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納米材料的應用范圍及應用效應

發布時間:2017-03-10 15:23:33

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1-100 nm)或由它們作為基本單元構成的材料,這大約相當于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。納米新材料配方是一門在100 納米以內空間內,通過自然更改直接排序原子與分子創造出來的新納米材料的項目。納米新材料與該領域是現代力量和現代技術創新的起點,新的規律和原理的發現與全新的理念創設給予基礎科學,提供了新的機會,這會成為許多領域的重要改革新動力。納米新材料配方由于SAIZU細小,擁有很多奇特的性能。1988年Baibich 等第一次在納米Fe/ Cr MS里發現磁電阻變化率達到百分之五十,與一般的ME比起來要大一個級別,并且是負值的,各向一樣,稱作GMR 。之后還在納米體系的、隧道結和Perovskite結構、顆粒膜中發現巨ME。里面Perovskite結構在一九九三年是發現且具有極大ME,叫做CMR ,在隧道結中找到的為TMR。

納米材料.jpg

納米材料的應用范圍

1、 天然納米材料

海龜在美國佛羅里達州的海邊產卵,但出生后的幼小海龜為了尋找食物,卻要游到英國附近的海域,才能得以生存和長大。最后,長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產卵。如此來回約需5~6年,為什么海龜能夠進行幾萬千米的長途跋涉呢?它們依靠的是頭部內的納米磁性材料,為它們準確無誤地導航。

生物學家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來不會迷失方向時,也發現這些生物體內同樣存在著納米材料為它們導航。

2、 納米磁性材料

在實際中應用的納米材料大多數都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學性質,納米粒子尺寸小,具有單磁疇結構和矯頑力很高的特性,用它制成的磁記錄材料不僅音質、圖像和信噪比好,而且記錄密度比γ-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強磁性納米顆粒還可制成磁性液體,用于電聲器件、阻尼器件、旋轉密封及潤滑和選礦等領域。

3、 納米陶瓷材料

傳統的陶瓷材料中晶粒不易滑動,材料質脆,燒結溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上運動,因此,納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性,這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形,然后做表面退火處理,就可以使納米材料成為一種表面保持常規陶瓷材料的硬度和化學穩定性,而內部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、納米傳感器

納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此,可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀,檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

5、 納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發動機中,燃燒室的內表面需要耐高溫,其外表面要與冷卻劑接觸。因此,內表面要用陶瓷制作,外表面則要用導熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結合在一起。如果制作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續變化,讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”,最終便能結合在一起形成傾斜功能材料,它的意思是其中的成分變化像一個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結成形時,就能達到燃燒室內側耐高溫、外側有良好導熱性的要求。

6、納米半導體材料

將硅、砷化鎵等半導體材料制成納米材料,具有許多優異性能。例如,納米半導體中的量子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、導電率降低,電導熱系數也隨顆粒尺寸的減小而下降,甚至出現負值。這些特性在大規模集成電路器件、光電器件等領域發揮重要的作用。

利用半導體納米粒子可以制備出光電轉化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由于納米半導體粒子受光照射時產生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力,因而它能氧化有毒的無機物,降解大多數有機物,最終生成無味的二氧化碳、水等,所以,可以借助半導體納米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。

7、納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑,這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數較大、表面的化學鍵狀態和電子態與顆粒內部不同、表面原子配位不全,導致表面的活性位置增加,使它具備了作為催化劑的基本條件。

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑,可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應的溫度從600 ℃降低到室溫。

8、 醫療上的應用

血液中紅血球的大小為6000~9000 nm,而納米粒子只有幾個納米大小,實際上比紅血球小得多,因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個部位,便可以檢查病變和進行治療,其作用要比傳統的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好,21世紀的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復雜,而且一般只適用于制備硬材料。

介入性氣囊和導管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備,通過把具有高長徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中,我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優異的力學性質和容易加工成型的特性,一方面獲得更好的血液相溶性。

實驗結果顯示,這種納米復合材料引起血液溶血的程度會降低,激活血小板的程度也會降低。

使用納米技術能使藥品生產過程越來越精細,并在納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藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便,用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液,就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進行修飾形成一些具有靶向,可控釋放,便于檢測的藥物傳輸載體,為身體的局部病變的治療提供新的方法,為藥物開發開辟了新的方向。

9、納米計算機

世界上第一臺電子計算機誕生于1945年,它是由美國的大學和陸軍部共同研制成功的,一共用了18000個電子管,總重量30t,占地面積約170㎡,可以算得上一個龐然大物了,可是,它在1s內只能完成5000次運算。

經過了半個世紀,由于集成電路技術、微電子學、信息存儲技術、計算機語言和編程技術的發展,使計算機技術有了飛速的發展。今天的計算機小巧玲瓏,可以擺在一張電腦桌上,它的重量只有老祖宗的萬分之一,但運算速度卻遠遠超過了第一代電子計算機。

