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纳米技术与纳米材料(一)
纳米技术与纳米材料(一)
发布时间:2023-04-09 18:27:18 来源:
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纳米技术与纳米材料
(
一
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F
eyneman
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1-100
nm
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、
本文来源:
https://www.2haoxitong.net/k/doc/913be55f7fd184254b35eefdc8d376eeaeaa172f.html
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