纳米材料的特性及应用前景

王德红+刘文

摘要：本文通过对纳米材料的简介引出纳米材料的定义，从而介绍了纳米材料的两大特性，尤其是小尺寸性质中的力学特性、热学特性、电学特性、磁特性等，并分析了纳米材料在信息技术、环境保护、能源工程、精细化工和医药卫生等方面的应用及应用前景。

关键词：纳米材料；特性；应用

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）14-001-01

一、引言

自从20世纪发现纳米材料以来，纳米材料被誉为是21世纪构成未来智能社会的四大支柱之一，而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。由于碳纳米管具有强度高、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、比表面积大并具有许多吸引人的电子性质。

二、纳米材料的基本特性

由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。

1、表面效应

纳米材料的表面效应[1]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。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

2、小尺寸效应

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，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质：

（1）力学性质

（2）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

（3）电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

（4）磁学性质

小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体

三、纳米材料的应用前景

1、信息产业中的纳米技术

纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。

2、环境产业中的纳米技术

纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。

3、能源环保中的纳米技术

合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。

4、精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。

5、纳米生物医药

这是我国进入WTO以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。

纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，尤其是能源、人类健康和环境保护等重大问题。可见，纳米技术对我们既是严峻的挑战。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。

参考文献：

[1] 王旭.浅论纳米材料的特性.大观周刊,2012(6).

[2] 汪云.纳米材料应用前景十分广阔.广州化工,2007.35(6).

[3] 周震.纳米材料的特性及其在电催化中的应用.化学通报,1998(4).

[4] 单志强.纳米材料特性及其在环境保护领域的应用.环境技术,2005,23(2).

[5] 吉云亮.刘红宇.纳米材料特性及纳米技术应用探讨.中国西部科技,2007(7).

[6] 谢济仁.邵刚勤.纳米材料应用.武汉理工大学学报,2004.26(2).