125納米、長500納米，相當(dāng)于把普通電視天線縮小到百萬分之一。構(gòu)成天線的5根“枝杈”是用金制作的，固定在透明的氧化硅板中。這種天線能夠收發(fā)波長為400至800納米的電磁波。納米光學(xué)天線是自赫茲發(fā)明天線以來，所有天線中最小天線，它的工作頻段進(jìn)入光頻段，即THz。然而納米天線進(jìn)入光頻段，出現(xiàn)一些超常特性。2.納米光學(xué)天線的超常特性

天線是接收和輻射電磁能的工具，具有非常廣泛的應(yīng)用，在光學(xué)波段可以利用光學(xué)天線在納米尺度對光波進(jìn)行調(diào)控。基于表面等離子體共振的納米光學(xué)天線的一個獨(dú)特性質(zhì)是約束場。一個很小金屬顆粒受光激后，經(jīng)常被看作一個偶極子天線，納米粒子可以通過外場的激發(fā)，而成為光源,并擁有其獨(dú)特的光學(xué)性能。納米天線對特定波長的輻射，具有強(qiáng)吸收和強(qiáng)散射的特性，該特性與粒子的大小、形狀、介質(zhì)環(huán)境等因素緊密相關(guān)。

當(dāng)表面等離子體諧振時，納米金屬粒子的極化作用明顯增強(qiáng)，誘發(fā)的偶極子也極大地增強(qiáng)，這也導(dǎo)致電磁場大大增強(qiáng)。這種性能常常被用來增強(qiáng)某些光學(xué)過程的弱輻射截面,如拉曼散射、熒光現(xiàn)象或者提高非線性光學(xué)響應(yīng)。這種性能與微波線天線受外場激勵后，在諧振狀態(tài)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在平行極化時，會使天線輻射場明顯增強(qiáng)，這兩者有相類似的現(xiàn)象。A.頻譜調(diào)控：

據(jù)科學(xué)時報(bào)2010年1月27日報(bào)道：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員發(fā)現(xiàn)：無線電通信天線尖端尺寸減少到納米量級，并非常接近另一金屬表面而形成一個納米腔室時，就可以調(diào)控局域等離激元諧振模式，來對腔內(nèi)熒光體的發(fā)光特性進(jìn)行有效控制，在光頻區(qū)實(shí)現(xiàn)新奇的電光效應(yīng)：電致熱熒光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光和“彩色”頻譜調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)及其隱含的物理機(jī)制，揭示了局域的納腔等離激元場，可以作為一種近場相干光源，在光電耦合與轉(zhuǎn)化過程中，起著至關(guān)重要的調(diào)控與放大作用，為納米光電集成提供了新的思路。B.實(shí)現(xiàn)高增益單波束輻射：

單向納米天線可以為任何無方向性的光發(fā)射器（如微激光器、納激光器或等離子激光器（Spasers），甚至量子點(diǎn)）引入方向性。立方體天線通過精確控制光束寬度與方向，實(shí)現(xiàn)光會聚。特殊結(jié)構(gòu)的納米天線能夠改變與其相耦合的點(diǎn)光源的方向性，甚至可實(shí)現(xiàn)高增益單波束輻射。調(diào)天線單元間距可實(shí)現(xiàn)對光束指向的微調(diào)。

C.利用非對稱光學(xué)縫隙納米天線，可以調(diào)控光的耦合和輻射方向。

D.圓偏振光的調(diào)控: 利用L形光學(xué)縫隙納米天線，通過調(diào)節(jié)天線尺寸來改變兩個相互正交的線偏振的不同模式的相位，可以獲得90度的相位差和近似相等的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)圓偏振光。

E.增強(qiáng)自發(fā)光輻射： 用由金制成的外部天線，來增強(qiáng)銦鎵砷磷(InGaAsP)制成的納米棒的自發(fā)光輻射，可增加115倍。

