纳米材料的发展历史,现状及

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1、纳米材料的发展历史及现状化工09-5宁志龙纳米材料的发展历史纳米材料的应用其实很早就有了，只是没有上升成纳米材料的概念。早在一千多年前，我国古代利用燃烧蜡烛收集的碳墨作为墨的原料及染料。这是应用最早的纳米材料。我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝，经检验发现其表面有一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。以及十八世纪中叶，胶体化学的建立，科学家们开始研究直径为1-100nm的粒子系统。这种液态的胶体体系就是现在所说的纳米溶胶。硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在后来的催化剂的研究中，人们制备了铂黑，这大约是纳米金属粉体的最早应用。但是把纳米材料正式作为材料科学的一个新的分支是1990

2、年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定的。所以将1990年七月以前作为纳米材料发展的第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备不同材料的纳米粉末，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性，但研究大部分局限在同一材料。在这一阶段中最值得一提的是1985年发现的碳纳米原子团簇-C60。这种材料的研制成功使人们看到它具有普通尺寸碳材料不具备的特殊性能。这种材料的碳原子数目是稳定的。纯的C60固体是绝缘体，但是采用碱金属掺杂后就成为导电性很好的材料，可以与金属相比。甚至成为超

3、导体。同时发现C60在低温下呈现铁磁性。1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质在不同的聚集状态及环境条件下，自身的物性规律和运动规律都将可能发生根本性变化。换言之，当环境条件超过某一极限范围后，物质的运动规律、性质都会发生质的变化，其相应的理论也将发生改变，必须寻找新的适应该环境条件范围内的理论与之相适应。比如按相对论的推理，当物体速度超过光速后，时间就会成为负值，即出现时间倒转，这是不可能的，从环境条件的观点来看，这个理论的适用范围就是物体的速度不超过光速。物体的尺寸大小也一样

4、，当物质的聚集形式达到纳米尺度，物质与常态下该物质相比就会出现许多本质的不同，原来的良导体可能变成绝缘体、惰性物质可能变成活性物质，而且这些现象也无法用原来的理论加以解释，这就说明原来的理论已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代之，如：量子尺寸效应小尺寸效应表面与界面效应宏观量子隧道效应介电限域效应量子尺寸效应（Thequantumsizeeffect）量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料

5、有显著的不同。早在20世纪60年代，久保（Kubo）采用一电子模型求得金属纳米晶粒的能级间距δ为：δ=4Ef/3N式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。小尺寸效应（Smallsizeeffect）当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁

6、化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。介电限域效应介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时，就产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应，纳米颗粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等都会有重要的影响。制备技术方面物质的颗粒越小，其表面积越大。物质体系的表面能越高，同时物质的颗粒越小，其原子(分子)的混乱度越大

7、，体系的熵值也越大，体系就越不稳定。因此纳米状态实际上是一种不稳定的高能体系状态。它会自发的由小颗粒的高能状态向大颗粒的低能状态转变，这就是我们在纳米材料中常说的团聚。因此纳米材料在制备和应用过程中的一个较大的困难就是要防止纳米材料的团聚。纳米颗粒一旦发生团聚，材料在纳米尺度范围所表现出的优异性能就会丧失待尽。目前经过广大科学家的努力，在纳米材料的制备技术方面已取得了较大的成功，迄今为止，绝大部分金属、氧化物和碳等都能制备出来，许多金属、SiO2、TiO2、CaCO3、石墨等的纳米级材料，已经能够规模生产。纳米金属材料纳米二氧化钛应用研究方面一催化、降解材料领域纳

8、米颗粒由于