納米粒子:工業材料-中文百科頻道

概述

1959年末，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在一次演講中首次提出納米概念，但真有效地研究納米粒子開始于二十世紀六十年代。1963年Uyeda等人用氣體冷凝法制備了金納米粒子。

自從1984年德國科學家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來，标志着納米科學技術正式誕生。近十多年，越來越多的科學家緻力于納米材料的相關研究中并在制備、性質和應用方面都取得了豐碩的研究成果。

結構和特征

納米粒子區别于宏觀物體結構的特點是，它表面積占很大比重，而表面原子既無長程序又無短程序的非晶層。可以認為納米粒子表面原子的狀态更接近氣态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。

即使如此，由于粒徑小，表面曲率大，内部産生很高的Gilibs壓力，能導緻内部結構的某種變形。納米粒子的這種結構特征使它具有下列四個方面的效應。

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。

表面效應

從表可以看出，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。表面原子四周缺少相鄰的原子，有很多懸空鍵，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。

量子尺寸效應

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。Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級間距為：

式中為費米勢能為微粒中的原子數。宏觀物體的趨向于無窮大，因此能級間距趨向于零。納米粒子由于原子數有限，N值較小，導緻有一定的值，即能級間距發生分裂。

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。

宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有貫串勢壘的能力稱為隧道效應。近年來，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。

制備方法

1、按納米材料制過程的物态分類：有氣相制備方法、液相制備方法和固相制備方法；

2、按納米材料制備過程中的變化形式分：有化學方法、物理方法和物理化學方法等；

3、按納米材料的形成式分類：從小到大的構築式，即由原子、分子等出發制備納米材料，一般在氣相和液相中進行納米粒子的合成，從大到小的粉碎式，即由常規的塊材料制備納米材料，主要以固态形式進行納米粒子的合成，為了更好的控制所制備的納米單元的微觀結構性能，通常采用構築式制備法。

4、納米材料制備的工藝技術分類：有等離子體方法、激光方法、蒸發方法、燃燒方法、深膠-凝膠方法、爆炸方法、噴霧方法、沉澱方法、冷凍幹燥方法等。

應用

催化方面的應用

納米粒子表面活化中心多，這就提供了納米粒子做催化劑的必要條件。目前，用納米粒子進行催化反應可以直接用納米微粒如鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等在高分子聚合物氧化、還原及合成反應中做催化劑，可大大提高反應效率，利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應觸媒，燃燒效率可提高100倍。

催化反應還表現出選擇性，如用矽載體鎳催化劑對丙醛的氧化反應表明，鎳粒徑在5nm以下時選擇性急劇變化，醛分解得到控制，生成酒精的選擇性急劇上升。

磁性材料方面的應用

在磁性材料方面有許多應用，例如：可以用納米粒子作為永久磁體材料，磁記錄材料和磁流體材料。

納米粒子體積效應使得通常在高溫燒結的材料如SiC、WC、BC等在納米狀态下在較低溫度下可進行燒結，獲得高密度的燒結體。另一方面，由于納米粒子具有低溫燒結、流動性大、燒結吸縮大的燒結特征，可作為燒結過程的活性劑使用，加速燒結過程降低燒結溫度，縮短燒結時間。

例如，普通鎢絲粉須在3000℃的高溫下燒結，而在摻入0.1～0.5%的納米鎳粉後，燒結溫度可降到1200至1311℃。

複相材料的燒結：複相材料由于不同的熔點及相變溫度不同使得燒結較困難。納米粒子的體積效應和表面效應，不僅使其熔點降低，相轉變溫度也降低，在低溫下就能進行固相反應，因此可得到燒結性能很好的複相材料。

高純度納米粉可作為精細陶瓷材料。它具有堅硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的能力，并且有些陶瓷材料具有能量轉換，信息傳遞功能。

可作為紅外吸收材料，如Cr系合金納米粒子對紅外線有良好的吸收作用。

生物醫學方面的應用

納米材料在醫學和生物工程也有許多應用。已成功開發了以納米磁性材料為藥物載體的靶向藥物，稱為“生物導彈”。即在磁性Fe2O3納米微粒包敷的蛋白質表面攜帶藥物，注射進入人體血管，通過磁場導航輸送到病變部位釋放藥物，可減少肝、脾、腎等所受由于藥物産生的副作用。

利用納米傳感器可獲取各種生化反應的信息和電化學信息。還可以利用納米粒子研制成納米機器人，注入人身的血液，對人體進行全身健康檢查，疏通腦血管中血栓，清除心髒動脈脂肪沉積物，甚至還能吞噬病毒，殺死癌細胞等，可以預言，随着制備納米材料技術的發展和功能開發，會有越來越多的新型納米材料在衆多的高科技領域中得到廣泛的應用。