如果采用納米技術來構筑電子計算機的器件,那么這種未來的計算機將是一種“分子計算機”,其袖珍的程度又遠非今天的計算機可比,而且在節約材料和能源上也將給社會帶來十分可觀的效益。

可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產。計算機在普遍采用納米材料后,可以縮小成為“掌上電腦”。

10、納米碳管

1991年,日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料,它是由許多六邊形的環狀碳原子組合而成的一種管狀物,也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的,如圖所示。

這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長的尺寸都是納米量級的,因此被稱為納米碳管。它的抗張強度比鋼高出100倍,導電率比銅還要高。

在空氣中將納米碳管加熱到700℃左右,使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞,成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點金屬(如鉛)蒸發后凝聚在開口的納米碳管上,由于虹吸作用,金屬便進入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小,因此管內形成的金屬絲也特別細,被稱為納米絲,它產生的尺寸效應是具有超導性。因此,納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導體。

納米技術在世界各國尚處于萌芽階段,美、日、德等少數國家,雖然已經初具基礎,但是尚在研究之中,新理論和技術的出現仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平,研究隊伍也在日漸壯大。

11、家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用,可用為作電冰箱、空調外殼里的抗菌除味塑料。

12、環境保護

環境科學領域將出現功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學和生物制劑造成的污染,并能夠對這些制劑進行過濾,從而消除污染。

13、紡織工業

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復配粉體材料,經抽絲、織布,可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內衣和服裝,可用于制造抗菌內衣、用品,可制得滿足國防工業要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

14、機械工業

采用納米材料技術對機械關鍵零部件進行金屬表面納米粉涂層處理,可以提高機械設備的耐磨性、硬度和使用壽命。



納米材料的應用效應

以上納米材料的應用范圍主要是因為納米材料有以下的各種效應所至,比如用于線路板防水防潮的TIS-NM納米涂層正是因為納米材料使線路板表面能量降低,從而產生疏水疏油的特性。

體積效應

當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波相當或更小時,周期性的邊界條件將被破壞,磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等都較普通粒子發生了很大的變化,這就是納米粒子的體積效應。納米粒子的以下幾個方面效應及其多方面的應用均基于它的體積效應。例如,納米粒子的熔點可遠低于塊狀本體,此特性為粉粉冶金工業提供了新工藝;利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質,可以改變顆粒尺寸,控制吸收的位移,制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料,用于電磁屏蔽,隱形飛機等。

表面效應

表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。表1給出了納米粒子尺寸與表面原子數的關系。

表1 納米粒子尺寸與表面原子數的關系

粒徑(nm)

包含的原子(個)

表面原子所占例

20

2.5X10^5

10

10

3.0X10^4

20

5

4.0X10^3

40

2

2.5X10^2

80

1

30

99

從表可以看出,隨粒徑減小,表面原子數迅速增加。另外,隨著粒徑的減小,納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小,處于表面的原子數越多。表面原子的晶體場環境和結合能與內部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子,有許多懸空鍵,具有不飽和性質,易于其他原子想結合而穩定下來,因而表現出很大的化學和催化活性。

量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時,費米能級接近的電子能級由準連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級間距為:4Ef/3N

式中Ef為費米勢能,N為微粒中的原子數。宏觀物體的N趨向于無限大,因此能級間距趨向于零。納米粒子因為原子數有限,N值較小,導致有一定的值,即能級間距發生分裂。半導體納米粒子的電子態由體相材料的連續能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結構的能級,表現在吸收光譜上就是從沒有結構的寬吸收帶過渡到具有結構的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性,如高的光學非線性,特異的催化和光催化性質等。

量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。人們發現一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應,它們可以穿越宏觀系統的勢壘產生變化,故稱為宏觀的量子隧道效應。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

介電限域

納米粒子的介電限域效應較少不被注意到。實際樣品中,粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質所包圍,而這些介質的折射率通常比無機半導體低。光照射時,由于折射率不同產生了界面,鄰近納米半導體表面的區域﹑納米半導體表面甚至納米粒子內部的場強比輻射光的光強增大了。這種局部的場強效應,對半導體納米粒子的光物理及非線性光學特性有直接的影響。對于無機-有機雜化材料以及用于多相反應體系中光催化材料,介電限域效應對反應過程和動力學有重要影響

上述的小尺寸效應﹑表面效應﹑量子尺寸效應﹑宏觀量子隧道效應和介電限域應都是納米微粒和納米固體的基本特征,這一系列效應導致了納米材料在熔點﹑蒸氣壓﹑光學性質﹑化學反應性﹑磁性﹑超導及塑性形變等許多物理和化學方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現許多奇異的物理﹑化學性質。

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