纳米材料应用现状及发展趋势
从概念来说,纳米材料是由无数个晶体组成的,它的大小尺寸在1~100纳米范围内的一种固体材料。主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度,它有着特殊的性质。这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料,试图打造一种全新的新技术材料,将来为人类创造更大的价值。纳米科学技术也引起了科学家的重视,在当代的科学界有着举足轻重的地位。纳米技术的范围包括纳米加工技术、纳米测量技术,纳米材料技术等。其中纳米材料技术主要应用于材料的生产,主要包括航天材料、生物技术材料,超声波材料等等。从1861年开始,因为胶体化学的建立,人们开始了对直径为1~100纳米粒子的研究工作。然而真正意义上的研究工作可以追溯到20世纪30年代的日本为了战争的胜利进行了“沉烟实验”,由于当时科技水平落后研究失败。
1纳米材料的性能
研究表明,大多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2~6倍;纳米材料的强度是普通材料的10倍,比如,8nm的纳米晶体的强度比普通晶体高15倍,硬度提高了4~7个数量级;韧性更大,比如美国argonnel实验室制成的纳米CsF2陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的15仍不破碎。
纳米材料的热学性能是普通材料的5倍一般纳米材料的热容是传统金属的2倍;直径为10nm的Fe、Au和Al熔点分别由其粗晶熔点的1500℃、1263℃和700℃降到35℃、30℃和20℃。2nm的金的颗粒熔点仅为330℃,比通常金的熔点低700℃以上,而纳米银粉的熔点仅为100℃;此外,纳米材料的热膨胀可调,可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接纳米材料的磁学性能;当所有的晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有着非常重要的影响,这就使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力,低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的13倍。纳米材料的光学性能;各种纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率将显着降低,一般低于1%。粒度越细,光的吸收越强烈,利用这一特性,纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上的雷达波吸收材料等,还可以运用到生物技术领域,比如激光检测仪、电子显微镜等。
2纳米材料的应用现状
研究表明在纺织和化纤制品中添加纳米微粒,不仅可以除去异味和消毒。还使得衣服不易出现折叠的痕迹。很多衣服都是纤维材料制成的,通常衣服上都会出现静电现象,在衣服中加入金属纳米微粒就可消除静电现象。利用纳米材料,冰箱可以消毒。利用纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经可以在商场买到了。另外利用纳米粉末,可以快速使废水彻底变清水,完全达到饮用标准。这个技术可以提高水的重复使用率,可以运用到化学工业中。比如污水处理厂、化肥
厂等,一方面使得水资源可以再次利用,另一方面节约资源。纳米技术还可以应用到食品加工领域,有益健康。纳米技术运用到建筑的装修领域,可以使墙面涂料的耐洗刷性可提高11倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米材料,可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖,根本不用擦洗。这样就可以节约成本,提高装修公司的经济效益。使用纳米微粒的建筑材料,可以高效快速吸收对人体有害的紫外线。纳米材料可以提高汽车、轮船,飞机性能指标。纳米陶瓷未来很有可能成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的重要材料,不仅可以大大提高发动机性能、还可以延长工作寿命和增强可靠性。纳米卫星发射升空可以随时随地监测宇航员安全驾驶。在生物医疗领域里,采用纳米技术制成的大型药物输送器,可以携带一定剂量的药物,在体外电磁信号的引导下可以准确到达身体的各个部位,不仅有效地起到治疗作用,还可以减轻疼痛感并减轻药物的不良的反映。
纳米材料的运用市场是十分广的,纳米技术带来的经济效益也是不可低估的。根据国际上的一些权威机构预测,2012年由纳米技术创造的经济效益将会达到15000亿美元,纳米技术在未来几十年的应用范围将会超过互联网。纳米材料、玻璃、带来的技术进步,纳米涂料的运用和发展,将会给传统建筑公司、装饰公司造成巨大的技术冲击。很多传统行业也会随之发生改变。国内科学家指出,传统的建筑、化学、生物医药、工业制造,通讯设备等领域,将会迎来新的一次“技术”现在国际上用纳米技术注册的企业已经超过1000家,同时这些企业建立了纳米材料和纳米技术的工厂和标准化的生产车间。纳米玻
璃、纳米涂料,已经在市场上得到了广泛的应用。这些技术将会进一步打开一些陌生领域的大门。纳米材料纳米技术的出现,拥有着无限可能,纳米机器人、纳米计算机的出现。大大降低了企业的生产成本,人们也可以享受到科技的乐趣。未来我们身边都是纳米材料制造的产品,不仅环保、而且价格低廉。人们在商场可以买到物美价廉的优质产品。这是科学技术在生活领域的运用。未来可能我们坐的汽车、飞机等都是纳米材料制造的。纳米材料属于材料学的一个分支,应该加大研发力度,让更多的学者投入到研究纳米材料的队伍。另外可以加大资金支持,不断派遣这方面的专家出国考察、深造。为国家、为社会创造巨大财富同时,增加就业岗位,缓解大学生就业压力。科技改变生活,科技改变世界,纳米技术将会很多传统行业。
3纳米材料的未来研究方向
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,是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度(1~100urn)与物质中的许多特征长度,如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当,从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子,也不同于宏观物体,从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象,认识新规律,提出新概念,建立新理论,为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础,也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳
米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点,人们可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。
4结束语
纳米技术作为一种新的科学技术。自从这个科学概念被提出来后,一直成为科学家研究的重要方向。在未来的时间里,它将影响我们生活的方方面面。无论是吃穿住行,还是医疗、交通、娱乐。纳米技术会带来新的技术,不断为人类创造福祉。提供更优质的服务和产品。在信息化、智能化的今天,由纳米材料制造的产品已经面世。纳米材料具有很强的生命力,是能够改变人类生活的新技术。随着国家对高新技术的越加重视,纳米技术有望成为推动人类向前进步的重要力量。
参考文献
[1]马如璋.功能材料学概论[M].冶金工业出版社.1999. [2]GleiterH.V.TransJapanInstMetalSuppl[J].1986(27):43.
