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神奇的新世纪纳米新材料

http://www.sina.com.cn 2000/11/20 11:32 新浪科技

  说来你可能不信,一向被人们认为不怕火炼的“真金”,一旦被加工成线度为两微米(1微米=10-6米)的微粒,其熔点从1063。C猛降为330。C,而把黄金微粒的线度再缩小至200纳米,其熔点就降至33。C,也就是说,只要将其使劲握在手心,金子就会在你手里化为金汤——以纳米科学技术的基础的纳米材料,将创造出令人难以想象的神奇。

  纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域,它具有奇特的性能和广阔的应用前景,被誉为跨世纪的新材料,引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料,先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划,发展迅速。我国也及时地编制“863”计划,对其进行跟踪和研究开发,国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化,使纳米材料的研究开发取得了可喜的进展。

  现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米(1纳米=10-9米)尺度的超微粒子(也称之为纳米粉)和晶粒尺寸小到纳米量极的固体和薄膜。纳米材料的发现者是著名的美国物理学家,两次诺贝尔奖金获得者RichardFeynmen。他在60年代曾经预言:如果我们能控制物体微小规模上的排序,将获得很多具有特殊性能的物质。一些科学家认为,纳米材料不同于晶态与非晶态,是物质的第三态固体材料,其种类很多,可分为金属、陶瓷、有机与无机、复合纳米材料等。

  纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构——物质的颗粒尺寸<100nm的超微粉末,它的比表面积很大,晶界处的原子数比率高达15%—50%,使之产生四大效应,即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。如Tio2纳米材料具有奇特韧性,在180℃经受弯曲不断裂;CaF2纳米材料在80—180℃温度下,塑性提高100%。

  纳米材料的制造方法纳米材料的制造方法比较多,一些制取超细微粉的方法可以用来制纳米微粒。但是,高效率低成本获取优质纳米材料的技术,仍然是各国科学家研究的重点。目前,已经报道的工艺方法主要是以下几种:物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金熔合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。

  纳米材料标志着人们对材料性能的发掘达到了新的高度,这项技术大范围地改造了传统材料,又源源不断地创造出新的材料,开辟了广阔的应用领域。在1984年,Glecter采用气体冷凝方法制备成功铁纳米微粉后,美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。为了总结和交流纳米材料的研究成果,推动纳米技术的发展,1990年在美国召开了“第一届纳米科学与技术讨论会”,这是纳米材料发展的一个里程碑。以后,各国科学家积极参与了对纳米材料物理和化学性能的研究,不断地发现纳米材料的特殊性能,引起各国科学家和政府的关注,特别是工业化国家给予专款支持,使纳米材料的性能开发、制备技术和实际应用得到了迅速发展。

  目前定义纳米材料尺寸范围为0.1-100纳米。粒径小于100纳米以后,粒子表面的原子数与其体内数目可比,例如5纳米微粒,表面原子比例占百分之四十,比表面积达成180米2/克,导致纳米材料出现不同于传统固体材料的小尺寸,表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化,产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能。例如纳米ZrO2分可在1250℃烧结到理论密度百分之九十分以上(比微米级降低400℃),具有400%超塑性变形;纳米粒子的室温可发射可见光;由量子效应可使绝缘体变成导体,具有共价键结构无极性相联系的压早效应和极高交流电导,常规磁性的铁基粒子如γ-Fe2O2在小于某一纳米尺寸时变成超顺磁体(即在有磁场作用才表现出磁性),对人体细胞具有选择性吸收性能,目前已利用作为细胞医用炮弹载体和人体磁共振检验示踪剂的组员。

  纳米ZnO2粒子具有优良的屏蔽紫外线性能,人们已开发出纳米ZnO2化妆品、纤维和衣服。因此纳米材料科学及工业应用已成为国内外跨新世纪研究开发热点,并开拓发展成为高技术产业,在电子、化工、机械、生物医学等工业领域内,具有日益广泛发展的应用前景。

  美国、日本和德国在纳米材料的研制与发展方面处于世界领先水平。现在高能量纳米材料、纳米隐形材料、纳米磁性材料已有重大突破。某些纳米材料产品已在高技术开发和军事应用领域作出了突出贡献。



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