納米材料(納米材料的基本知識(shí))

1.納米材料的基本知識(shí)

從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。 納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。 納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料（nanometer material），是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。 納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（nano particle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的稀土納米材料

光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。 納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。 納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。 納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。 就熔點(diǎn)來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。 一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí)，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí)，將成為優(yōu)異的磁性材料。 納米粒子的粒徑（10納米~100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強(qiáng)烈對(duì)比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料。 納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進(jìn)國家水平，研究隊(duì)伍也在日漸壯大。

2.有關(guān)于納米的知識(shí)

什么是納米？ 納米是尺寸或大小的度量單位，是一米的十億分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→納米）， 4倍原子大小，萬分之一頭發(fā)粗細(xì)。

納米技術(shù)是是指制造體積不超過數(shù)百個(gè)納米的物體，其寬度相當(dāng)于幾十個(gè)原子聚集在一起。 納米科技及其研究內(nèi)容 納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬分之一米（10-8）到億分之一米（10-9米）內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工又被稱為納米技術(shù)。

用掃描隧道顯微鏡的針尖將 原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字， 漢字的大小只有幾個(gè)納米。納米科技的研究內(nèi)容包括： 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料，設(shè)計(jì)、制備各種納米器件和裝置，探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象 。

納米科技研究目標(biāo)和可能的應(yīng)用 材料和制備：更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)；長壽命和低維修費(fèi)；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破壞過程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)； 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)：2010年實(shí)現(xiàn)線條為100nm的芯片，納米技術(shù)的目標(biāo)為：納米結(jié)構(gòu)的微處理器，效率提高一百萬倍；10倍帶寬的高頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；兆兆比特的存儲(chǔ)器（提高1000倍）；集成納米傳感器系統(tǒng)； 醫(yī)學(xué)與健康 快速、高效的基因團(tuán)測序和基因診斷和基因治療技術(shù)；用藥的新方法和藥物“導(dǎo)彈”技術(shù)；耐用的人體友好的人工組織和器官；復(fù)明和復(fù)聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng) 航天和航空 低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī)；微型航天器用納米測試、控制和電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料 環(huán)境和能源 發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境； 孔徑為1nm的納孔材料作為催化劑的載體；MCM-41有序納孔材料（孔徑10-100nm）用來祛除污物；納米顆粒修飾的高分子材料 生物技術(shù)和農(nóng)業(yè) 在納米尺度上，按照預(yù)定的大小、對(duì)稱性和排列來制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖、核酸等。在納米材料和器件中植入生物材料產(chǎn)生具有生物功能和其他功能的綜合性能。

生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料，動(dòng)植物的基因改善和治療，測定DNA的基因芯片等。 納 米 技 術(shù) 簡 介 納米（nanometer）：長度單位的一種，1納米=10-9米，即十億分之一米。

大約相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的八萬分之一?！皀anometer“"源自拉丁文，意思是"矮小"。

納米的確微乎其微，然而納米構(gòu)建的世界卻是神奇而宏大的。21世紀(jì)，信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。

人們普遍認(rèn)為，納米技術(shù)是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。納米技術(shù)所帶動(dòng)的技術(shù)革命及其對(duì)人類的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子技術(shù)。

納米技術(shù)：于細(xì)微之處顯神奇 納米技術(shù)是在納米尺度內(nèi)，通過對(duì)物質(zhì)反應(yīng)、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造新的材料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探索在納米尺度內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的新現(xiàn)象和新規(guī)律。由于納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動(dòng)空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為納米世界，也是物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及信息科學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)地。

納米材料中包含了若干個(gè)原子、分子，使得人們可以在原子層面上進(jìn)行材料和器件的設(shè)計(jì)和制備。幾十個(gè)原子、分子或成千個(gè)原子、分子"組合"在一起時(shí)，表現(xiàn)出既不同于單個(gè)原子、分子的性質(zhì)，也不同于大塊物體的性質(zhì)，這種"組合"被稱為"超分子"或"人工分子"。