F.產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng): 由北京大學(xué)物理學(xué)院、美國Rice大學(xué)、國家納米科學(xué)中心、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)院共同合作完成的“導(dǎo)電襯底金屬九聚體納米天線結(jié)構(gòu)Fano共振開關(guān)效應(yīng)”.G.改變納米天線尺寸與波長的關(guān)系: 使用不規(guī)則碎片形狀，可改變納米天線尺寸至非常小，或增大至人類頭發(fā)的寬度.H.改善天線的性能: 使用3D打印技術(shù)制成的半球立體天線,其性能比普通的單極天線高一個數(shù)量級，同時也能大大減小納米天線尺寸，不足波長的十二分之一.I.創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象來控制光的偏振: 2011年12月26日 ,科技日報(bào)報(bào)道：(http://www.tmdps.cn)實(shí)驗(yàn)證明，纖細(xì)的等離子體納米天線陣列能采用新奇的方式對光進(jìn)行精確地操控，改變光的相位，形成負(fù)折射現(xiàn)象.通過改變光的相位，能顯著改變光的傳播方式，同一種光波通過折射率不同的物質(zhì)時，相位就會發(fā)生變化。創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，也可以控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律。普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)制造出了這種納米天線陣列，光波波介于1微米(百萬分之一米)到1.9微米之間的近紅外光附近，大大改變了光波的相位和傳播方向。J.控制和引導(dǎo)吸收光的能量: 據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2011年7月10日報(bào)道，加拿大科學(xué)家從植物的光合作用裝置——捕光天線中獲取靈感，研制出了新型納米捕光“天線”，它能控制和引導(dǎo)吸光能量。這是整合在DNA（脫氧核糖核酸）和半導(dǎo)體研究兩方面的先進(jìn)成果，發(fā)明了這種方法，讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，并將這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。令人吃驚的是，這種天線能自我組裝而成，用篩選出來的特定DNA序列包裹不同類型的納米粒子，將其整合在一起。隨后按照自然規(guī)律，自我組裝成擁有特定屬性的類似于分子的納米粒子復(fù)合物。這種新型納米天線能增加吸收光的能量，還可以將此光能量釋放到該復(fù)合物內(nèi)特定的位置上。新復(fù)合物也能捕捉太陽光中所包含的各種波長的光。這是一種新型能量產(chǎn)生器，這對探索小宇宙內(nèi)能量形成機(jī)制有很好的啟發(fā)。

K.調(diào)控光的速度: 蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功降低光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運(yùn)行。

L.重組光的性質(zhì)：納米紋理表面就像一種預(yù)編程序，入射光與表面相互作用后，光的性質(zhì)就會發(fā)生改變。用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下對陣列進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此能在制作好之后，而不是之前，決定所需的納米結(jié)構(gòu)來改變光的性質(zhì)。

[size=15.0000pt]3.納米光學(xué)天線形狀與結(jié)構(gòu)

納米光學(xué)天線結(jié)構(gòu)種類繁多，常見結(jié)構(gòu):分別是納米棒、蝴蝶結(jié)形、納米粒子對、八木-宇田天線、納米粒子陣列。對稱振子納米光學(xué)天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。共振時天線長度約為入射光波長的一半。振子臂形狀除了長方形外，也可以為梯形，蝴蝶結(jié)形、圓盤形、三角形等。金屬納米顆粒的不同結(jié)構(gòu)或組合決定了其等離子體共振峰值的位置，也就是結(jié)構(gòu)決定其工作波長。不同結(jié)構(gòu)的納米天線具有不同的光學(xué)性能，這也提供了對基于納米光學(xué)天線的光學(xué)元件的調(diào)控方法。.新近科技報(bào)道表明，納米光學(xué)天線還有下列形狀：

A.澳大利亞spacedaily網(wǎng)站2015年2月25日報(bào)道：澳大利亞科學(xué)家發(fā)明200納米絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線.性能優(yōu)于先前的由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線。B.納米光學(xué)L形縫隙天線,可以輻射出圓偏振光。

C.不規(guī)則碎片形，也就是說它們由重復(fù)樣板組成，復(fù)制最小屬性的形狀，以打造相似卻更大的結(jié)構(gòu)。使用這一不規(guī)則碎片形法，意味著研究人員研發(fā)的納米天線可縮小至非常小的尺寸，或擴(kuò)大至人類頭發(fā)的寬度.D 3D立體半球天線

