一.納米材料定義及簡介

納米級結構材料簡稱為納米材料(nanometer material)，是指其結構單元的尺寸介于1納米～100納米範圍之間。

由于它的尺寸已經接近電子的相幹長度，它的性質因為強相幹所帶來的自組織使得性質發生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質在整體狀态時所表現的性質。

二.納米材料分類

1.按化學組成可分為：

納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米複合材料。

2.按材料物性可分為：

納米半導體、納米磁性材料、納米線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。

3.按應用可分為：

納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。

三.納米材料五大效應

1.體積效應

當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波相當或更小時，周期性的邊界條件将被破壞，磁性、内壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等都較普通粒子發生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應。

2.表面效應

表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數之比随着粒徑的變小而急劇增大後所引起的性質上的變化。随粒徑減小，表面原子數迅速增加。另外，随着粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處于表面的原子數越多。表面原子的晶體場環境和結合能與内部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質，易于其他原子想結合而穩定下來，因而表現出很大的化學和催化活性。

3.量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時，費米能級接近的電子能級由準連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。半導體納米粒子的電子态由體相材料的連續能帶随着尺寸的減小過渡到具有分立結構的能級，表現在吸收光譜上就是從沒有結構的寬吸收帶過渡到具有結構的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學非線性，特異的催化和光催化性質等。

4.量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相幹器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘産生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

5.介電限域

納米粒子的介電限域效應較少不被注意到。實際樣品中，粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質所包圍，而這些介質的折射率通常比無機半導體低。光照射時，由于折射率不同産生了界面，鄰近納米半導體表面的區域﹑納米半導體表面甚至納米粒子内部的場強比輻射光的光強增大了。這種局部的場強效應，對半導體納米粒子的光物理及非線性光學特性有直接的影響。對于無機-有機雜化材料以及用于多相反應體系中光催化材料，介電限域效應對反應過程和動力學有重要影響。

四.潛力巨大的三種新型納米材料

1. 石墨烯

石墨烯（rphene）是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生産的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生産方法為化學氣相沉積法（CVD）。

發展趨勢：

010年諾貝爾物理學獎造就近年技術和資本市場石墨烯炙手可熱，未來5年将在光電顯示、半導體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、軍工、複合材料、生物醫藥等領域将爆發式增長。

主要研究機構（公司）：

Graphene Technologies，Angstron Materials，Graphene Square，常州第六元素，甯波墨西等。

2. 碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據碳六邊形沿軸向的不同取向可以将其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。

發展趨勢：

功器件的電極、催化劑載體、傳感器等。

主要研究機構（公司）：

Unidym, Inc.，Toray Industries,Inc.，Bayer Materia ls Science AG，Mitsubishi Rayon Co., Ltd.深圳市貝特瑞，蘇州第一元素等

3. 富勒烯

富勒烯（英語：llerene）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環還有五元環，偶爾還有七元環。

1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利在萊斯大學制備出了第一種富勒烯，即"C60分子"或"[60]富勒烯"，因為這個分子與建築學家巴克明斯特·富勒的建築作品很相似，為了表達對他的敬意，将其命名為"巴克明斯特·富勒烯"（巴克球）。

發展趨勢：

未來生命科學、醫學、天體物理等領域有重要前景，有望用在光轉換器、信号轉換和數據存儲等光電子器件上。

主要研究機構（公司）：

Michigan State University，廈門福納新材等。

五.納米材料應用舉例

1.納米防水塗層

納米防水塗層主要運用了蓮花效應：蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由于蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角會大于150度，隻要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。

在顯微鏡下可以發現，蓮花的表面有一層茸毛和一些微小的蠟質顆粒，水在這些納米級的微小顆粒上不會向蓮葉表面其他方向蔓延，而是形成一個個球體，就是我們看到蓮葉上滾動的雨水或者露珠，這些滾動的水珠會帶走葉子表面的灰塵，從而清潔了葉子表面。

2.納米陶瓷

納米陶瓷是将納米級陶瓷顆粒、晶須、纖維等引入陶瓷母體，以改善陶瓷的性能而制造的複合型材料，其提高了母體材料的室溫力學性能，改善了高溫性能，并且此材料具有可切削加工和超塑性。

納米陶瓷的特性主要在于力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷複合材料的力學性能，特别是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到緻密化的優越性，而且納米陶瓷出現将有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。

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