納米材料及其技術應用前景

納米材料及其技術應用前景一

納米材料的定義

二納米材料的發(fā)展歷程三納米材料的特性3.1納米材料的表面效應3.2納米材料的體積效應3.3納米材料的量子尺寸效應

四納米材料的合成方法4.1物理法

4.2化學反應法2

五納米材料的應用熱點

5.1納米技術在陶瓷領域方面的應用5.2納米技術在微電子領域方面的應用5.3納米技術在生物工程方面的應用5.4納米技術在環(huán)保領域方面的應用5.5納米技術在分子組裝方面的應用5.6納米技術在國防工業(yè)領域方面的應用5.7納米技術在其它領域方面的應用3六、我國在納米材料領域所取得的成果七、世界納米戰(zhàn)略及納米市場

八、納米技術研究與開發(fā)的動向與難點

九、我國“十五”“863”納米專項規(guī)劃4

一

納米材料/納米技術的定義

納米材料：是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100-102nm。它包括體積分數近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子，二是粒子間的界面。5納米技術：納米技術（納米科學與技術的簡稱）研究在0.1-100納米尺度范圍的物質世界，其實質就是要操縱原子和分子,目的是直接用原子和分子制造具有特定功能的產品。

納米技術是由物理學、化學、生物學以及電子學等各個學科交叉形成的新興學科。包括：納米材料學；納米電子學；納米動力學；納米生物學和納米藥物學。6納米技術的研究內容：創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料。設計、制備各種納米器件和裝置。探測和分析納米區(qū)域的性質和現象。

生物科學技術、信息科學技術、納米科學技術是下一世紀內科學技術發(fā)展的主流。7

二、納米材料發(fā)展歷程

1860,膠體化學誕生，開始對粒徑約1～100nm膠體粒子進行研究。1929,Kohlshuthe用金屬作電極，在空氣中進行弧光放電，制得金屬氧化物溶膠。1940,Ardeume首次利用TEM對金屬氧化物的煙狀物進行觀測和研究。1945,Buk提出在低壓惰性氣體中獲得金屬超微顆粒的蒸發(fā)方法。1959,P.Feynman發(fā)表演講，預言該類材料的特殊性能。1962,R.Kubo發(fā)現金屬超微粒子與塊狀物質的熱性質不同，提出Kubo效應。1975,日本、法國、美國科學家利用NMR、TEM、XRD對納米粒子進行研究。81984，Gleiter、Siegel利用原位加壓成形得到納米微晶塊體。1989，IBM公司的科學家實現用單個Xe原子排列拼寫出“IBM”商標。1990，在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議；我國在中科院固體物理所召開首次納米固體討論會。1991，Iijima制備出直徑為4~10μm的多壁碳納米管。1992，我國首次把“納米材料科學”列入“攀登計劃”。93－至今，納米材料及其技術開始蓬勃發(fā)展。9三個發(fā)展階段：第一階段（1990年以前）：實驗室探索制備納米顆粒粉體，合成塊體。第二階段（1994年前）：設計合成納米復合材料。第三階段（從1994年～）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構。10

Fe原子排列成的漢字“原子”1148個銅原子構成圓形，電子相互干涉形成干涉波

12的無痛型微型針放在指尖上的四百支排列整齊13

被囚禁冷卻的原子和“原子激光”14

用光刻技術做成的微米尺寸的微機械15納米碳管16納米陶瓷17

納米金屬銅的超延展性18

三

納米材料的特性

1、納米材料的表面效應納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上變化。

表面原子數與粒徑的關系

192納米材料的體積效應由于納米粒子體積極小，所包含的原子數很少。因此，許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，這種特殊的現象通常稱之為體積效應。久保理論：認為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關系為：δ=4EF/3N∞V-1∞1/d3隨著納米粒子的直徑減小，能級間隔增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導體將變?yōu)榻^緣體。

203納米材料的量子尺寸效應當納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級；并且納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級，使得能隙變寬的現象，被稱為納米材料的量子尺寸效應。它將導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常。如光吸收顯著增加，超導相向正常相轉變，金屬熔點降低，增強微波吸收等。21

四、納米材料的合成技術

（1）粒子純度及表面的清潔度高（2）粒子粒徑及粒度分布可控（3）粒子幾何形狀規(guī)一，晶相穩(wěn)定性好（4）粉體無團聚或團聚程度低。22

方法制備特點

物

蒸發(fā)冷凝法用真空蒸發(fā),激光,電弧高頻感應等法使原料氣化或形成等離子體,然后驟冷使之凝結。純度高,結晶組織好,粒度可控,但技術設備要求高.理方法物理粉碎法通過機械粉碎,電火花等法制得納米粒子。操作簡單,成本較低,但易引進雜質降低產品純度，