美國伊利諾伊大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系以及材料科學(xué)和工程系的兩位教授聯(lián)手，造出了一種突破性的“3D天線”。使用納米級的“銀墨水”，用類似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。這種3D立體天線的性能比普通的單極天線高一個數(shù)量級，同時尺寸也能大大縮小，不足波長的十二分之一。通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)多種天線形狀，可以實(shí)現(xiàn)在各種基板，包括塑料薄膜、紙質(zhì)、陶瓷等表面，實(shí)現(xiàn)“一鍵”打印天線，該技術(shù)非常便捷，可以實(shí)現(xiàn)諸如辦公室打印文檔一樣快速打印制造天線。

E.V型結(jié)構(gòu)納米天線：普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)制造出了納米天線陣列,這種納米天線是蝕刻在一層硅上方的金做成的V型結(jié)構(gòu)，它們是一種“超材料”(一般都是所謂的等離子體結(jié)構(gòu))，寬40納米。科學(xué)家們也已證明，他們能讓光通過一個寬度僅為光波波長五十分之一的超薄“等離子體納米天線層”。

F.人造分子式納米天線：讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，將這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

G.Bow-tie金屬天線，通過利用雙光子熒光增強(qiáng)作用，得到了天線間隙處場增強(qiáng)大約在1000量級。Bow-tie天線間隙處的場高度增強(qiáng)，應(yīng)用于雙光子聚合，得到30 nm的分辨率。H.單極納米天線：在SNOM針尖上，制備單極光學(xué)天線，探測單分子熒光，得到了～25nm的光學(xué)分辨率。

I.金子塔形的納米天線：荷蘭阿姆斯特丹FOM研究所和飛利浦研究所的研究人員，設(shè)計(jì)了一種新型小金子塔形的納米天線,而不是通常所采用的直柱形。這種形狀能夠增強(qiáng)光的電場與磁場之間的干涉，使場增強(qiáng)或改變光束的方向。[size=15.0000pt]4.納米光學(xué)天線的材料

按材料的不同，光學(xué)天線可分為介質(zhì)光學(xué)天線和金屬光學(xué)天線。其中，介質(zhì)光學(xué)天線可以作為近場光學(xué)探針對樣本表面的隱逝場進(jìn)行散射，實(shí)現(xiàn)局域場與傳播場的相互轉(zhuǎn)換。金屬(金、銀、銅、鋁等)光學(xué)天線，一般由金屬納米結(jié)構(gòu)組成，利用金屬納米結(jié)構(gòu)與光的作用，實(shí)現(xiàn)傳播場與局域場的相互轉(zhuǎn)換和電磁場局域增強(qiáng)。

A.對稱振子納米光學(xué)天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。兩片金屬薄膜材料多為金、銀，也可用碳納米管制成。

B.3D立體半球天線.使用納米級的“銀墨水”，用類似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。

C.納米捕光“天線”.讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

D.創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律.制造出了納米天線陣列并大大改變了光波波長介于1微米(百萬分之一米)到1.9微米之間的近紅外線附近光波的相位和傳播方向。

E.使用由金制成的外部天線，并使用銦鎵砷磷(InGaAsP)制成納米棒光學(xué)天線。

F.用一種新穎的反射式金納米天線陣列，在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。

G.使用絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線。H.使用由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線。

I.使用微型半導(dǎo)體量子級聯(lián)(QC)激光器,在QC激光器上安裝納米天線，實(shí)現(xiàn)了納米級的精度對激光點(diǎn)聚焦，從而可以使QC激光器執(zhí)行亞微米級的掃描。使分辨率提高到可見光波長的百分之一。使體積更小，有更好的信噪比。

J.石墨烯制作的納米天線: 佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員，通過計(jì)算機(jī)模擬，用石墨烯制作的納米天線,可以用于納米機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)中。除了能夠在納米機(jī)器之間通信外，石墨烯天線還能用于移動手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)連接的筆記本上，使它們得到更遠(yuǎn)的通信距離。石墨烯使用非常少的能源就能夠運(yùn)行。由于石墨烯的蜂窩結(jié)構(gòu)，所以它的表面產(chǎn)生表面波的范圍也最廣。這種天線的特性是，在大小相同的情況下，輻射頻率比普通材料天線的輻射頻率還要低。

