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文献检索论文

题 目 ： 纳米材料及其应用
学 院 ： 化学与化工学院
专 业 ： 化学工程与工艺
班 级 ： 化工111
姓 名 ： 罗良华
学 号 ： 1108110137
指导老师 ： 潘红艳
日 期 ： 2014年6月14日

—纳米材料及其应用

【摘要】 随着纳米科技的迅速发展，纳米材料的应用越来越广泛，文章从这个角度出发，介绍了纳米和纳米材料的定义及纳米材料的基本性质，同时，从日常生活、生物医学、信息领域介绍了它的应用。
【关键词】 纳米 纳米材料 应用
【Abstract】 With the rapid development of nanotechnology, nanomaterials applied more widely, the article from this perspective, describes the basic properties of nanomaterials and nanodefinition and nanomaterials, as well as from everyday life, biomedical, introduce the field of information its application.
【Keywords】 Nano Nano Materials Applications

目 录

引言....................................................1
1.概论..................2
2.纳米材料的物理特性.............. .....................2
2.1热学性质.........................................2
2.2磁学性能.........................................2
2.3光学性能.........................................3
2.4纳米微粒分散体系的动力学性质......................4
2.5表面活性和敏感特性........5
3.纳米材料的制备方法....................................5
3.1溶胶凝胶法.......................................5
3.2热合成法.........................................5
3.3有机液相合成.....................................5
3.4惰性气体冷凝法...................................6
3.5反相胶束微反应器法..........6
3.6深度塑性变形法...................................6
4.纳米材料的应用........................................6
总结....................................................8
参考文献................................................9

引 言

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1-100nm的粒子体系的研究工作。真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。到了20世纪60年代人们开始对分
立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal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子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

