第一篇：納米材料的結構及其熱力學特性的研究與應用

納米材料的結構及其熱力學特性的研究與應用

張成12721617

（上海大學材料科學與工程學院，上海 200072）

摘要：文章簡要地概述了納米材料的結構和基本效應，分別從納米材料的熱容、晶格參數、及納米材料參與反應時反應體系的化學平衡吸附能等方面對納米材料熱力學的研究進展進行了闡述，并對熱力學在納米材料中的應用做了介紹，同時對其應用前景進行了展望。關鍵字：納米材料；熱力學；效應；結構

Development and Application forTheStructure and ThermodynamicFunctions of TheNanomaterials

ZhangCheng 12721617（School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，china）Abstract: The structure of the nanometer materials and the characterristics of nano material are briefly introduced in this paper.The thermodynamics properties of nanomaterials are usually different from the status of bulk materials.Thus,it is very important to stuty the thermodynamics of nanomatericals.The review focuses the status of research on thermodynamics of nanomaterials including heat capacity, lattice parameters and other thermodynamic functions.In addition, the development of thermodynamics in this field is introduced with the prospection for its application.Keywords:nanomaterials;thermodynamics;structure;functions

1.前言

納米材料已成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域中一個研究熱點。這是由于它不僅具有獨特的結構特征(含有大量的內界面)，能為深入研究固體內界面結構與性能提供良好的條件，而且它還表現出一系列優(yōu)異的物理、化學及力學性能，能為提高材料的綜合性能發(fā)展新一代高性能材料創(chuàng)造優(yōu)異的條件。

納米熱力學(nanothermodynamics)這個名詞最早正式出現在2000年，美國亞利桑那州立大學的Chamberlin在研究鐵磁體的臨界行為時使用了這一名詞[1],Giebultowicz在nature上撰文認為納米尺度熱力學為熱力學這一傳統(tǒng)理論提供了新的發(fā)展契機[2]。美國加利福尼亞大學的Hill是最早真正涉足納米熱力學這一領域的科學家，他的一系列工作為納米熱力學理論的應用奠定了基礎[3-5]。事實上，近年來已經有科研工作者利用這一理論得出了一些傳統(tǒng) 熱力學理論難以

圖1.納米顆粒材料的SEM圖

Fig.1 Scanning electron microscope picture of nanoparticles materials

2.2 納米材料的結構

材料學研究認為：材料的結構決定材料的性能，同時材料的性能反映材料的結構。納米材料也同樣如此。

對于納米材料，其特性既不同于原子，又不同于結晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學性質與塊體材料有明顯的差異

納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成。納米晶粒內部的微觀結構與傳統(tǒng)的晶體結構基本一致，只是由于每個晶粒僅包含著有限個晶胞，晶格點陣必然會發(fā)生一定程度的彈性畸變。盡管每個晶粒都非常小，但與傳統(tǒng)粗晶材料類似，其內部同樣會存在著各種點陣缺陷：如點缺陷、位錯、孿晶界等。在納米材料中，點缺陷及位錯等低維缺陷很不穩(wěn)定，經充分弛豫后，很難在納米晶粒中繼續(xù)存在。而面缺陷則相對比較穩(wěn)定，即使在納米微粒中也可以有孿晶界存在[8]。

納米材料的結構特點是：納米尺度結構單元，大量的界面或自由表面，以及結構單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結構上，大多數納米粒子呈現為理想單晶，也有呈現非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。納米材料的結構上存在兩種結構單元；即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成，這些原子嚴格地位于晶格位置；界面單元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉化而來。界面原子密度低，界面上鄰近原子配位數發(fā)生變化，界面原子間距差別大。

納米材料由于非常小，使納米材料的幾何特點之一是比表面積（單位質量材料的表面積）很大，一般在102～104m2/g。它的另一個特點是組成納米材料的單元表面上的原子個數與單元中所有原子個數相差不大。例如：一個由5個原子組成的正方體納米顆粒，總共有原子個數125個，而表面上就有約89個原子，占了納米顆粒材料整體原子個數的71%以上。這些特點完全不同于普通的材料。例