在 0.1 到 10 太赫茲之間波段,石墨烯納米天線將無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率提高超過兩個數(shù)量級。

K.稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料具有高光化學(xué)穩(wěn)定性、幾乎無毒性、窄線寬、長熒光壽命、可調(diào)諧熒光發(fā)射波長等優(yōu)勢，是目前普遍看好且有望成為替代傳統(tǒng)下轉(zhuǎn)換熒光探針的新一代熒光生物標(biāo)記材料。

L.用具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米材料，制作的納米天線.這種獨(dú)特設(shè)計(jì)的金屬鈀納米材料，具有高催化活性和太陽能利用價值，在光驅(qū)動有機(jī)加氫反應(yīng)中，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能.

第四篇：納米材料的結(jié)構(gòu)及其熱力學(xué)特性的研究與應(yīng)用

納米材料的結(jié)構(gòu)及其熱力學(xué)特性的研究與應(yīng)用

張成12721617

（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072）

摘要：文章簡要地概述了納米材料的結(jié)構(gòu)和基本效應(yīng)，分別從納米材料的熱容、晶格參數(shù)、及納米材料參與反應(yīng)時反應(yīng)體系的化學(xué)平衡吸附能等方面對納米材料熱力學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，并對熱力學(xué)在納米材料中的應(yīng)用做了介紹，同時對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：納米材料；熱力學(xué)；效應(yīng)；結(jié)構(gòu)

Development and Application forTheStructure and ThermodynamicFunctions of TheNanomaterials

ZhangCheng 12721617（School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，china）Abstract: The structure of the nanometer materials and the characterristics of nano material are briefly introduced in this paper.The thermodynamics properties of nanomaterials are usually different from the status of bulk materials.Thus,it is very important to stuty the thermodynamics of nanomatericals.The review focuses the status of research on thermodynamics of nanomaterials including heat capacity, lattice parameters and other thermodynamic functions.In addition, the development of thermodynamics in this field is introduced with the prospection for its application.Keywords:nanomaterials;thermodynamics;structure;functions

1.前言

納米材料已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中一個研究熱點(diǎn)。這是由于它不僅具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征(含有大量的內(nèi)界面)，能為深入研究固體內(nèi)界面結(jié)構(gòu)與性能提供良好的條件，而且它還表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，能為提高材料的綜合性能發(fā)展新一代高性能材料創(chuàng)造優(yōu)異的條件。

納米熱力學(xué)(nanothermodynamics)這個名詞最早正式出現(xiàn)在2000年，美國亞利桑那州立大學(xué)的Chamberlin在研究鐵磁體的臨界行為時使用了這一名詞[1],Giebultowicz在nature上撰文認(rèn)為納米尺度熱力學(xué)為熱力學(xué)這一傳統(tǒng)理論提供了新的發(fā)展契機(jī)[2]。美國加利福尼亞大學(xué)的Hill是最早真正涉足納米熱力學(xué)這一領(lǐng)域的科學(xué)家，他的一系列工作為納米熱力學(xué)理論的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[3-5]。事實(shí)上，近年來已經(jīng)有科研工作者利用這一理論得出了一些傳統(tǒng) 熱力學(xué)理論難以

圖1.納米顆粒材料的SEM圖

Fig.1 Scanning electron microscope picture of nanoparticles materials

2.2 納米材料的結(jié)構(gòu)

材料學(xué)研究認(rèn)為：材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，同時材料的性能反映材料的結(jié)構(gòu)。納米材料也同樣如此。

對于納米材料，其特性既不同于原子，又不同于結(jié)晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學(xué)性質(zhì)與塊體材料有明顯的差異

納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成。納米晶粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)基本一致，只是由于每個晶粒僅包含著有限個晶胞，晶格點(diǎn)陣必然會發(fā)生一定程度的彈性畸變。盡管每個晶粒都非常小，但與傳統(tǒng)粗晶材料類似，其內(nèi)部同樣會存在著各種點(diǎn)陣缺陷：如點(diǎn)缺陷、位錯、孿晶界等。在納米材料中，點(diǎn)缺陷及位錯等低維缺陷很不穩(wěn)定，經(jīng)充分弛豫后，很難在納米晶粒中繼續(xù)存在。而面缺陷則相對比較穩(wěn)定，即使在納米微粒中也可以有孿晶界存在[8]。

