纳米材料的性质和用途机电5 201202070226摘要:本文介绍了纳米材料的一些常用性质以及在环境污染、医学等领域的应用。并对纳米材料的发 展前景进行了展望,最后根据自己的理解对纳米材料在环境污染上的进一步使用作了预测 关键词:纳米材料;性质;用途 一、前言 纳米是一个物理学上的度量单位,1 纳米是1 米的十亿分之一,相当于万分之一 头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后,大约是在1-100 纳米这个范围空间,物质 的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子, 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料即为纳米材料[1]。纳米材料处在原 子簇和宏观物体交界的过渡区域,既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是 一种典型的介观系统,即接近于分子或原子的临界状态。在纳米材料中,纳米晶 粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不 能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级,高 浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、 光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷,和其他固体 材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组 成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料从根本上改变了材料的结构, 使得它成为当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重 要影响的研究对象[2]。 二、纳米材料的性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩 散率,它对蠕变,超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度 降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料与同组成的微米晶体材料相 比,在力、磁、电、热、光等方面有许多奇异的性能[3],因而成为材料科学和 凝聚态物理领域中的研究热点。 2.1 力学性质 根据经典的 Hall—Petch 关系式,当晶粒减小到纳米级时,材料的强度和硬度 随粒径的减小而增大。纳米材料的位错密度很低, 位错滑移和增殖符合 Frank- Reed 模型, 其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大, 均间距一般比晶粒大,所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生。纳米材料的这 个特性可以应用到韧性包装上面,以提高在以前韧性包装技术上出现的问题。例 如纳米二氧化钛、纳米碳酸钙等纳米材料能使塑料改性。通过对塑料进行填充改 性,可以提高塑料的力学性能,还可以开发各种功能塑料,如导电塑料、磁性塑 料、抗降解塑料、抗紫外耐老化塑料等。在塑料中均匀分散无机纳米材料所制成 的纳米塑料具有优异的物理力学性能、强度高、耐热性好、密度较低,良好的透 明度和较高的光泽度。还有使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、 航天、航海等。 2.2 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。 2.3 光学性质 由于尺寸效应和表面效应使超微粒对光有极强的吸收能力,比如金属超微粒的 反射能力显著下降, 一般低于1%, 因此金属超微粒通常呈黑色, 失去了各种美丽 的特征颜色由超微粒构成的纳米固体材料也在较宽的范围内显示出对光的均匀 吸收性。另外, 超微粒复合材料具有大的三阶光学非线性和快的响应时间。利用 这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料, 可以高效率地将太阳能转变 为热能。此外由于量子尺寸效应, 纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象, 其光吸收率很大, 所以可应用于红外线感测器材料。 2.4 磁学性质 随着纳米晶粒尺寸变小, 与体积成正比的磁各项异性也降低, 当体积能与热能 相当或更小时, 会呈现出超顺磁性。纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达 50%, 可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁 电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到 1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电 阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系, 所以也可以用作新型的磁传 感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率, 对可见光的吸收系数 比传统粗晶材料低得多, 而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低 个数量级,磁性比FeBO3 和FeF3 透明体至少高1 个数量级。 2.5 电学性质 由于纳米材料晶界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,金属向绝缘体转变,在磁场中材料电阻的减小非常明显。常 态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大,电阻温度系数下降甚至出现负数; 原来绝缘体的氧化物到了纳米级,电阻却反而下降,变成了半导体或导电 体。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。 三、纳米材料的应用 3.1 纳米材料在环保方面的应用 随着人们环保意识的增强,越来越多的新型材料被用于处理各种污染物。尤其 是纳米技术的进步,使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用最 多的就是 Ti02 纳米材料。利用Ti02 纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解 的物质,可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂,氯代物、氟里昂等废水的处 理,还可用以处理无机废水等。李田[16]将纳米Ti02 固定于玻璃纤维网上形成催 化膜,用于深度净化饮用水。结果显示,自来水中有机物总量去除率达 6O%以上,19 种优先污染物中有 种被完全去除,其他有机物的浓度也大多降至检测限以下,同时细菌总数明显减少,使水质达到了直接安全饮用的要求。Skubal 等[18]用精氨酸改性胶体 Ti02 表面,然后光催化还原 Hg,吸附和还原效率均提 高到99.9%。用Ti02 光催化法从Au(CN)-4 中还原Au,同时氧化CN-为NH3 和CO2 的实验方法,并指出将该法用于电镀工业废水的处理,不仅能还原镀液中的贵金 属,而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染,是一种有实用价值的处理方法。 纳米 Ti02 表面活性羟基等具有非常高的反应活性,它不但能矿化其表面附着的 有机物,而且能与其表面附着的细菌的组成成分(也是有机物)进行剧烈的反应, 从而具有杀菌能力。不但能杀死细菌,而且能彻底矿化细菌尸体,有效消除其残 留(毒)物和细菌分泌物,本身又不夹带污染,无毒无害而且成本低[19]。纳米Ti02 涂层还可以用于空气净化,[20]其在紫外线照射下可分解房问内的新建材、黏接 剂等产生的甲醛,吸烟产生的乙醛,家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭,还可分解 油污及其它有机物等。 3.2 纳米材料在生物工程上的应用 众所周知,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息 处理材料,每一个生物大分子本身就是一个微型处理器,分子在运动过程中以可 预测方式进行状态变化,其原理类似于计算机的逻辑开关,利用该特性并结合纳 米技术,可以此来设计量子计算机。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特 性和很好的稳定性,并且,其奇特的光学循环特性可用于储存信息,从而起到代 替当今计算机信息处理和信息存储的作用。科学家们认为[14]:要想提高集成度, 制造微型计算机,关键在于寻找具有开关功能的微型器件。纳米计算机的问世, 将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限,使单位体积物质的储 存和信息处理的能力提高上百万倍,从而实现电子学上的又一次革命。 纳米材料在医学上的应用随着纳米技术的发展,在医学上该技术也开始崭露头脚。研究纳米技术在生命 医学上的应用,可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系, 获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人,在血液中循环, 对身体各部位进行检测、诊断,并实施特殊治疗,疏通脑血管中的血栓,清除心 脏动脉脂肪沉积物,甚至可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。这样,在不久的将来, 被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解,从而将使医学研 究发生一次革命。 纳米材料在其它方面的应用利用先进的纳米技术,在不久的将来,可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具 有自我复制能力的纳米装置,它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方 面,利用昆虫作平台,把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收 集情报,使目标丧失功能。利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利 用纳米羟基磷酸钙为原料,可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存 在碳纳米管中,并通过一定的机制来激发药剂的释放,则可控药剂有希望变为现 实。另外,还可利用碳纳米管来制作储氢材料[17],用作燃料汽车的燃料"储备箱 "。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器;利用具有强红外吸 收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料,都是很具有应用前景的技术开发领 四、纳米材料的前景展望纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电 子学、纳米材料学和纳米生物学等。