"超分子"的性質(zhì)，如它的熔點(diǎn)、磁性、電容性、導(dǎo)電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化。當(dāng)"超分子"繼續(xù)長大或以通常的方式聚集成大塊材料時(shí)，奇特的性質(zhì)又會(huì)失去。

通俗來說，納米材料一方面可以被當(dāng)作一種"超分子"，充分地展現(xiàn)出量子效應(yīng)；而另一方面它也可以被當(dāng)作一種非常小的"宏觀物質(zhì)"，以至于表現(xiàn)出前所未有的特性。同時(shí)， 許多化學(xué)和生物反應(yīng)的過程也發(fā)生在納米尺度的層面上，因此探測納米尺度內(nèi)物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化，將加深對(duì)生命科學(xué)的理解。

對(duì)由數(shù)量不多的電子、原子或分子組成的體系中新規(guī)律的認(rèn)識(shí)和如何操縱或組合他們，是當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)的主要問題之一。當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用主要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)等方面。

納米材料：材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿 納米科技發(fā)展中，納米材料是它的前導(dǎo)，因?yàn)榧{米材料集中體現(xiàn)了小尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高集成度和強(qiáng)相互作用以及高比表面積等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，其中最應(yīng)該指出的是納米材料是將量子力學(xué)效應(yīng)工程化或技術(shù)化的最好場合之一，可能會(huì)產(chǎn)生全新的物理、化學(xué)現(xiàn)象?，F(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只包含幾百個(gè)或兒千個(gè)原子、分子的 "顆粒"。

這些"顆粒"的尺寸只有幾個(gè)納米，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應(yīng)，也就是說十分活潑。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會(huì)燃燒，發(fā)生爆炸。

有人認(rèn)為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會(huì)有更大的推力。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學(xué)反應(yīng)過程，大。

3.關(guān)于納米的知識(shí)

什么是納米？

納米是尺寸或大小的度量單位，是一米的十億分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→納米）， 4倍原子大小，萬分之一頭發(fā)粗細(xì)。納米技術(shù)是是指制造體積不超過數(shù)百個(gè)納米的物體，其寬度相當(dāng)于幾十個(gè)原子聚集在一起。

納米科技及其研究內(nèi)容

納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬分之一米（10-8）到億分之一米（10-9米）內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工又被稱為納米技術(shù)。 用掃描隧道顯微鏡的針尖將 原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字， 漢字的大小只有幾個(gè)納米。納米科技的研究內(nèi)容包括： 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料，設(shè)計(jì)、制備各種納米器件和裝置，探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象 。

納米科技研究目標(biāo)和可能的應(yīng)用

材料和制備：更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)；長壽命和低維修費(fèi)；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破壞過程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)；

微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)：2010年實(shí)現(xiàn)線條為100nm的芯片，納米技術(shù)的目標(biāo)為：納米結(jié)構(gòu)的微處理器，效率提高一百萬倍；10倍帶寬的高頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；兆兆比特的存儲(chǔ)器（提高1000倍）；集成納米傳感器系統(tǒng)；

醫(yī)學(xué)與健康 快速、高效的基因團(tuán)測序和基因診斷和基因治療技術(shù)；用藥的新方法和藥物'導(dǎo)彈'技術(shù)；耐用的人體友好的人工組織和器官；復(fù)明和復(fù)聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)

航天和航空 低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī)；微型航天器用納米測試、控制和電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料

環(huán)境和能源 發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境； 孔徑為1nm的納孔材料作為催化劑的載體；MCM-41有序納孔材料（孔徑10-100nm）用來祛除污物；納米顆粒修飾的高分子材料

生物技術(shù)和農(nóng)業(yè) 在納米尺度上，按照預(yù)定的大小、對(duì)稱性和排列來制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖、核酸等。在納米材料和器件中植入生物材料產(chǎn)生具有生物功能和其他功能的綜合性能。，生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料，動(dòng)植物的基因改善和治療，測定DNA的基因芯片等。

4.納米的知識(shí)

