纳米材料的功能特性及其应用

纳米材料的功能特性及其应用

梁 敏1，邹丰谦2

【摘 要】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。

【期刊名称】化工技术与开发 【年(卷),期】2014(000)006 【总页数】3

【关键词】关 键词：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