納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：納米尺度結(jié)構(gòu)單元，大量的界面或自由表面，以及結(jié)構(gòu)單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想單晶，也有呈現(xiàn)非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。納米材料的結(jié)構(gòu)上存在兩種結(jié)構(gòu)單元；即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成，這些原子嚴(yán)格地位于晶格位置；界面單元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。界面原子密度低，界面上鄰近原子配位數(shù)發(fā)生變化，界面原子間距差別大。

納米材料由于非常小，使納米材料的幾何特點(diǎn)之一是比表面積（單位質(zhì)量材料的表面積）很大，一般在102～104m2/g。它的另一個特點(diǎn)是組成納米材料的單元表面上的原子個數(shù)與單元中所有原子個數(shù)相差不大。例如：一個由5個原子組成的正方體納米顆粒，總共有原子個數(shù)125個，而表面上就有約89個原子，占了納米顆粒材料整體原子個數(shù)的71%以上。這些特點(diǎn)完全不同于普通的材料。例

表面能。隨著納米粒子尺寸的減小，比表面積急劇加大，表面原子數(shù)及比例迅速增大。例如，粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g，表面原子的比例為50%；粒徑為2nm時，比表面積為450m2/g，表面原子的比例為80%。由于表面原子數(shù)增多，比表面積大，原子配位數(shù)不足，存在未飽和鍵，導(dǎo)致了納米顆粒表面存在許多缺陷，使這些表面具有很高的活性，特別容易吸附其他原子或與其他原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面輸運(yùn)和構(gòu)型的變化，同時也引起表面電子自旋、構(gòu)象、電子能譜的變化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料[11,12]。2.3.2 體積效應(yīng)

由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，因此許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出的。隨著納米粒子直徑減小，能級間距增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體[13]。2.3.2 界面效應(yīng)

納米材料具有非常大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的。原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，使材料具有新奇的界面效應(yīng)。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3~ 5倍[13]。

3.納米材料熱力學(xué)特性

3.1熱容

1996年，Bai等[14]在低溫下測定了納米鐵隨粒度變化的比熱，發(fā)現(xiàn)與正常的多晶鐵相比，納米鐵出現(xiàn)了反常的比熱行為，低溫下的電子比熱系數(shù)減小50%。1998年，Zhang等[15]研究了粒度和溫度對納米粒子熱容的影響，建立了一個預(yù)測熱容的理論模型，結(jié)果表明: 過剩的熱容并不正比于納米粒子的比表面，當(dāng)比表面遠(yuǎn)小于其物質(zhì)的特征表面積時，過剩的熱容可以認(rèn)為與粒度無關(guān)。2002年，Eroshenko等[16]把多相納米體系的熱容定義為體相和表面相的熱容之和，因?yàn)楸砻鏌崛轂樨?fù)值，所以隨著粒徑的減小和界面面積 的擴(kuò)大，將導(dǎo)致多相納米體系總的熱容的減小。他們還建立了多相納米體系熱容的理論模型，從理論上說明了體系熱容隨界面的擴(kuò)大而降低。對于苯液滴，當(dāng)半徑達(dá)到1.05nm時，熱容為零，而水滴熱容等于零時的半徑為1.51nm。2003年，徐慧等[17]建立了一維納米隨機(jī)鏈模型，應(yīng)用點(diǎn)陣動力學(xué)的方法計(jì)算了一維納米晶體的熵、熱容以及振動自由能等，發(fā)現(xiàn)納米晶體的熵比單晶的熵值高，這些結(jié)果可以用納米晶體的特殊結(jié)構(gòu)來

3.5 納米粒子的吸附熱力學(xué)

強(qiáng)吸附性是納米粒子的重要特性之一。量子化學(xué)是研究納米粒子吸附性質(zhì)的主要方法之一，但是這些理論研究主要是計(jì)算計(jì)算了某個原子簇下的吸附能，且原子簇中包含的原子個數(shù)還均較少，僅有幾個或十幾個。在一些模擬實(shí)驗(yàn)中，納米材料同普通塊體材料的吸附分離效果一樣也受值濃度、吸附時間、溫度等因素的影響，其吸附等溫線符合Langmuir、Freundlich等溫曲線。不同溫度下等溫吸附曲線的測定和等量吸附焓的計(jì)算表明: 多壁碳納米管對偏二甲肼的吸附是吸熱的。

