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纳米材料定乾坤

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

纳米材料定乾坤

 

1959 年,诺贝尔奖获得者,美国物理学家查德・费因曼(Richard Pbillips

Feynman)曾经提出:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产

生怎样的奇迹?”这并不是一位科学家的异想天开,随着纳米材料科学的出

现、发展与完善,它很快变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发展

产生深远的影响,有可能从根本上解决人类面临的重大问题,如粮食、健康、

能源和环境保护等。

°                °

纳米材料是指材料的尺寸处于1~100um(纳米:即10 A ~100 A ) 范

围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示

出许多奇异的性能,这些性能既不同于通常的大块材料,也不同于单个原子

状态的特性。纳米科学领域,包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法,观测它

们的奇异特性,各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米

固体的新特性与有关的应用。

从 19 世纪 60 年代开始,纳米材料的发现是在胶体溶液中,它们是直径

为 1~100um 的粒子。科学家指出,直径小于 1nm 的颗粒是由 10 个原子构成,

称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的 H.格利特

(H・Gleiter) 教授所领导的研究组在 1984 年制成,他们是用 6um(纳米)

铁粉压成纳米固体。1986 年,H.格利特宣称,纳米固体是一种具有奇异结构

类型的固体,而且指出,在纳米颗粒的直径为 2~10um 的颗粒中,其原子数

目一般为 100~1000 个,其中,有 50%的体积为按不同方向排列的界面原子。

这样组合而成的材料,表现出这种材料既不同于晶态,也不同于非晶态。在

纳米粉末方面,性质上显现出一连串奇异的物理特性,如金属的纳米粒子并

不反光而且吸收光,一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质,而呈

现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑,不反光,说明具有很强的吸光特性。

另外,纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低,如 10 纳米的铁粉,熔点比

铁低 33℃,即从 1526.5℃降为 1493.5℃。纳米金粉降低 27℃,即从 1063℃

至 1036℃。其粒度越细,熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方

面均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质,即便有同样粒度,也会由

于制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。

1982 年,G.宾宁格(G.Binnlg)和 H.罗尔(H.Rohrer)发明了扫描隧道

显微镜(STM)。这种显微分析技术可以直接观察到原子,为开展纳米材料的

研究创造了有利条件。到 80 年代末,扫描隧道显微镜不仅是一种观测的工

具,而且,还可用来排布原子。为此,G.宾宁格和 H.罗尔在 1986 年获得诺

贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的 1/10,但其放大倍数

要比电子显微镜大 10 倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器,而

且它已进入了国内某些实验室。

 

1989 年,美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因,

写下了“Stanford universty”的字样。 1990 年,美国 IBM 公司的埃格勒

博士在零下 296℃的 Ni 表面用 35 个氢原子排出了“IBM”的字样,1991 年,

日本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”公司的缩写)。 1993

年 12 月,中科院北京真空物理实验室的宠世瑾教授在硅表面搬走了原子,写

下了“中国”的字样。短短几年中,美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳


米技术,所写的字母大小是一个标点符号的 1/500000,表明人类按需要排布

一个个原子的技术成为可能。查德・费因曼的梦想变成现实已不是遥远的事

情了,人类打开多姿多彩的原子、分子世界的时代即将到来。随着纳米技术

的发展,为开发原子级存贮技术,打下了有利的基础。如果将某种存贮材料

的原子一个个地按预想的方式进行排列,几个原子一组作为一个存贮单元,

根据设计的功能,进行合理布局,这样就可以使单位面积(或单位体积)的

存贮材料的容量提高几个数量级。这样,飞速发展的计算机技术就会如虎添

翼,超高速的计算机将遍地开花。

纳米技术促进着纳米材料的发展。当纳米材料实现原子级的布局的时

候,人类就会进入一个崭新的天地。目前,在现有的科学水平上,纳米材料

的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备,接着是保持这些纳米

颗粒在没有受到污染(包括表面氧化)的条件下用 5GPa(G 为千兆帕,即 109

帕)的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染,纳米颗

粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空(10-7 帕)容器中进行。生产纳

米颗粒的方法很多,有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制取

纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似,都可采用电子束、激光

束、高频加热、电阻加热等离子溅射,电子回旋共振等离子溅射等方法,这

些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来,然后收集粉

末,进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料,而且易于控制,但

还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒,粒度比较大,且不

均匀,连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有:

钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯

等,还有部分金属氧化物。

纳米材料的应用将以丰富多彩的特色在材料科学史上描绘出奇妙的一

页,如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应是极好的催化剂,可代替

昂贵的铂金或钯催化剂。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层 5~20um(纳米)的

聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,以控制生物反应,在生物技术和酶工程

领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、各种

传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突

出的,纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包

括粉状。而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。纳米薄膜又称超薄膜材料,制

成 10um 磁膜或磁带材料,其磁性能得到显著的改善,如铁——硼——硅非晶

磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高 10 倍。

纳米机器人(nano robot)正在科学家们精心的设计之中,第一代的纳

米机器人是生物系统(如酶)和机械系统有机结合的产物,即使用多功能的

微型机器人(称为易于在人体血管流动的药物),注入人体血管内,作为全

身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,甚至还能消

灭病毒,杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子、分子装配成有一定

功能的纳米尺寸的装配装置,它具有自我调节能力的转换程序,例如可以生

产人体所需的蛋白质。第三代纳米机器人将是含有纳米电子计算机的,可以

实现人机对话的并有自身复制能力的纳米装置。那时,人类的劳动方式将彻

底改变,劳动的主体——人将得到完全解放!

纳米材料一出现,有的科学家就预言,纳米材料将是 21 世纪材料构成的

基本单元,这就意味着,由纳米材料构成的许多新材料将会显示出许多前所


未有的奇异特性。于是,美国最早成立了纳米研究中心。早在 1985 年,日本

就建立了全国性的研究体制,英国政府在财政困难下,1992 年投入 1280 万

英镑支持纳米技术的发展。我国已在 1990~1992 年先后召开了两次全国性的

纳米学术盛会,并把纳米技术纳入“863”计划。人类进化史表明一个真理,

“一个充满挑战的时代也往往是一个充满机遇的时代”,机遇总是降临到敢

于驾驭局势的人们。历史最终属于创造它的“上帝”。

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