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纳米材料
材料化学0911 0920213110 魏正宇
摘要：纳米材料是指构成材料的颗粒粒度都在纳米级，或者是含有一定比例的纳米级颗粒的材料。纳米材料的优点有表面活性增大，还会有量子尺寸效应等。本文通过对纳米材料的特殊性质以及光纤通信，纳米半导体的光催化特性上的重要 的作用进行了描述同时也介绍了多种制备纳米材料的方法。
一．纳米材料概述
纳米材料是近几年材料科学中最富有活力，研究内涵十分丰富的研究热点之一。“纳米”是一个尺寸单位，最早以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它是指颗粒尺寸限制在10~100nm范围内，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统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，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
纳米材料的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段（1900年以前）主要是在实验室内制备各种材料的纳米颗粒粉体，研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段（1994年）关注的热点是如何利用纳米材料的奇特物理，化学和力学性能，设计纳米复合材料。在第三阶段（从1994年到现在），纳米组装系统，人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注。费曼曾预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子......，那将会创造什么样的奇迹”。
二．纳米材料的分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。
纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
纳米块体：将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶得到的纳米晶粒材料。
三．纳米材料的特性1)小尺寸效应
纳米微粒的尺度一般在1～100nm之间，用它做成的纳米材料会演示出特殊的性质。当超微粒子的尺寸和光波波长和德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小的时候，声、光、磁、电、热等特性会呈现新的尺寸效应。例如纳米材料的熔点会降低，如金的熔点是1333K，而纳米金只有603K。银的熔点是969.8K，纳米银的熔点只有273K。利用纳米金属熔点降低的性质，我们可以在低温的条件下来烧结制备合金，而且也可以使不互溶的金属冶炼成合金。例如钛合金的制备应该会更加容易，而因为熔点降低的话，以前没有办法制备的性能更好的合金就会被制备出，这应该会给我们的航天材料带来革新，给航天事业带来新的突破。
2)表面效应
纳米微粒粒度小，表面积大，位于表面的原子数迅速增加。随着粒径减小，比表面积大大增加。纳米粒子表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加。粒径为1纳米时，表面将占20%,粒径为1纳米时，表面的体积百分数增加到99%。由于庞大的比表面积，表面原子数增加，无序度增加，键态严重失配，配位不足，出现许多活性中心极不稳定，很容易与其他原子结合，从而出现一些奇特现象。比如金属纳米粒子在空气中可以燃烧，铁纳米粒子可以作为催化剂在低温下分解二氧化碳等。
3)量子尺寸效应
纳米微粒对某种波长的光的吸收带有蓝移（发光带或吸收带由长波移向短波长）现象，对各种波长光的吸收带有宽化现象，纳米微粒利用此特性吸收紫外光。通常把随着颗粒尺寸减少，能隙加大而发生蓝移的现象称为量子尺寸效应。
四．纳米材料的用途
由于纳米材料的比表面积很高，使得表面积增到，处于界面上的原子多，表面活性高。这一点最适合用来做催化剂，这样它的活性一定很高，这样就可以使反应条件更加容易。例如乙烯的氢化反应，通常用铂作催化剂，在873K进行。如果改用纳米铂黑作为催化剂，这个反应在室温下就可以进行了。又如，粒径为30nm的镍可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍。
