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纳米材料特性及其在环境保护领域的应用
材纺学院高材082林允博
摘要：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术,它将成为众多技术的创新动力。本文概述了纳米材料的形态、特殊性质以及纳米材料的应用，以使大家更清楚地认识纳米材料,并了解其在环保领域的应用现状与前景。
关键词：纳米;纳米技术;前景;环境保护
1纳米材料概述
著名的诺贝尔化学奖获得者Feyneman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的异乎寻常的特性就会看到材料的性能产生丰富的变化他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点纳米材料是纳米技术应用的基础其相应发展起来的纳米技术则被公认为是21世纪最具有前途的科研领域所谓纳米科学是指研究纳米尺寸范围在0.1100nm之内的物质所具有的物理化学性质和功能的科学而纳米科技其实就是一种用单个原子分子制造物质的科学技术它以纳米科学为理论基础，进行制造新材料新器件研究新工艺的方法。
1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
2、纳米颗粒的基本性征
2.1表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2.1~3μm)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体、十面体、二十面体等)的晶型,它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10μm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。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。
2.2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,从而产生特殊的光学、热学、磁学、力学、声学、超导电性、介电性能以及化学性能等一系列新奇的性质。
3、纳米材料的形态
3.1纳米颗粒型材料
应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料被称为第4代催化剂的超微颗粒催化剂,利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率,例如,以粒径小于0.3μm的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。
3.2纳米固体材料
纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面,如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级,又将恢复通常陶瓷的特性,因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工,随后进行热处理,使其转变为通常陶瓷,或进行表面热处理,使材料内部保持韧性,但表面却显示出高硬度高耐磨性与抗腐蚀性。电子陶瓷发展的趋势是超薄型(厚度仅为几μm),为了保证均质性,组成的粒子直径应为厚度的1%左右,因此需用超微颗粒为原材料。
3.3纳米颗粒膜材料
颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材,在基片上生成复合膜,当两组分的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜,因此改变原始靶材中两种组分的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态,从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜,改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体颗粒膜材料有诸多应用例如作为光的传感