纳米材料的发展史
          纳米材料的发展史
1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言：“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”
时间仅仅过去了二十几年，到了1982年，费曼的预言便成了现实。国际商用机器公司研制成了扫描隧道显微镜（简称STM），它不仅能使人类观察到了原子，而且能够利用仪器的针尖来操纵原子，德国科学家宾尼（G.Binnig）等利用扫描隧道显微镜在镍板上将硅原子组成了“IBM”（国际商用机器公司的英文缩略语）的字样。不久，日本科学家又将硅原子堆成了一个金字塔。
于是，人类也像大自然一样，成了主宰原子和分子的主人，而不仅仅是被动地去认识和利用大自然造就的原子和分子。这样，到了20和21世纪之交，人类正在悄悄地进入一个崭新的科技时代──纳米科技时代。
纳米科技是在纳米的尺度上研究和应用原子、分子及其结构信息的高新技术，它的最终目标是直接用具有纳米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料，被称为纳米材料（由粒径1～100 nm的粒子组成的固体材料），它是21世纪很有希望和前途的新型材料。
（1）纳米材料的发现
组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。
那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响：晶粒越小，强度就越高。
格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入：如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！
格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验。经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。
格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的颜，如金子是金黄的，银子是银白的，铁是灰黑的。至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的彩：瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有
机化合物组成的染料更是鲜艳无比。
可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜便一律都是黑的：瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜──黑。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地”的变化。
为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑的呢？原来，当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（1×10-7m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%。既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑的了。
“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。
格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。
（2）纳米材料的应用
① 天然纳米材料
海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。
生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
② 纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
③ 纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
④ 纳米传感器
纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。
⑤ 纳米倾斜功能材料
在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我
中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。
⑥ 纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
⑦ 纳米催化材料
纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。
镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 ℃降低到室温。
⑧ 医疗上的应用
血液中红血球的大小为6 000～9 000 nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。
⑨ 纳米计算机
世界上第一台电子计算机诞生于1945年，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18 000个电子管，总重量30 t，占地面积约170 m2，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1 s内只能完成5 000次运算。
经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展，使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。
如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。
⑩纳米碳管
1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的，如图2-1。
图 2-1 纳米碳管
这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。
在空气中将纳米碳管加热到700 ℃左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。

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