材料化学论文

材料化学论文陈洋09化学与工艺班20091305127纳米材料陈洋09化学工程与工艺班20091305127摘要：纳米科学技术是20世纪80年代中后期逐渐发展起来的，融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体，并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的多方位、多科学的新科技。纳米材料具有特殊的结构和处于热力学上极不稳定的状态，因而表现出独特的效应：光学性质、热学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、化学性质。纳米固体材料由于其独特的性能，在力学、光学、医学、磁学、电学、催化等方面有广泛用途。关键词：纳米材料阶段现状前景纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就，例如，存储密度达到每平方英时490G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料 等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民 经济支柱产业的布局、新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的新的源泉。纳米发展小史1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。纳米材料研究的三个阶段第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在八十 年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳 米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合(0—0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0—3复合)及发展复合纳米薄膜(0—2复合)，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料称作为纳米组装材料体系或 者称为纳米尺度的图案材料。纳米材料目前研究的现状1、纳米材料研究的内涵不断扩大 第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体，到第三阶段纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)，例如气凝胶孔隙率高于90％，孔径大小为纳米级，这就导致孔隙间的材料实际上是纳 米尺度的微粒或丝，这种纳米结构为嵌镶、组装纳米微粒提供一个三维空间。纳米管的出现，丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米材料提供了新的机遇。 2、纳米材料的概念不断拓宽 1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构的材料的含意还包括纳米组装体系，该体系除了包含纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，因此，纳米结构材料内涵变得丰富多彩。 3、基础研究和应用研究出现并行发展的新局面，纳米材料的应用成为人们关注的热点  经过第一阶段和第二阶段的研究，人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性，对传统工业和常规产品会产生重要的影响。日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产，据不完全统计，国际上已有 20多个纳米材料公司经营粉体生产线，其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、 纳米功能涂层材料的制备技术和涂层工艺、纳 米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化 研究也相继展开。纳米材料及其相应的产品从 1994年开始已陆续进入市场，所创造的经济效 益以20％的年增长速度增长。纳米材料的优缺点优点：纳米材料具有小尺寸效应、高比表面效应、量子效应、极强的光、电、磁性质、超导性、高化学活性等，能大大提高材料的性能和功能，来开发出许多新材料。在光学材料、发光材料、晶体材料、磁性材料、电池材料、电子陶瓷、工程陶瓷、催化剂等高科技领域，将发挥重要的作用。并且纳米材料具有特异性的物理化学性质，可作为特种材料，如隐身飞机的吸波材料，特种刀具等；在超导领域也有很大应用前景。缺点：加工难度高，工艺复杂，成本高难以大面积推广，纳米材料现在只停留在实验室阶段，颗粒太小吸附性太强，极易团聚，而且代价太高。纳米材料的发展前景在纳米材料制备科学和技术研究方面 一个重要的趋势是加强控制工程的研究，这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用，它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分，是有利的作用，还是不利的作用更难以判断，这不但给某一现象的解释带来困难，同时也给设计新型纳米 结构材料带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响，如何控制一种效应的影响而夹出另一种效应的影响，这都是控制工 程研究急待解决的问。国际上，近一二年来，纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面：一是纳米颗粒的表面改性，通过纳米微粒的表面包做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度；二是通过纳米微粒住多孔基体中的分布状态(连续分布还是孤立分布)来控制量子尺寸效应和渗流效应；三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系(包括有序阵列和无序阵列)来获得所需要的特性。 近年来引人注目的几个新动向 纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头 日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅，发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍：多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光；含有Dy和Al的Si02气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光，比多孔Si的最强红光还 高出1倍多，250nm波长光激发发出极强的蓝光。 巨电导的发现 美国霍布津斯大学陈等人(Chen et al)在 Si02一Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象，当金颗粒的体积百分比达到某临界值时，电导增加了十四个数量级；纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后，电导增加8个数量级。 颗粒膜巨磁电阻尚有潜力  1992年，纳米颗粒服巨磁电阻发现以来，一直引起人们的关注，美国布朗大学肖等人 (xiao et al)最近在4K的温度下，几个特斯拉的磁场，R／R上升到50％，目前这一领域研究 追求的目标是提高工作温度，降低磁场。如果 在室温和零点几特斯拉磁场下，颗粒膜巨磁阻能达到10％，那么就将接近适用的使用目标。 目前国际上科学家们正在这一领域努力。 纳米组装体系设计和制备有新进展美国加里福尼亚大学化学工程系成功地把 纳米AU颗粒组装到DM的分子上形成纳米晶 分子组装体系；加拿大科学家成功地在新鲜的云母解理面上合成了薄的有序介孔Si02膜；美 国利用自组装技术将几百支单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于10的负4欧姆/cm；一个值得记忆的工作是纳米三碘化铅组装到尼龙(nylon—11)，在X 射线照射下具有强的光电导性能，利用这种性 能为发展数字射线照相奠定了基础。 总而言之，纳米材料作为一种新型的材料有很大的发展前景，而且它的应用领域广。虽然目前纳米材料由于其陈本高、制作工序困难等，现实生活中的应用还不能普及，但随着科技不断的发展，这些困难在不久的将来会被克服，纳米材料将会带来一场变革，普及各个领域。参考文献：张立德---纳米材料研究简介