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纳米技术与纳米材料

纳米技术是近十年来蓬勃兴起的新科技，纳米技术是一种在纳米尺度空间内
的生产方式和工作方式。纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术，
纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一个器件,实现
对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认
识等等。纳米技术作为一门崭新的、面向21世纪的科学技术,它已渗透于精细化
工的方方面面，逐步形成纳米精细化工学，可以预言，随着纳米科学技术的飞速
发展，会有越来越多的新型纳米材料在精细化工方面得到广泛的应用，精细化工
学也会发生巨大的变革。

第一节概述

一、纳米技术与纳米材料的概念

1．纳米技术

纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、
分子和其它类型物质的运动和变化的学问；在这一尺度范围内对原子、分子进行
操纵和加工称为纳米技术。我国纳米科学家，国家重点基础研究计划（973计划）
纳米材料和纳米结构项目首席科学家、中国科学院固体物理研究所张立德研究员
作了总结性的定义：“纳米科技是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的
体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术”。

纳米技术包括的内容有：创造和制备优异性能的纳米材料；设计、制备各种
纳米器件和装置；探测和分析纳米区域的性质和现象。

2．纳米材料

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原
子簇，小于通常的微粒，一般为0.1～102nm。它包括体积分数近似相等的两个
部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程
序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。
纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂
成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、
磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米材料跟普通的金属、
陶瓷和其它固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的
原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本
颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含
大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条
300多米长的帆船跟整个地球的比例。

二、纳米材料的特性
纳米材料是指物质的颗粒尺寸<100nm的超微粉末，它的比表面积很大，
晶界处的原子数比率高达15%～50%，一些科学家认为，纳米材料不同于晶态与
非晶态，是物质的第三态固体材料，其种类很多，可分为金属、陶瓷、有机与无
机、复合纳米材料等。

纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，
即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而
具有传统材料所不具备的物理、化学性能。

1.纳米材料的表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的
变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如图10-1所示：

图10-1表面原子数与粒径的关系

从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径
降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子
的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使
这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如
要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层
极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为
新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

2.小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸
变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，
同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。
（1）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原
有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺
寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全
消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将
太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

（2）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定