纳米材料颗粒对光的吸收特别好，利用这种性质，可制作红外线检测元件，红外吸收材料及现代隐形战斗机上的雷达吸收材料。这对国家的军事力量带来了新的力量。现在在我们国家新研发的歼-14战斗机中采用国际最先进的等离子隐身技术，并结合低RCS隐身技术，使正面雷达反射截面积仅为0.06平方米，并且歼-14同样使用了先进的红外隐身技术，通过喷流冷却矩形喷口，垂尾、平尾、尾撑向后延伸，可遮蔽发动机喷口的红外线辐射，蒙皮采国产新型红外抑制涂料，有效降低了超音速巡航时产生的红外辐射。相信在不久的将来，我国的航天科技上运用到纳米材料，会使吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好，使用会更加简便、不会影响飞行器的飞行性能，还可能在一定程度上减少的飞行阻力。
同时呢，纳米材料在防晒化妆品，塑料，金属防腐及荧光灯中得到了广泛的应用。如在塑料表面增加一层含有纳米微粒的透明涂层，吸收紫外光，就可防止塑料老化。
五．纳米微粒制备方法
纳米材料的合成和制备一直是纳米科技的一个重要的课题。新材料制备工艺的研究与探索对控制纳米材料的微观结构和性能有着重要的影响。选择适当的工艺对材料的运用方向起到至关重要的作用，目前主要的方法有低压气体中蒸发法、溅射法、微乳液法、溶胶一凝胶法、化学气相沉积法等。
1.物理制备方法
1)低压气体中蒸发法
此种制备方法是在低压的氢、氮等惰性气体中通过电阻加热法、等离子喷射法、高频感应法、电子束法、激光法等办法加热金属，使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒。当然不同的加热方法制备出的超微粒的量、种类、粒径分布及大小等都存在一些差别。
2)溅射法
溅射法是物理气相沉积的一种。所谓“溅射”是指核能粒子轰击固体表面，使固体原子(或分子)从表面射出的现象。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且具有方向性。应用这一现象将溅射出来的物质沉积到基片的方法称为溅射法。
2.化学制备方法
1）微乳液法(反相胶束法)微乳液法，又称反相胶束法，是一种制备纳米材料的液相化学法。所谓反相胶束法是指两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，也就是双亲分子将连续介质分割成微小空间形成微型反应器，反应物在其中反应生成固相，由于成核、晶体生长、聚结、团聚等过程受到微反应器的限制，从而形成包裹有一层表面活性剂，并且有一定凝聚态结构和形态的纳米粒子。
反胶束法制备纳米微粒的优点有:实验装置简单、能耗低、操作简单、粒径大小可控、粒子分散性好、分布窄、易于实现连续化生产操作等特点。
2）溶胶一凝胶法(胶体化学法)溶胶一凝胶法其基本原理是: 用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，经水解直接形成溶胶或解凝形成稳定的透明溶胶系，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧固化制备出分子或纳米亚结构的材料。溶胶一凝胶转化
溶胶中含有大量的水，凝胶化过程中，使体系失去流动性，形成一种开放的骨架结构。实现凝胶的途径有两个:一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度;二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。
3）化学气相沉积法
化学气相沉积法是指直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体，让一种或数种气体通过热、光、电、磁和化学等的作用而发生热分解、还原或其他反应，从气相中析出纳米粒子，冷却后得到纳米粉体。用此法可以制取金属纳米粉末、金属和非金属的氢、氧、氮、碳化物的纳米粉末，以及各类纳米薄膜。六．纳米半导体
纳米半导体材料基于独特的纳米结构，其能带结构会发生改变，使其物理、化学性质相对于普通体相半导体材料发生了明显的变化。1)光催化特性
通过减小半导体催化剂的颗粒粒径，可以显著提高其光催化效率。近几年来，对TiO等半导体纳米粒子的光催化性质的研究表明，纳米粒子的光催化活性比相应的体相材料高得多。半导体纳米粒子具有优异的光催化活性的原因主要有: 纳米半导体粒子尺寸到纳米量级时，量子尺寸效应就变得显著，这使得导带和价带之间的能隙变宽，生成光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能力。