4.熱力學(xué)在納米材料中的應(yīng)用

迄今，關(guān)于納米材料的絕大多數(shù)工作集中于研究納米界面的結(jié)構(gòu)和特性，而忽略納米晶粒內(nèi)部的晶體對整體材料的貢獻(xiàn)．如文獻(xiàn)中已有的關(guān)于納米材料熱力學(xué)性質(zhì)的研究，幾乎全部以納米晶界面的焓、熵和自由能作為表征整體納米材料的熱力學(xué)函數(shù)，并以之為判據(jù)探討納米多晶體材料的相變熱力學(xué)．這一近似處理對于極細(xì)的納米材料(如尺度小于10nm，約30％以上的原子位于界面上)是可行的，這也是Wagner[22]在其經(jīng)典的界面膨脹QDA理論中首先指出的模型適用條件：“尺寸為10個納米以下的多晶體且具有隨機(jī)的晶體取向”。然而，對于較粗的納米材料，上述近似處理則顯示出局限性，尤其當(dāng)晶粒尺寸超過幾十納米時，在相變熱力學(xué)中對特征轉(zhuǎn)變溫度和臨界尺寸等重要參量的預(yù)測將導(dǎo)致很大誤差為此，因此在建立納米界面確定型熱力學(xué)函數(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展整體納米材料的計(jì)算熱力學(xué)，明確納米尺度下多晶體的熱力學(xué)函數(shù)與界面過剩體積、溫度和納米晶尺寸之間的定量關(guān)系，并將其應(yīng)用于納米材料相變熱力學(xué)研究。基于熱力學(xué)判據(jù)，預(yù)測納米材料生成相、相穩(wěn)定存在條件及相變行為，由此可為具有一定晶體結(jié)構(gòu)和物理、機(jī)械性能的穩(wěn)定納米相的獲得提供依據(jù)。

4.1納米晶界的熱力學(xué)函數(shù)

相對于完整晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)上的原子，晶界上原子的配位數(shù)減少，原子排布密度降低，可以理解為晶界處于原子體積“脹大”了的非平衡狀態(tài)。基于此考慮，F(xiàn)echt和Wagner[22]認(rèn)為，納米晶界的熱力學(xué)性質(zhì)可以用類似于膨脹晶體的性質(zhì)來描述，即建立“界面膨脹模型”。其中以界面的過剩體積△V作為描述納米晶界面熱力學(xué)性質(zhì)的重要參量，它反映界面原子體積相對于晶內(nèi)原子體積的增加量，定義為：△V=Vb/V0-1。

由Smith等[23]人發(fā)展的EOS定量描述了原子結(jié)合能與點(diǎn)陣常數(shù)之間的普適關(guān)系，并已證實(shí)成功地應(yīng)用于解釋雙金屬層的粘附、化學(xué)吸附以及表面能等問題。更重要的是，EOS對有較大比例的原子位于晶界的納米晶體，由于“晶界膨脹”而產(chǎn)生的晶內(nèi)負(fù)壓，給出了合理的定量描述，此壓力是表征納米晶界面自由焓的

2.3r0??B?，(12)?1???3l??P?P?0其中?0為參照溫度下的體膨脹系數(shù)，其值取為線膨脹系數(shù)?0的三倍。綜合以上式子，可以得到以界面過剩體積和溫度為變量的納米晶界處的熱力學(xué)函數(shù)，即焓、熵和吉布斯自由能，其具體表達(dá)式如下：

Hb??V，T???E?1????V?r9l?0.05????V?43?r?1??V?3B0?1??V30???3r03???23????V?W??V???0??exp????V?rB?T?T??l30R0l?,(13)Sb??V，T??3kBIn?1??V????V?????V，T????V?????V，T?，(14)