機械合金法利用高能球磨法，控制適當的條件，以制得納米材料。顆粒分布也不均勻。

氣相沉積法利用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣的化學反應來合成所需物質。原料精煉容易，產物純度高，粒度分布窄。

化學沉淀法把沉淀劑加入到金屬鹽溶液中，反應后將沉淀熱處理。操作簡單、易引進雜質，難制得粒徑小納米粒子化學水熱合成法高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成納米粒子。粒子純度高，分散性好，晶形好，且大小可控。方法

溶膠凝膠法利用金屬醇鹽在不同pH值的水解劑中水解合成納米粒子。粒子純度高，粒度小，粒度分布窄。

溶劑蒸發(fā)法把溶劑制成小滴后進行快速蒸發(fā)，合成納米粒子。粒子的粒徑小，分散性好，但操作的要求高。

微乳液法金屬鹽和沉淀劑形成微乳狀液，控制膠粒成核和生長，熱處理后得到納米粒子。粒子的單分散性好，但粒徑較大，粒徑的控制也較困難。23五、納米材料的應用熱點納米技術一旦成熟，以下夢想將會變?yōu)楝F實：1.用碳原子“積木”生產大量物美價廉的鉆石。2.用只有方糖大小的機器，利用空氣和陽光建造房屋。3.利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料。4.利用昆蟲作平臺，把分子機器人植入昆蟲的神經系統中，控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標喪失功能。5.制造納米人造昆蟲在溫室傳播花粉和殺死害蟲。6.將藥物儲存在納米材料中，通過一定機制來激發(fā)藥劑的釋放，制成可控藥劑。7.合成納米“智能炸彈”，能夠進入并摧毀單個的癌細胞。245.1納米材料在陶瓷領域方面的應用傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。英國著名材料專家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性戰(zhàn)略途徑。所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經受彎曲而不產生裂紋。如果控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統陶瓷無與倫比的優(yōu)點。使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，具有廣闊的應用前景255.2納米技術在微電子學上的應用納米電子學是納米技術的重要組成部分，目前，利用納米電子學已經研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、納米棒制成的微型探測器已經問世。早在1989年，IBM公司的科學家就已經利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能。另外，日本的NEC研究所已經擁有制作100nm以下的精細量子線結構技術，并在GaAs半導體襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。 目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，由激光驅動，并且開、關速度很快。美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。

265.3納米技術在生物工程上的應用科學家設法用顯微操作技術移動果蠅染色體的基因，結果培育出了比正常果蠅多長了一個胸脯和翅膀的果蠅，科學家已經可以通過基因操作把果蠅的眼睛搬到不該有眼的地方，把翅膀搬到不該長翅膀的地方。分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學家已經考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。

27（一）生物芯片技術研究蛋白相互作用的芯片ProteinG、p50和FRB等三種蛋白分別以點狀陣列固定到玻片上。28（1）

分子馬達（美國康納爾大學的科學家利用ATP酶作為分子馬達，研制出了一種可以進入人體細胞的納米機電設備--"納米直升機"。該設備共包括三個組件，兩個金屬推進器和一個附屬于與金屬推進器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物"燃料"ATP轉化為機械能量，使得金屬推進器的運轉速率達到每秒8圈。這種技術仍處于研制初期，它的控制和如何應用仍是未知數。將來有可能完成在人體細胞內發(fā)放藥物等醫(yī)療任務。29（2）

納米探針一種探測單個活細胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級，當它插入活細胞時，可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。圖為載激光束（藍色）的納米傳感器探針穿過活細胞，以檢測該細胞是否曾置于致癌物質下305.4納米技術在醫(yī)學上的應用10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段?？茖W家們設想利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學研究發(fā)生一次革命。(1)智能藥物

美國密西根大學的JamesR.BakerJr.博士正在設計一種納米"智能炸彈"，僅有20納米左右，能夠進入并摧毀單個的癌細胞。31(2)人工紅血球當人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。人工紅細胞的結構和工作示意圖32

