纳米材料的制备与应用

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1、纳米材料的制备与性能一、概论1.纳米科技的基本概念和内涵纳米科学技术（Nano-ST)是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（1~100nm)范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。1nm=10-9m纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学体系。国际上，以美国、日本、欧盟为代表的发达国家近年来在纳米科技领域相继启动了一批重大计划，投入了大量资金，制定了长远的战略计划，力求在新的一轮高技术竞争中占有主动权和抢占更大的市场份额。美国：

2、美国认为：纳米科学与工程将成为未来科学与工程中最有可能产生突破性成就的领域，它将导致下一次工业革命。美国要在这一新兴领域拥有主导地位，并在21世纪上半叶保持世界经济和国家安全的领导地位。美国总统克林顿在2000年1月21日提出“国家纳米技术计划(NNI)”：2000年投资2.7亿美元，2001年投资4.95亿美元。美国国家纳米计划2000年和2001年的部门预算日本：早在1991年日本通产省就开始制定并协调国际资助的纳米科技研究政策，推出耗资1.85亿美元的“原子技术计划”（1991-2001）和投资4千万美元的“量子功能器件计划”（1991-2001），两者均与

3、纳米计划密切相关。最引人注目的是“分子极限操纵的研究与开发”十年计划（1991-2001），耗资250亿日元，其中1.67亿美元用于开发微机器人。欧盟：欧盟也制定了相应的纳米科技竞争计划，主要有“欧洲联合幻影计划”，“微电子先进研究计划”（1996-1999），“纳米技术信息器件”（1999-2003）计划，EURIMUS计划（1998-2002），英国的“纳米科技联系计划”，德国教育与科技部的“纳米科技重点计划”，法国的“国家微科学技术计划”（1993-2000），以及荷兰、丹麦等国相继提出了有关纳米科技研究的计划。我国2001年7月江泽民主席接见纳米科学家上海

4、2001年7月上海成立纳米促进中心上海市两个产业化基地:徐汇基地和上海大学正象20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。美国IBM公司首席科学家Armstrong说：我国著名科学家钱学森预言：纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。纳米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。纳米科技主要包括：（1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。美国白宫战略规划办公室认为：“纳米材料是纳

5、米科技最为重要的组成部分”纳米新科技诞生才几年，已在几个重要的方面取得了重要的进展：（1）美国IBM公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜(STM)直接操作原子，成功的在Ni基板上，按照自己的意志安排原子组合成“IBM”字样。（2）在纳米材料方面：德国的格莱特和美国的席格先后研究成功的纳米陶瓷CaF和TiO2，在室温下显示出良好的韧性，在180C经受弯曲而不产生裂纹。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。1990年4月IBM公司的科学家用35个氙原子排列成“IBM”字样,开创了人类操纵单个原子的先河.（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因工程变得更加可控，人们可

6、根据自己的需要，制造出多种多样的生物“产品”。（4）纳米微机械和机器人方面：可以利用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。药物也可制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提高医疗效果，减少副作用。2.纳米材料的分类和发展历史广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：（1）零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；（2）一维，指在空间有两维

7、处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；（3）二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米微粒：颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒（1~100nm)。纳米结构材料（纳米固体）：它是由颗粒尺寸为1~100nm的粒子凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维。自然界中早就存在的纳米微粒和纳米固体：天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。海洋就是一个庞大超细微粒的聚集体。蜜蜂体内也存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到1000多年前：中国古代用燃烧蜡烛来收集碳黑作为墨的原料以及用于

8、着色的染料