(15)Gb??V，T??Hb??V，T??3kB?T?TR??T?Sb??V，T??3kBIn?T?TR??, 其中

???V??1??1??V?13，(16)W??V??expC01??1??VC0?7.06??E??12???13??，(17)，(18)

B0r01232???V???278?2818?2r0?6?1??V??73W??V??1?C0???V??2716?,(19)

r0?6?1??V??2r0?6CoW??V??274?r0?0?1??V?6?1??V??2C02???V?W??V????V?????43W??V???1?C0???V??，(20)

??2?T?TR?,(21)???V，T???458?92r0?0?1??V?6???V，T??2?r0?3?1??V??1?0?T?TR?,(22)

4.2.納米晶粒內(nèi)部熱力學(xué)函數(shù)

納米晶粒內(nèi)部晶體的熱力學(xué)函數(shù)按照塊體多晶體材料的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算．由經(jīng)典熱力學(xué)理論，計(jì)算常規(guī)多晶體的焓、熵和吉布斯自由能的函數(shù)表達(dá)式分別為：

速高效的基因組測序基因診斷 基因治療藥物，導(dǎo)彈，技術(shù)，可靠人工組織和器官復(fù)明復(fù)聰器件等方面的應(yīng)用 在環(huán)境保護(hù)方面，納米材料因其具有強(qiáng)的吸附性能，在污水處理和空氣凈化方面也將會起到重要作用。

納米技術(shù)目前從整體上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段，但從歷史的角度看：上世紀(jì)70年代重視微米科技的國家如今都已成為發(fā)達(dá)國家。當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國家。納米技術(shù)對我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個人類社會將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革[24]。

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第五篇：納米材料的應(yīng)用

納米材料的應(yīng)用

納米是英文namometer的譯音，是一個物理學(xué)上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當(dāng)于45個原子排列起來的長度。通俗一點(diǎn)說，相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。就象毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，并沒有物理內(nèi)涵。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認(rèn)識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認(rèn)識到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們在20世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。

在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教臁⑿滦蛙娛卵b備及先進(jìn)制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。

近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。1988年法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，到1997年巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國問世，在磁存儲、磁記憶和計(jì)算機(jī)讀寫磁頭將有重要的應(yīng)用前景。最近美國柯達(dá)公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預(yù)計(jì)將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來市場上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究也使人矚目，正是這些研究使美國白宮認(rèn)識到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的源泉，新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎(chǔ)科學(xué)提供了新的機(jī)遇，美國計(jì)劃在這個領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究獨(dú)占“老大”的地位。我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學(xué)”列入國家攀登項(xiàng)目。國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、國家教委分別組織了8項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個分支領(lǐng)域開展工作，國家自然科學(xué)基金委員會還資助了20多項(xiàng)課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。1996年以后，納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國納米材料的研究進(jìn)入了以基礎(chǔ)研究帶動應(yīng)用研究的新局面。目前，我國有60多個研究小組，有600多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其中，承擔(dān)國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)。中國科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué)，還有吉林大學(xué)、東北大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)，華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長春應(yīng)用化學(xué)研究所、長春物理研究所、感光化學(xué)研究所等也相繼開展了納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。我國納米材料基礎(chǔ)研究在過去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學(xué)方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應(yīng)的設(shè)備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合微粒和粉體的制取等各個方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進(jìn)展，成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；

近年來，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關(guān)注。根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，我國建立和發(fā)展了制備納米結(jié)構(gòu)（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、mcm－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內(nèi)延生長等也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已成功地制備出多種準(zhǔn)一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進(jìn)一步研究納米結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)一納米材料的物性，推進(jìn)它們在納米結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的評價手段基本齊全，達(dá)到了國際90年代末的先進(jìn)水平。綜上所述，“八五”期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果，形成了一支高水平的科研隊(duì)伍，基礎(chǔ)研究在國際上占有一席之地，應(yīng)用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。10年來，我國科技工作者在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表納米材料和納米結(jié)構(gòu)的論文2400多篇，在國際上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國際第四屆納米材料會議上，對中國納米材料研究給予了很高評價，指出這幾年來中國在納米材料制備方面取得了激動人心的成果，在大會總結(jié)中選擇了8個納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進(jìn)行介紹，中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進(jìn)行了大會發(fā)言。