1、概念
纳米材料是经过纳米技术处理,由很多原子或分子构成(含原子或分子数在101一105之间),结晶粒度为纳米级(1一100nm)的多晶材料,即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级,纳米材料按其结构可分为四类:晶体尺寸在三维方向上均在100nm范围内的称为三维纳米材料;具有层状结构的称为二维纳米材料;具有纤维结构的称为一维纳米材料;具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料.纳米材料具有表面与界面效应、体积(小尺寸)效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应.这四种效应是纳米粒子固体材料的基本特性,也是纳米微粒和纳米固体出现与宏观性反常的原因。
2、纳米材料的物理特性
2.1热学性质
（1）纳米微粒熔点比常规粉体低得多。 由于纳米微粒颗粒小，表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料，因此纳米粒子融化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。
（2）纳米微粒的开始烧结温度也比常规粉体低得多，同时烧结后可获得更高的致密度
（3）非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体纳米微粒的上述性质主要来自于纳米微粒的巨大界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径和较高的扩散率。通过对Cu纳米晶扩散率的测定发现，其数值是普通晶格的1014~1020倍。利用这一性质可以在较低温度下使不混溶金属形成新的合金相
2.2磁学性能
（1）磁性和超顺磁性
①纳米磁性金属的磁化率比常规金属高出数十倍。
②纳米微粒的尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。
（2） 矫顽力高
纳米微粒尺寸大于超顺磁性临界尺寸时通常具有比常规情况高得多的矫顽力。
（3）居里温度下降
纳米微粒内原子间距随粒径下降而减小，居里温度也有所下降。居里温度 Tc为物质磁性的重要参数，通常与交换积分Je成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度
2.3光学性能
(1)宽频带强吸收
①大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，吸收则很强。
②纳米微粒因为表面键态不平衡而使化学键振动的一致性下降，故使对红外光的吸收带宽化
(2)蓝移和红移现象
①与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。一是量子尺寸效应：因为已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度随颗粒直径的减小而增大。二是表面效应：由于纳米微粒粒径小，大的表面张力引起晶格畸变使键长缩短，导致红外吸收带移向高波数。
②但是在某些情况下，当粒径减小到纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”，即吸收带移向长波长方向，这是因为粒径减小的同时，巨大的表面张力使晶格畸变，颗粒内部的内应力增加，电子波函数重叠加大，能级间距变窄。
（3）量子限域效应
当量子点的尺寸接近其激子波尔半径aB时，随着尺寸的减小，其载流子（电子、空穴）的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动能的增加而使得量子点的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移程度越大，这就是量子限域效应。
（4）纳米微粒的发光
纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。例如，当硅的粒径小于6nm时，室温下就可以发射可见光，随粒径减小，发射带强度增加并移向短波方向，当粒径大于6nm时，发光现象消失。这是由量子限域效应引起的，即电子的平均自由程受小粒子的限制被局限在很小的范围，空穴很易与之形成激子，电子和空穴的波函数重叠产生激子吸收带
（5）纳米微粒的光学性质
纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。
2.4纳米微粒分散体系的动力学性质
（1）布朗运动
纳米微粒由于粒径很小，在水中由于布朗运动等因素阻止它们沉淀而形一种悬浮液（水溶胶），这种分散体系又称为胶体体系，纳米微粒称为胶体。布朗运动是胶体粒子的分散体系动力学稳定性的一个原因。由于布朗运动存在，胶粒不会稳定地停留在某一固定位置上，这样胶粒不会因重力而发生沉积，但另一方面，可能使胶粒因碰撞而团聚，颗粒由小变大而沉淀。
（2）扩散
扩散现象是在有浓度差时，由于微粒热运动（布朗运动）而引起地物质迁移现象。微粒愈大，热运动速度愈小。一般用扩散系数来量度扩散速度，扩散系数是表 示物质扩散能力的物理量。按照爱因斯坦关系式，胶体体系中扩散系数(D)可表示成：D=RT/6Noπηγ（r 为粒子半径），粒径愈大，扩散系数愈小。
（3）沉降和沉降平衡
在胶体体系中，每一个粒子均受到重力的作用，如果粒子的比重大于液体，因重力作用悬浮在流体中的微粒下降。但对于分散度高的体系，因布朗运动引起扩散作用与沉降方向相反，故扩散成为阻碍沉降的因素。粒子愈小，这种作用愈显著，当沉降速度与扩散速度相等时，体系达到平衡状态，即沉降平衡。
2.5表面活性及敏感特性
（1）表面活性
随着微粒直径减小，比表面积增大，表面原子数增加，表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，表面能也同步增加。使得纳米微粒具有很高的表面活性。用金属纳米微粒作催化剂时要求它们具有很高的表面活性，同时还要求提高反应选择性。 用粒径为30nm的Ni—UFP作环辛二烯加氢生成环辛烯反应的催化剂，催化活性比传统的雷奈Ni高2倍以上，选择性能高5倍以上。纳米的铁镍与r—Al2O3混合轻烧结体可以代替贵金属作为汽车尾气净化催化剂。
（2）敏感特性
由于纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性，及与气体相互作用强等原因，纳米微粒对周围环境十分敏感，如光、温、气氛、湿度等，因此可用作各种传感器，如光、温度、气体、湿度等传感器。
3.纳米材料的制备方法
3.1溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是材料制备的是化学方法中的较为重要的一种，它提供一种再常温常压下合成无机陶瓷、玻璃、及纳米材料的新途径。溶胶凝胶法制备纳米材料的主要步骤为选择要制备的金属化合物，然后将金属化合物在适当的溶剂中溶解，然后经过溶胶凝胶过程而固化，在经过低温处理而得到纳米粒子。
3.2热合成法
热合成法制备纳米材料是在高温高压下、水溶液中合成，在经过分离和后续处理而得到纳米粒子，水热合成法可以制备包括金属、氧化物和复合氧化物在内的产物。主要集中在陶瓷氧化物材料的制备中。
3.3有机液相合成
有机液相合成主要采用在有机溶剂中能稳定存在金属、有机化合物及某些具有特殊性质的无机化合物为反应原料，在适当的反应条件下合成纳米材料。通常这些反应物都是对水非常敏感，在水溶剂中不能稳定存在的物质。最常用的反应方式就是在有机溶剂中进行回流制备。
3.4惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。其主要过程是在真空蒸发室内充入低压惰性气体，然后对蒸发源采用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体。原料气体分子与惰性气体分子碰撞失去能量，凝集形成纳米尺寸的团簇，然后骤冷。该方法制备的纳米材料纯度高，工艺过程中无其它杂质污染，反应速度快，结品组织好，但技术设备要求高。
3.5反相胶束微反应器法
油包水微乳液中反相胶束的微液滴是一种特殊纳米空间，以此为反应场，可使不同胶束中的反应物进行互换，并进行反应，从而制备纳米级微粒。在制备过程中，反相胶束是一个微小的反应场，称其为智能微反应器。利用反应胶束微反应器进行纳米材料制备时，反应物加入方式有直接加入法和共混入法两种方式，不同的加入方式对应不同的反应机理，但结果都是相同的，都能制备出高度分散、粒度均匀的纳米粒子。
3.6深度塑性变形法
深度塑性变形法是指材料在准静态压力的作用下发生的严重塑性变形，从而使材料的尺寸细化到纳米量级。块体材料在准静压力下，一般细化为晶态材料和非晶态材料的混合物，然后经过一定的热处理，从而形成纳米材料。该方法制备的材料纯度高，粒度可控性好。
4.纳米材料的应用
在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。例如，松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带，具有图像清晰、信噪比高、失真小的优点。
在半导体器件上的应用。纳米微电子材料的发展不但可以将集成电路进一步减小还可以研制出能够在室温使用的单原子或单分子构成的各种器件。纳米技术必将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件及其它应用领域发挥重要的作用。
在传感器上的应用。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料。由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感，外界环境的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快，灵敏度高。例如，利用纳米NiO、FeO、CoO- 、Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化，可制成温度传感器（温度计、热辐射计）等。
在催化方面的应用。纳米粒子表面积大、表面活性中心多，是一种极好的催化材料。它不但可以大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能完全进行。如利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。
在工程方面的应用。纳米固体界面积巨大，熔点低，通常在高温下烧结的材料( 例如SiC、WC、BN等)在纳米态下可以在较低温度下进行烧结，且不用添加剂仍然使其保持良好的性能。由于复相材料的熔点、相变温度不同，使其烧结比较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低，也使其相变温度降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能好的复相材料。例如，传统方法合成的BaTiO3体材料，其烧结温度大于900摄氏度，而BaTiO3纳米粒子的合成，其灼烧温度为650摄氏度。
在医学、生物工程上的应用。纳米粒子与生物体有着密切的关系，如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，同时生物体内的多种病毒也是纳米粒子。使用纳米药物不但可以杀灭人体内的细菌和病毒，清除人体内的垃圾，还可以有效地杀死癌细胞，它最大的优势在于用量达到临床使用剂量的4000多倍时，受试动物也无中毒表现，同时也不会使细菌产生耐药性。由于纳米粒子比红血球小得多，可以自由在血液中活动，因此，可以注入各种纳米粒子到人体各个部位，检查病变和治疗。另外，可用纳米SiO2微粒进行细胞分离等。

总 结

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。

参考文献

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