纳米材料的功能特性及其应用

梁 敏，邹丰谦

(1.齐齐哈尔大学化学与化工学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江大学电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

纳米材料的功能特性及其应用

梁 敏1，邹丰谦2

(1.齐齐哈尔大学化学与化工学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江大学电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

纳米材料具有独特的物理和化学性质，它的发展给化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。本文论述了纳米材料的特殊性能以及应用领域。

纳米材料；特性；应用

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m) 的超细材料,其尺寸介于分子、原子与块状材料之间, 通常泛指1～100nm 范围内的微小固体粉末。纳米材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料, 它是以组成纳米材料的结构单元——晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的[1-2]。目前, 国际上将处于1～100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称为纳米材料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。

纳米材料微观结构的奇异性和特殊的物理、化学性质为寻找和制造具有特异功能的新材料开辟了道路。纳米材料的研究是一个涉及众多学科领域的交叉科学, 在不同学科有不同的称谓，在材料学中称之为超微颗粒, 晶体学中称之为微晶，原子分子物理学中称之为团簇, 理论物理学中称之为量子点,胶体化学中称之为胶体微料, 生物领域称之为超分子结构。其研究应用使化工、陶瓷、生物工程、医学等[3-4]许多行业都呈现出崭新局面。

1 纳米材料的特性

1.1 表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/ 体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2·g-1；粒径为5 nm时，比表面积为180m2·g-1；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2·g-1[5]。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

1.2 尺寸效应

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生特殊的光学性质、热学性质、磁学性质和力学性质。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

1.3 体积效应

由于纳米粒子体积极小, 所包含的原子数很少。因此, 许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将与大颗粒传统材料的特性显著不同, 就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明, 这种特殊的现象通常称之为体积效应。

1.4 量子尺寸效应

该效应指微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如特异性催化，强氧化性和还原性。

1.5 量子隧道效应

微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用,如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等[6]，都具有重要意义。

2 纳米材料的应用

随着纳米科技的发展, 利用纳米材料特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，纳米材料已被广泛应用于电子、化工、医学和生物工程等国民经济发展的许多领域，不仅在高科技领域有不可替代的作用, 也为传统产业带来生机和活力。

2.1 在化学工业中的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达表面的数量多,则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前，工业上利用纳米二氧化钛、三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理已经取得了很好的效果[7]。

2.2 在生物医学行业中的应用

医学上使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。由于纳米材料的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多, 因此可以利用它进行细胞分离、细胞染色以及制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗，还可以利用纳米微粒研制成纳米机器人(nanorobot)，注入人体的血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至能吞掉病毒，杀死癌细胞等[8]。

2.3 在陶瓷工业中的应用

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国著名材料专家Cahn 指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。所谓纳米陶瓷, 是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料， 也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上[9]。

2.4 在生物工业中的应用

美国南加州大学的Adelman 博士等[10]应用基于DNA 分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。

2.5 在涂料工业中的应用

表面涂层技术也是当今世界关注的热点,纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料如纳米TiO2、SiO2和ZnO 等颗粒，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使该装备具有隐身性能[11]。

2.6 在环境保护中的应用

1976年，Carey等[12]研究发现在紫外光照射下，纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯。至今，已发现有3 000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2迅速降解。光催化纳米材料在环境保护中的应用极其广阔，可使许多难处理的污染物完全矿化，同时利用载体的吸附性能使低浓度的有害物质得以浓缩降解。光催化纳米技术研究的不断深入和纳米材料实用化进程的进一步发展，可大大缓解水体污染、大气污染、城市垃圾等环保难题。

2.7 在电子工业中的应用

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分, 其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，包括纳米阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。纳米微晶软磁材料目前向着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等[13]，它将成为铁氧体的有力竞争者。

3 前景与展望

纳米材料科学是将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学， 其研究与开发刚刚起步，由于其特殊的尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等，使得其光学、磁学、电学、模量、强度、阻透性等方面的性能与普通无机填料有很大的不同， 人们应充分利用纳米材料的这些特殊性能，开发新型材料的性能和应用领域，使其发挥出更大的作用。

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[13] 王西明，李永稳，曾利霞，等.纳米磁性液体材料的研究进展[J].咸阳师范学院学报，2007，22(6)：26-30.

Properties and Applications of Nanometer Materials

LIANG Min1, ZOU Feng-qian2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China; 2.School of Electronic Engineering , Heilongjiang University, Harbin 150000, China)

The development of nanometer materials, which possessed the unique physical and chemical properties, would take a new opportunity for the investigation of subjects such as chemistry, materials, biology and pharmaceutical etc. The properties, preparation technologies and applications were summarized in this paper which would provided a useful guidance for future studies.

nanometer material; properties; application

TB 383

A

1671-9905(2014)06-0056-03

梁敏(1967-)，女，汉族，大学本科，学士，副教授，主要从事功能高分子材料、化学分离工程等方面研究工作，发表科技论文20余篇，完成著作3部，主持项目多项。电话：13009749698，E-mail：liang-min100@163.com

2014-04-08