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什么是納米?什么是納米材料?
類別:行業資訊|建材產品|納米建材  日期:2010-12-9  來源:  點擊率:60024  打印 關閉
    納米(nm)和米、微米等單位一樣,是一種長度單位,一納米等于十的負九次方米,約比化學鍵長大一個數量級。納米科技是研究由尺寸在0.1至100納米之間的物質組成的體系的運動規律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。可衍生出納米電子學、機械學、生物學、材料學加工學等。

    納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小,界面占用相當大的成分。因此,納米材料具有多種特點,這就導致由納米微粒構成的體系出現了不同于通常的大塊宏觀材料體系的許多特殊性質。納米體系使人們認識自然又進入一個新的層次,它是聯系原子、分子和宏觀體系的中間環節,是人們過去從未探索過的新領域,實際上由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過程中,在結構上有序度的變化,在狀態上的非平衡性質,使體系的性質產生很大的差別,對納米材料的研究將使人們從微觀到宏觀的過渡有更深入的認識。

    

    納米材料的特點:

    當粒子的尺寸減小到納米量級,將導致聲、光、電、磁、熱性能呈現新的特性。比方說:被廣泛研究的II-VI族半導體硫化鎘,其吸收帶邊界和發光光譜的峰的位置會隨著晶粒尺寸減小而顯著藍移。按照這一原理,可以通過控制晶粒尺寸來得到不同能隙的硫化鎘,這將大大豐富材料的研究內容和可望得到新的用途。我們知道物質的種類是有限的,微米和納米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的,但通過控制制備條件,可以得到帶隙和發光性質不同的材料。也就是說,通過納米技術得到了全新的材料。納米顆粒往往具有很大的比表面積,每克這種固體的比表面積能達到幾百甚至上千平方米,這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑,在氫氣貯存、有機合成和環境保護等領域有著重要的應用前景。對納米體材料,我們可以用“更輕、更高、更強”這六個字來概括。“更輕”是指借助于納米材料和技術,我們可以制備體積更小性能不變甚至更好的器件,減小器件的體積,使其更輕盈。第一臺計算機需要三間房子來存放,正是借助與微米級的半導體制造技術,才實現了其小型化,并普及了計算機。無論從能量和資源利用來看,這種“小型化”的效益都是十分驚人的。“更高”是指納米材料可望有著更高的光、電、磁、熱性能。“更強”是指納米材料有著更強的力學性能(如強度和韌性等),對納米陶瓷來說,納米化可望解決陶瓷的脆性問題,并可能表現出與金屬等材料類似的塑性。

    納米材料的應用前景

    納米材料的應用前景是十分廣闊的,如:納米電子器件,醫學和健康,航天、航空和空間探索,環境、資源和能量,生物技術等。我們知道基因DNA具有雙螺旋結構,這種雙螺旋結構的直徑約為幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅為幾納米的發光半導體晶粒,選擇性的吸附或作用在不同的堿基對上,可以“照亮”DNA的結構,有點像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔,借助與發光的“燈籠”,我們不僅可以識別燈塔的外型,還可識別燈塔的結構。簡而言之,這些納米晶粒,在DNA分子上貼上了標簽。 目前,我們應當避免納米的庸俗化。盡管有科學工作者一直在研究納米材料的應用問題,但很多技術仍難以直接造福于人類。2001年以來,國內也有一些納米企業和納米產品,如“納米冰箱”,“納米洗衣機”。這些產品中用到了一些“納米粉體”,但冰箱和洗衣機的核心作用任何傳統產品相同,“納米粉體”賦于了它們一些新的功能,但并不是這類產品的核心技術。因此,這類產品并不能稱為真正的“納米產品”,是商家的銷售手段和新賣點。現階段納米材料的應用主要集中在納米粉體方面,屬于納米材料的起步階段,應該指出這不過是納米材料應用的初級階段,可以說這并不是納米材料的核心,更不能將“納米粉體的應用”等同與納米材料。

    下面我們選用幾副插圖來說明納米材料。  圖一:二氧化鈦納米管。多種層狀材料可形成管狀材料,最為人們所熟悉的是碳納米管。圖一為二氧化鈦納米管的透射電鏡照片,這種管是開口、中空管,比表面積能達到400m2/g,可能在吸附劑、光催化劑等方面有應用前景。

    圖二:晶內型納米復相陶瓷,顏色較淺的大晶粒內部有一些深色的顆粒,在陶瓷收到外力破壞時,這些晶內的深色顆粒像一顆顆釘子,抑制裂紋擴散,起到對陶瓷材料的增強和增韌作用。

    圖三:二氧化鈦納米顆粒的透射電鏡照片。可以看出二氧化鈦僅為7納米左右。人們不僅要問:如此小的納米顆粒肉眼能否看到?商家提供的“納米粉體”能看得到嗎?如此小的晶粒用肉眼是看不到的,可以借助于電子顯微鏡來看。由于這些晶粒聚集在一起,我們可以看到聚集后的粉體,除了能感覺到“納米粉體”更膨松外,不借助科學的表征方法,我們難以區別它們。

    納米材料出現于20世紀80年代中期,和宏觀材料迥然不同,它具有奇特的光、電、磁、熱和力、化學等方面的性質。

    用金屬制成的納米材料硬度會提高數倍,而且竟然會變成不導電的絕緣體;納米陶瓷很有韌性,可以重擊而不碎;納米材料的熔點會大大降低,金的熔點是1063℃,制成納米材料后熔點會降為330℃;納米鐵的抗斷裂應力比普通鐵提高12倍;納米藥粉可以直接作血液注射……。

    納米材料的這些優異性能使得它剛一出現就引起了人們濃厚的興趣和關注。科學家相信,21世紀,納米材料將會有日新月異的發展。

    但是,納米材料在生產技術上還存在許多問題。納米材料可以說是超微粒材料,用一般的研磨方法是不可能得到的,目前一般選用較為特殊的物理或化學方法,但這些方法成本很高,而且不能大規模生產。

    在材料科學家和其他科學家經過不懈努力后,取得了重大突破,在一些先進國家相繼建立了受控聚變實驗裝置,進行科學實驗。更令人興奮的是,受控核聚變經過近半個世紀的努力,它的科學可行性已由現有的實驗結果外推確認,圖2為其實驗裝置Tokamak示意圖。而最具說服力的實驗是1991年11月JET和1993年12月TFTR的D-T實驗,證明受控核聚變已不是可望而不可及的幻想,而是經過努力可望在本世紀中葉付諸應用的有效能源。



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