当颗粒粒径小于载流子复合前迁移的距离时，电子与空穴复合几率降低，有效提高光催化效率，粒子半径减小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子与空穴分离的效果越好，从而提高光催化效率。
半导体催化剂粒径减小，催化剂的表面积提高，使比表面积对反应速率的约束减小，表面缺陷和活性中心增加，这些对提高光催化活性都是有利的。2)光催化技术的运用
a)污水处理
随着经济和社会的发展，工业污水和生活污水排放量越来越多，它们的污染源主要来源于防腐剂、洗涤剂、除草剂、杀虫剂、农药和染料等。这其中很多有机物是利用生物处理技术难以消除的。研究表明，利用半导体材料的光催化性质来处理废水中的有关有机污染物有可能成为一种有效的方法。半导体光催化材料在光照条件下，产生电子和空穴，它们具有较强的氧化和还原能力，不仅可以还原有毒的重金属离子，同时还能降解大多数有机物，并最终生成无毒无味的水和二氧化碳及一些简单的无机物。
b)气体净化
近几十年来，环境污染问题日趋严重，有害气体净化日益受到人们的重视。纳米半导体光催化降解技术为这一问题的解决提供了良好的途径。光催化能在室温下利用空气中的水蒸汽和氧去除污染物，与需要在较高温度下进行、操作步骤复杂的其它多相催化方法比较，具有显著的优越性。
空气污染可分为两类:室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要包括装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气，室内汗臭、香烟臭味、冰箱异味等。二氧化钛通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体主要指由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物。利用纳米二氧化钛的光催化作用可将这些气体氧化，形成蒸气压低的硝酸或硫酸，这些硝酸或硫酸可在降雨过程中除去。另外，将光催化大气净化材料应用于建筑物外墙表层，可实现大气净化与建材功能一体化，具有广阔的应用前景。
c)抗菌
抗菌是指二氧化钛在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭。在人们的居住环境中存在着各种有害微生物，对人类生活产生不良影响。光催化杀菌是利用光激发后，催化剂表面生成的活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水的强氧化能力与生物大分子如脂类、蛋白质、酶类以及核酸大分子发生反应，直接损害或通过一系列氧化链式反应而对生物细胞结构引起广泛的损伤性破坏。比起传统方法，光催化灭菌具有抗菌与杀菌效果迅速、杀菌能力强、同时还可以分解由细菌释放出的有毒复合物等特点。利用纳米二氧化钛的光催化性能可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物，使环境微生物对人的危害降低。近年来，纳米二氧化钛的抗菌性能不断被人们开发和利用，随着抗菌荧光灯、抗菌纤维、抗菌建材、抗菌涂料和抗菌陶瓷卫生设施的相继出现，纳米二氧化钛的抗菌性能将会得到更加广泛的应用。
七．纳米材料的发展未来
纳米材料有自洁。防垢，防附着，耐高温，耐摩擦，耐冲击的优良性能，从20世纪90年代开始，各国科学家纷纷投入“纳米战”。有人把纳米材料称为“工业味精”，因为把它“撒”入许多传统材料中，老产品会换上令人惊叹的新面貌。在当前的形势下，纳米材料的研究应该推向工业化，相信，在不久的将来，纳米材料在新材料，化工，能源，信息等领域将会发挥更大的作用。
结语：纳米材料相当于一次技术革新，它在人类生活中起到了重要的作用，它带动了人类社会的进步，引领了科学技术的发展，同时它也是最有前途的新型材料。现在纳米材料已经悄然进入我们的生活，开始朝大众化的目标而来。随着各个领域对纳米材料的研究力度的加强，可预见在不久的将来，纳米材料会运用地更加广泛，便利。纳米材料又会为我们生活水平带来一个大的跨步。参考文献：（1）戴立益，我们周围的化学，华东师范大学出版社，2002（2）张立德，牟季美。纳米材料和纳米结构，北京科学出版社，2001（3）李田，严煦世,上海环境科学，(1992)11.（4）王怡中,环境科学，(1998)1.（5）胡安正，唐超群,功能材料，32001)586.（6）黄德欢，纳米技术与应用，上海中国纺织大学出版社，2001（7）李新勇,李数本,化学进展，(1996)231.
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