编号：CYYJ00078

篇名：纳米材料和纳米技术(一)

作者： 尹彩彬

关键词： 纳米 技术

机构： 黎明化工研究院

原文： 著名诺贝尔奖获得者Ｆeyneman在２０世纪６０年代曾预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生的丰富变化。他所说的材料正是现在所谓的“纳米材料”。 我国著名科学家钱学森院士曾说过：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科学技术发展的特点，会是一次技术革命，从而将是２１世纪的又一次产业革命。” 目前，大多数人认为，纳米材料是指其基本颗粒尺寸在１－１００nm范围内的材料。但是，就纳米技术发展的终极目的而言，钱学森院士的说法更为符合实际，即纳米物质（纳米颗粒、纳米材料等）的尺寸应为0.1-100nm。0.1nm，是化学元素中最小的原子（Ｈ）的粒径。 作为纳米物质的科学基础，纳米科学应运而生，我国科学家也多有著述。例如，白春礼院士的《纳米科学与技术》。 纳米科学与许多分支学科密切相关，加之纳米科学与技术又起着龙头的作用，因此就出现了纳米化学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米医疗和医药学、纳米摩擦学、纳米技术、纳米工艺、纳米工程…。这些学科的研究发展，为纳米材料的发展提供了科学基础。而纳米化学是其他各门纳米分支学科的基础。在纳米科学与技术这一广阔天地里，化学家是大有可为的。 １纳米化学 纳米颗粒的特性是物理学家发现的。他们在２０世纪６０年代从理论上，９０年代在实验上证实；当金属或半导体的颗粒尺寸减小到纳米量级时，其电学性质会发生突变，同时磁性、光学性质、光电性质一般也会有特殊表现。究其原因，是由于颗粒尺寸缩小到纳米级导致电子能级发生了变化，金属从准连续能级变为离散能级，半导体的能带宽度也显著增大，从而出现了纳米铜不导电等奇异特性等。 初期阶段，化学家并没有参加到对这个问题的研究中来，后来发现，他们多年来研究的许多物质的基本颗粒尺寸也是纳米级的，如用作催化剂的许多金属氧化物就是例子。此外，化学家合成出的许多大分子尺寸也处于纳米量级范围内。因此，出现了物理学家、化学家、生物学家、材料学家等都开始制备和研究纳米物质，纳米材料成了一个热门。 材料是研究工作的基础。一种新材料被发现后，只有对其物理化学性质充分认识之后，才能使之得到充分利用，目前还远没有做到这一点。尤其应大力开展对纳米材料的化学性质的全面研究，同时积极探索新的途径，这是化学家和化工科技工作者责无旁贷的任务。 1.1纳米颗粒的基本概念 大家知道，人们把眼睛可以看到的物质体系称为宏观体系，把理论研究中所接触到的原子、分子体系称为微观体系。然而，在宏观体系与微观体系之间还存在着物质微粒，于是有人定义其为介观体系。 介观体系虽然存在于自然界中，但是现在人们主要是用人工方法将宏观物质粉碎成纳米物质颗粒或将原子、分子合成具有全新特性的颗粒，人们称其为超微颗粒或超微粒子。在化学工程领域，常将超微颗粒叫做超微粉末。其实，叫法虽不同，但指的都是纳米颗粒。 显然，超微颗粒是用肉眼和一般显微镜看不到的微小粒子。一般烟尘颗粒尺寸为数微米，血液中的红血球大小为6000-9000nm，可见光波长尺寸为400-760nm，甚至一般细菌一般尺寸也有数十纳米。因此，纳米颗粒只能用高倍电子显微镜进行观测。 应该指出的是：物质颗粒究竟是纳米颗粒，还是普通粉体颗粒，仅从尺寸大小来定义交不十分充分。