表面能。隨著納米粒子尺寸的減小，比表面積急劇加大，表面原子數及比例迅速增大。例如，粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g，表面原子的比例為50%；粒徑為2nm時，比表面積為450m2/g，表面原子的比例為80%。由于表面原子數增多，比表面積大，原子配位數不足，存在未飽和鍵，導致了納米顆粒表面存在許多缺陷，使這些表面具有很高的活性，特別容易吸附其他原子或與其他原子發(fā)生化學反應。這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面輸運和構型的變化，同時也引起表面電子自旋、構象、電子能譜的變化。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料[11,12]。2.3.2 體積效應

由于納米粒子體積極小，所包含的原子數很少，因此許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，這種特殊的現象稱之為體積效應。其中有名的久保理論就是體積效應的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出的。隨著納米粒子直徑減小，能級間距增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導體將變?yōu)榻^緣體[13]。2.3.2 界面效應

納米材料具有非常大的界面，界面的原子排列是相當混亂的。原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出很好的韌性與一定的延展性，使材料具有新奇的界面效應。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3~ 5倍[13]。

3.納米材料熱力學特性

3.1熱容

1996年，Bai等[14]在低溫下測定了納米鐵隨粒度變化的比熱，發(fā)現與正常的多晶鐵相比，納米鐵出現了反常的比熱行為，低溫下的電子比熱系數減小50%。1998年，Zhang等[15]研究了粒度和溫度對納米粒子熱容的影響，建立了一個預測熱容的理論模型，結果表明: 過剩的熱容并不正比于納米粒子的比表面，當比表面遠小于其物質的特征表面積時，過剩的熱容可以認為與粒度無關。2002年，Eroshenko等[16]把多相納米體系的熱容定義為體相和表面相的熱容之和，因為表面熱容為負值，所以隨著粒徑的減小和界面面積 的擴大，將導致多相納米體系總的熱容的減小。他們還建立了多相納米體系熱容的理論模型，從理論上說明了體系熱容隨界面的擴大而降低。對于苯液滴，當半徑達到1.05nm時，熱容為零，而水滴熱容等于零時的半徑為1.51nm。2003年，徐慧等[17]建立了一維納米隨機鏈模型，應用點陣動力學的方法計算了一維納米晶體的熵、熱容以及振動自由能等，發(fā)現納米晶體的熵比單晶的熵值高，這些結果可以用納米晶體的特殊結構來

3.5 納米粒子的吸附熱力學

強吸附性是納米粒子的重要特性之一。量子化學是研究納米粒子吸附性質的主要方法之一，但是這些理論研究主要是計算計算了某個原子簇下的吸附能，且原子簇中包含的原子個數還均較少，僅有幾個或十幾個。在一些模擬實驗中，納米材料同普通塊體材料的吸附分離效果一樣也受值濃度、吸附時間、溫度等因素的影響，其吸附等溫線符合Langmuir、Freundlich等溫曲線。不同溫度下等溫吸附曲線的測定和等量吸附焓的計算表明: 多壁碳納米管對偏二甲肼的吸附是吸熱的。

4.熱力學在納米材料中的應用

迄今，關于納米材料的絕大多數工作集中于研究納米界面的結構和特性，而忽略納米晶粒內部的晶體對整體材料的貢獻．如文獻中已有的關于納米材料熱力學性質的研究，幾乎全部以納米晶界面的焓、熵和自由能作為表征整體納米材料的熱力學函數，并以之為判據探討納米多晶體材料的相變熱力學．這一近似處理對于極細的納米材料(如尺度小于10nm，約30％以上的原子位于界面上)是可行的，這也是Wagner[22]在其經典的界面膨脹QDA理論中首先指出的模型適用條件：“尺寸為10個納米以下的多晶體且具有隨機的晶體取向”。然而，對于較粗的納米材料，上述近似處理則顯示出局限性，尤其當晶粒尺寸超過幾十納米時，在相變熱力學中對特征轉變溫度和臨界尺寸等重要參量的預測將導致很大誤差為此，因此在建立納米界面確定型熱力學函數的基礎上，發(fā)展整體納米材料的計算熱力學，明確納米尺度下多晶體的熱力學函數與界面過剩體積、溫度和納米晶尺寸之間的定量關系，并將其應用于納米材料相變熱力學研究?；跓崃W判據，預測納米材料生成相、相穩(wěn)定存在條件及相變行為，由此可為具有一定晶體結構和物理、機械性能的穩(wěn)定納米相的獲得提供依據。