納米（nm），又稱毫微米，是長度的度量單位，1納米=10^-9米。

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計(jì)量學(xué)等6個(gè)分支學(xué)科。

其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新興科技，其最終目標(biāo)是人類按照自己的意識(shí)直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界。這表明，人類正越來越向微觀世界深入，人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。

有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。

5.納米材料有什么優(yōu)點(diǎn)知識(shí)

納米材料的優(yōu)點(diǎn)：

除味、殺菌、韌性強(qiáng)、延長老化時(shí)間等。

缺點(diǎn)：

一、點(diǎn)缺陷，如空位，溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子等，這是一種零維缺陷。

二、線缺陷，如位錯(cuò)，一種一維缺陷，位錯(cuò)的線長度及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程均小于晶粒的尺寸。

三、面缺陷，如孿晶、層錯(cuò)等，這是一種二維缺陷。納米晶粒內(nèi)的位錯(cuò)具有尺寸效應(yīng)，當(dāng)晶粒小于某一臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)不穩(wěn)定，趨向于離開晶粒，而當(dāng)粒徑大于該臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)便穩(wěn)定地存在于晶粒內(nèi)。

位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系為：

1）當(dāng)晶粒尺寸在50~100nm之間，溫度<0.5mTm時(shí)，位錯(cuò)的行為決定了材料的力學(xué)性能。隨著晶粒尺寸的減小，位錯(cuò)的作用開始減小。

2）當(dāng)晶粒尺寸在30—50nm時(shí)可認(rèn)為基本上沒有位錯(cuò)行為。

3）當(dāng)晶粒尺寸小于10nm時(shí)產(chǎn)生新的位錯(cuò)很困難。

4）當(dāng)晶粒小于約2nm時(shí)，開動(dòng)位錯(cuò)源的應(yīng)力達(dá)到無位錯(cuò)晶粒的理論切應(yīng)力。

【擴(kuò)展】

納米材料

①納米定義：納米是長度單位，1nm=10-9m即：十億分之一米；

②當(dāng)材料的微粒小到納米尺寸時(shí)，材料的性能就會(huì)發(fā)生顯著變化.如：黃金在正常情況下呈金黃色，而它的納米顆粒卻變成了黑色，且熔點(diǎn)顯著下降；

6.納米材料

納米是一個(gè)長度單位。

我們知道，1米=100厘米，1厘米=10毫米，那么1米又等于多少納米呢？1米=1000000000納米，即1米=109納米?？梢?納米是很小很小的長度單位。

1980年的一天，在澳大利亞的茫茫沙漠中有一輛汽車在高速奔馳。駕車人是德國物理學(xué)家格蘭特教授，他正獨(dú)自橫穿澳大利亞的一個(gè)大沙漠。

陽光照射在無邊無際的沙漠上，細(xì)小的沙粒晶體反射著光線，灼灼發(fā)亮。寂寞、孤獨(dú)和空曠的環(huán)境，使格蘭特的思維特別活躍和敏銳，他長期從事晶體材料研究，知道晶體中的晶粒雖然微小，卻對(duì)材料性能有極大影響，晶粒越小，材料的強(qiáng)度越高。

望著茫茫無際的巨大沙丘，格蘭特想到它們都是由微小的沙粒組成的：如果組成材料的晶粒細(xì)到只有幾個(gè)納米那么大，材料的性能又會(huì)是怎樣的呢？這次旅行給了格蘭特很大的啟發(fā)。 回國后，他立即開始實(shí)驗(yàn)。

1984年，他終于得到了只有幾個(gè)納米大的超細(xì)粉末，而且他發(fā)現(xiàn)，任何材料都可以制成納米大小的超細(xì)粉末。更有趣的是，一旦變成納米大小的粉末，無論是金屬還是陶瓷，從顏色上看都是黑的，其性能也就發(fā)生了天翻地覆的變化。

納米材料一誕生，即以其異乎尋常的特性引起了材料界的廣泛關(guān)注。 無論在航天還是在軍事或民用工業(yè)中，納米材料都顯示出了巨大的優(yōu)越性。