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摘 要
纳米材料由于其自身特有的物理效应和化学性质，在不同领域具有广泛的应用性，因此被誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米材料的应用前景十分广阔，它的发展给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来了新的机遇。
通过对纳米材料及制备技术课程的学习，本文综述了对纳米材料的认识，以及其特性、分类、制备方法和其应用领域。关键词：纳米材料；分类；特性；制备；应用前言
1.1 纳米及纳米材料
纳米，实际上是一个长度计量单位，1 nm = 10-9 m，即一米的十亿分之一。正是这神奇的十亿分之一米，向我们开启了一个崭新的微观物质世界。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100nm这个范围空间，物质的性能就会发生突变，呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识，纳米科学与技术被认为是 21 世纪的三大科技之一。
1.2 纳米材料的发展简介
近年来，世界各国对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列入高科技开发项目。2005年度纳米科技研发预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米材料名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一。世界发达国家均对纳米产业进行战略性布局，并纷纷投入巨资。
我国的纳米材料研究起步比较晚，始于20世纪80年代末，但在“八五”期间已将纳米材料科学列入国家攀登项目。之后在基础研究和应用研究方面，我国在纳米技术研究方面也投入了大量的人力和物力。在《新材料产业“十二五”发展规划》中，纳米材料被列入6大发展重点之一的“前沿新材料”中。在国家各项科技计划的支持下，我国纳米材料及纳米科学技术也取得了比较突出的成果。纳米材料的分类
在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言，纳米材料是指在3维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为3类：① 0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等；③ 2维，指在3维空间中有1维在纳米尺寸，如超薄膜，多层膜，超晶格等。按化学组成可分为：纳米金属，纳米晶体，纳米陶瓷，纳米玻璃，纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性可分为：纳米半导体，纳米磁性材料，纳米非线性光学材料，纳米铁电体，纳米超导材料，纳米热电材料等。按应用可分为：纳米电子材料，纳米光电子材料，纳米生物医用材料，纳米敏感材料，纳米储能材料等。纳米材料的特性
纳米材料具有尺寸小，表面积大，表面能高，表面原子比例大的四大特点，并且具有小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应，表面效应四大效应。纳米材料的特性主要取决于制备方法。
3.1 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，故其比表面积与直径成反比，随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。
3.2 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；② 特殊的热血性质；③ 特殊的磁学性质；④ 特殊的力学性质。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性，介电性，能声学特性以及化学性能等方面。
3.3 量子尺寸效应
微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米晶体吸收光谱的边界蓝移。这是由于在纳米尺度半导体微晶中，光照产生的电子和空穴不再是自由的。存在库仑作用，此电子空穴对类似于大晶体中的激子。由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，带边以及导带中更高激发态均相应蓝移。
3.4 宏观量子隧道效应
隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性
质。物质的机械、电学、光学等性质的改变，出现了构筑它们的基石达到纳米尺度。纳米材料之所以能具备独到的特性，是因为组成物质中的某一相的某一维的尺度缩小至纳米级，物质的物理性能将出现根本不是它的组分所能比拟的改变。纳米材料的制备
纳米材料的制备主要有物理合成法和化学合成法，合成过程中将材料进行纳米结构化，主要包括以下几个方面。
常见的物理合成方法有喷雾法、喷雾干燥法、喷雾热解法、冷冻—干燥法、反应性球磨法、气流粉碎技术等。其中气流粉碎技术具有比较多的优点，它是采用高速的超音速气流来加速固体物料，使物料互相撞击或与靶撞击使物料粉碎，气流粉碎技术加工效率较高，尤其是对超硬的材料更能体现出该方法的优点，比较先进的气流粉碎设备，可以使物料在粉碎时不接触其它物质，因而可以减小对粉料的污染。