5.4納米材料在環(huán)境保護方面的應用1、

納米技術治理有害氣體2、

納米技術在污水處理3、

納米TiO2的特殊作用A降解空氣中的有害有機物。B它可以降解有機磷農物,解決海洋的石油污染問題C用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解DTiO2光催化劑具有除臭作用E納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，具有自清潔效應F紫外吸收、防曬品335.5納米技術在分子組裝方面的應用目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現分子手術的主要手段?？茖W家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內生成并穩(wěn)定存在，則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發(fā)生。研究對象主要集中在納米陣列體系；納米嵌鑲體系；介孔與納米顆粒復合體系和納米顆粒膜。目的是根據需要設計新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標是為納米器件的制作進行前期準備，如高亮度固體電子顯示屏，納米晶二極管，真空紫外到近紅外特別是藍、綠、紅光控制的光致發(fā)電和電子發(fā)光管等都可以用納米晶作為主要的材料，國際上把這種材料稱為“量子”納米晶。34納米顆粒與介孔固體組裝體系近年來出現了新的研究熱潮。人們設計了多種介孔復合體系，不斷探索其光、電及敏感活性等重要性質。這種體系一個重要特點是既有納米小顆粒本身的性質，同時通過納米顆粒與基體的界面耦合，又會產生一些新的效應。1996年，IBM公司利用分子組裝技術，研制出了世界上最小的“納米算盤”，該算盤的算珠由球狀的C60分子構成。美國佐治亞理工學院的研究人員利用納米碳管制成了一種嶄新的“納米秤”，能夠稱出一個石墨微粒的重量，并預言該秤可以用來稱取病毒的重量。355.7納米技術在國防工業(yè)領域方面的應用“隱身武器”：1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國第一天出動的戰(zhàn)斗機就躲過了伊拉克嚴密的雷達監(jiān)視網，迅速到達首都巴格達上空，直接摧毀了電報大樓和其他軍事目標，在歷時42天的戰(zhàn)斗中，執(zhí)行任務的飛機達1270架次，使伊軍95％的重要軍事目標被毀，而美國戰(zhàn)斗機卻無一架受損。一個重要的原因就是美國戰(zhàn)斗機F117A型機身表面包覆了紅外與微波隱身材料，它具有優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達的監(jiān)視。而伊拉克的軍事目標和坦克等武器沒有防御紅外線探測的隱身材料，很容易被美國戰(zhàn)斗機上靈敏紅外線探測器所發(fā)現，通過先進的激光制導武器很準確地擊中目標。

美國F117A型飛機蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子，它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力。36主要原因：一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3－4個數量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現被探測目標，起到了隱身作用。

37六、我國在納米材料領域所取得的成就

1993年，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地，并居于國際科技前沿。1998年，清華大學范守善小組成功地制備出直徑為3－50納米、長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒，使我國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體。

1998年，美國《科學》雜志上刊登了我國科學家的論文。我國科學家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金—從四氯化碳制成金剛石?！?/p>

38

近年，中國科學院物理研究所解思深研究員率領的科研小組，不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管，創(chuàng)造了一項“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細的碳納米管。

1999年上半年，北京大學納米技術研究取得重大突破，電子學系教授薛增泉領導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。1999年，中科院金屬研究所成會明博士合成出高質量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平。39七、世界納米戰(zhàn)略及納米市場孵化企業(yè)納米產業(yè)基金、其它投資基金以及社會資本企業(yè)上市被收購利潤創(chuàng)業(yè)家科技專家自主成長圖納米產業(yè)價值鏈增值圖傳統產業(yè)升級改造納米技術40美國2000-2001年聯邦政府機構的納米研究開發(fā)經費分配政府機構2000年

（百萬美元）2001年

（百萬美元）增長率（%）國家科學基金會97217124國防部7011057能源部589666航空航天局420400商務部818125國家衛(wèi)生研究院323613總計2704978441美國按研究項目分配的納米研究開發(fā)經費

項目經費

（億美元）占總經費的比例（%）基礎研究1.9539.2重大挑戰(zhàn)項目1.1022.1杰出中心和研究網絡0.7715.5基礎研究設施0.8717.5倫理、法律和社會影響以及教育培訓0.285.6總經費（億美元）4.9510042專家對納米技術應用的預測納米技術日本研究人員的預測（年）德國研究人員的預測（年）批量生產用離子束和粒子束制備的具有可控特性的納米新材料20062010闡明金屬聚合物界面的粘著力20022002利用超光滑金屬鏡面加工技術20032002利用STM技術嵌入混雜物并修補結晶硅表面20032004在單分子層、可控制結構的有機氫化物復合材料20032005廣泛利用原子層蝕刻半導體20032004由幾納米-幾十納米尺寸構成的有機和無機復合材料20032004開發(fā)用于控制1-10納米尺度的微結構的聚合物加工技術20052007在原子尺度控制固體結構極其界面特性的可能性20052006在原子層次上開發(fā)合成具有新功能的物質的技術2008201043納米材料在美國的總需求量

納米材料1996年2001年年平均增長率（%）美元（百萬）所占比例（%）美元（百萬）所占比例（%）納米粒子41．397