还应该从颗粒表面与体积内所含原子的分布以及颗粒表面积变化加以定义：“物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著变化，或者两者变化都显著出现的颗粒称之为纳米颗粒”。从颗粒所含原子个数方面考虑，在１－100nm之间的颗粒，其含有原子数的范围应该是103-105个。 1.2纳米物质的种类 从理论上讲，一切物质都可以制成纳米颗粒。但是，用“纳米”命名的许许多物质中，其实包含着属不同类型的物质。大体上可分为如下３类： 1.2.1金属与半导体的纳米材料 这类物质当颗粒尺寸减小到纳米级时，出现“量子尺寸效应”。它们的电学、磁学、光学性质都会发生突变。不同物质有不同的尺寸临界值。这类物质是物理学家研究的对象。 1.2.2金属及非金属氧化物、金属及非金属的非氧化合物、某些硅酸盐等 这类物质，例如：Al2O3、MgO、SiO2、AIN、SiC、Si3N4多用作催化剂、陶瓷材料等，在一般情况下并未表现出特殊的电学性能，似乎没有出现“量子尺寸效应”。 1.2.3有机大分子 这类物质是化学家们合成出的许多大分子，如冠醚化合物、树型化合物、多环化合物、超分子化合物、富勒烯等等，其分子尺寸可达几纳米，甚至几十纳米。一些生物活性的大分子也可以归入这一类。这些化合物的电子能级一般都呈现出分子轨道能级的特点，有时会出现离子导电。但其导电性与颗粒尺寸的关系不明显，与金属纳米颗粒的性质有很大差别。不过这类大分子化合物，当其分子结构达到一定尺寸和复杂程度时，会出现一些特殊性质，如自修复、自组合等，形成更复杂的结构。 除上述3大类以外，还有1类应当提及，就是具有特殊性能和用途的纳米功能高分子材料。这是一个研究尚不够深入但又极其重要的领域。由纳米尺寸的高分子构成的有机功能材料，具有电、光及吸波功能等特性，可以用作功能防腐防污涂料、纳米量子点的基材、旋光分子识别、材料的增强等方面。吉林大学王策教授夫妇，成功地制备出了长度为20mm以内的电活性聚笨胺分子、直径为16-50mm的纤维以及孔径为1－2mm的刚性聚苯胺环状分子。另外，我国在耐高温绝缘材料方面，将纳米技术用于聚酰亚胺改性也取得了较大进展。 纳米材料设计是当前材料科学技术中的一个前沿课颗，高分子材料设计远没有像半导体超晶格、量子阱材料设计那样进入成熟阶段。纳米材料设计至少包含2个方面内容：一方面是设计尺寸在纳米数量级的超级颗粒的结构、特性和合成方法；另一方面是设计将它们组成具有预期性能和功用的材料。 化工科技工作者，应敢为天下先，从分子水平上控制分子链的微观结构，通过“化学裁剪”技术，诸如嵌段，接枝、交联、互穿网络等合成聚合方法，以及模拟生物高分子自组装形成复杂结构途径，以期制备出具有特殊性能和用途的新型纳米功能高分子材料。 1.3纳米颗粒的存在状态 纳米颗粒大约有以下4类6种不同的存在状态。 1.3.1.1纳米颗粒单独存在，其间距足够大，以至于可以忽略颗粒间相互作用，如CNTs晶体管。 1.3.1.2纳米颗粒被表面活性物质形成的薄膜包围，这是纳米颗粒的贮存方法之一。 1.3.2纳米颗粒被其他物质形成的外壳包围。如纳米Co颗粒，经氧化后，表面生成CoO和Co3O4壳。 1.3.3纳米颗粒分散在其他物质构成的基材中，如由纳米颗粒增强、增韧的高分子材料。 1.3.4.1纳米颗粒与另一种颗粒物质形成分散体系，如由纳米与微米材料制成的陶瓷。 1.3.4.2纳米颗粒本身形成的体系，如纳米固体在不同存在状态下的纳米颗粒，其界面情况和相互作用都是不同的。这些纳米颗粒之间可以有一定的相互作用和团聚（不是硬团聚），但都必须是单独存在的，否则就失去了纳米尺寸的特性。实际上，许多宏观块状物质也是由大量的颗粒组成的，其中也包括了一些纳米尺寸的颗粒，但由于它们被致密地压实在一起，因而是不能表现出纳米物质的特性。