化学合成法主要有等离子体制备纳米粉末技术化学气相沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、溶剂热合成法、溶胶—凝胶法、水热法制备纳米粉末技术、微乳化技术等合成方法。其中化学气相沉淀法形成的纳米材料较细，较均一，化学气相沉淀法的原理是将一种或数种反应气体通过热、激光等离子体等而发生化学反 应，析出超微粉的纳米材料制备方法。由于存在于气相中的粒子成核及生长的空间比较大，因此，该方法制得的粒子分散度较好，同时，又因为反应是在封闭容器中进行，使得化学气相沉淀法形成的纳米粒子具有比较高的纯度。纳米材料的应用
纳米材料具有常规材料所不具备的物理特性，即具有高度的弥散性和大界面，使纳米材料具有高扩散率，蠕变和超塑性。为原子提供了短程扩散途径，使有限固溶体的固溶性增强，烧结温度降低，从而其化学活性增大。因此纳米材料的力、热、声、光、电磁等性质不同于该物质在粗晶状态时所表现出的性质。纳米材料的高强度、高扩散性、高塑性、低密度、高电阻、高比热、强软磁性等特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特 殊导体、热交换材料、敏感元件、润滑剂等领域。以下综述了纳米材料在几个领域的应用。
5.1碳纳米管的应用
纳米碳管在电学、力学、热学等方面具有特殊的性质，因此具有很好的应用前景。
纳米碳管的电学性质及应用，碳纳米管电极具有较大的电极表面积和较高的电子传递速率，因此可增大电流响应，使得碳纳米管电化学分析性能更为优异。另外在碳纳米管内，电子的量子限域所致电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，电子是沿着石墨片层的单个平面进行传导的，其电子传输通道随碳管直径的增加而增加，因此，纳米碳管具有独特的发射传导性质。改变纳米碳管格子的母体结构也可引起纳米碳管导电性的变化，因此碳纳米管的电学性能很独特，它同时具有金属性和半导体性，所以纳米碳管适宜于制备纳米电子原件。
力学性质及应用，C—C共价键使纳米碳管具有很高的强度和刚度。纳米碳管的弹性模量和相应的刚度值近似于或大于石墨的内平面值，同时纳米碳管还具备与其它碳物质不同的力学性质，比如轴向上的高弹性和径向上高塑性，这些特 性可使纳米碳管承受40％的拉伸变形而不会断裂。纳米碳管在受到压力影响时能产生流动性导致直径发生变化，其螺旋度也会随之改变，从而影响其电子特征。利用纳米碳管的这种特性可用来制造探测机械压力的纳米传感器。
热学性质及应用，纳米碳管的热传导率体现的是石墨的内平面特性，故而它的热传导率非常高仅次于一定形式的掺杂金刚石。纳米碳管同时具有很高的长径比，此特点可以用来改善分散不连续的纤维复合物的热传导率。纳米碳管优异的 导热性能可使其发展为今后计算机芯片的导热板，也可用作发动机、火箭等各种高温部件的防护材料。纳米碳管具有高热稳定性，同时兼具高耐磨性和耐腐蚀性，可以用其制造刀具和磨具。
另外，纳米碳管还具很多其它性能，例如它的储氢特性，纳米碳管表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附 作用。纳米碳管粒子具有大的比表面积，也是纳米碳管具备吸附作用的重要原因。纳米碳管还具有吸波特性，用纳米碳管做成的物体对微波雷达有好的隐身性能。
5.2 在催化方面的应用
用作高效催化剂是纳米颗粒材料的重要应用领域之一，纳米颗粒具有很高的比表面积，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等特点，导致表面的活性位置增加，使得纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有人预计纳米颗粒催化剂将成为本世纪催化剂的主角。光催化剂是一种具有应用潜力的特殊催化剂，纳米TiO2所具有的量子尺寸效应使其导电和介电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得负移，而介电电位变得正移，这使其获得了更强的氧化还原能力。
5.3 在电池中的应用
纳米材料已广泛应用到化学电源中的活性材料中，并推动着电池科技发展，纳米活性材料所具有的比表面大，锂离子嵌入脱出深度小，行程短的特性，使电
极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，使有机溶剂具有良好的相容性，同时，也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间。作为电极的活性材料纳米化后，它表面增大，致使它极化减小，而电容量增大。由此产生较强大的电化学活性特别是纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究已取得了重大突破另外，由于纳米材料的研究目前大多处于实验室阶段，因此如何制得粒径可控的纳米颗粒，解决这些颗粒在贮存和运输过程中的团聚问题，简化合成方法，降低成本等，依然是以后还需要研究的重要问题。总结
材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特性（如小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等），因而出现常规材料所没有的一些特别性能, 从而使纳米材料获得和正在获得广泛的应用。通过纳米技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，已成为经济新增长点的发展基础。随着其制备和改性技术不断发展，纳米材料将在诸多领域得到日益广泛的应用。5
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