4.1納米晶界的熱力學函數

相對于完整晶體點陣結構上的原子，晶界上原子的配位數減少，原子排布密度降低，可以理解為晶界處于原子體積“脹大”了的非平衡狀態(tài)?；诖丝紤]，Fecht和Wagner[22]認為，納米晶界的熱力學性質可以用類似于膨脹晶體的性質來描述，即建立“界面膨脹模型”。其中以界面的過剩體積△V作為描述納米晶界面熱力學性質的重要參量，它反映界面原子體積相對于晶內原子體積的增加量，定義為：△V=Vb/V0-1。

由Smith等[23]人發(fā)展的EOS定量描述了原子結合能與點陣常數之間的普適關系，并已證實成功地應用于解釋雙金屬層的粘附、化學吸附以及表面能等問題。更重要的是，EOS對有較大比例的原子位于晶界的納米晶體，由于“晶界膨脹”而產生的晶內負壓，給出了合理的定量描述，此壓力是表征納米晶界面自由焓的

2.3r0??B?，(12)?1???3l??P?P?0其中?0為參照溫度下的體膨脹系數，其值取為線膨脹系數?0的三倍。綜合以上式子，可以得到以界面過剩體積和溫度為變量的納米晶界處的熱力學函數，即焓、熵和吉布斯自由能，其具體表達式如下：

Hb??V，T???E?1????V?r9l?0.05????V?43?r?1??V?3B0?1??V30???3r03???23????V?W??V???0??exp????V?rB?T?T??l30R0l?,(13)Sb??V，T??3kBIn?1??V????V?????V，T????V?????V，T?，(14)

(15)Gb??V，T??Hb??V，T??3kB?T?TR??T?Sb??V，T??3kBIn?T?TR??, 其中

???V??1??1??V?13，(16)W??V??expC01??1??VC0?7.06??E??12???13??，(17)，(18)

B0r01232???V???278?2818?2r0?6?1??V??73W??V??1?C0???V??2716?,(19)

r0?6?1??V??2r0?6CoW??V??274?r0?0?1??V?6?1??V??2C02???V?W??V????V?????43W??V???1?C0???V??，(20)

??2?T?TR?,(21)???V，T???458?92r0?0?1??V?6???V，T??2?r0?3?1??V??1?0?T?TR?,(22)

4.2.納米晶粒內部熱力學函數

納米晶粒內部晶體的熱力學函數按照塊體多晶體材料的熱力學性質進行計算．由經典熱力學理論，計算常規(guī)多晶體的焓、熵和吉布斯自由能的函數表達式分別為：

速高效的基因組測序基因診斷 基因治療藥物，導彈，技術，可靠人工組織和器官復明復聰器件等方面的應用 在環(huán)境保護方面，納米材料因其具有強的吸附性能，在污水處理和空氣凈化方面也將會起到重要作用。

納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規(guī)模生產階段，但從歷史的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發(fā)達國家。當今重視發(fā)展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現經濟騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發(fā)展和商業(yè)化而產生根本性的變革[24]。

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第二篇：淺論納米材料的特性及應用

淺論納米材料的特性及應用

人類 論文關鍵詞：納米尺寸；性能

論文摘要：納米尺寸開辟科學新領域，介紹納米材料的神奇特性及在生活中的應用。

對物質世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無限小和無限大兩個物質尺寸去認識物質，使人們了解到世界是物質的。物質是由原子或分子構成的，原子、分子是保持物質化學、物理理特性的最小微粒。這為人類認識世界、改造世界推進科學的向前發(fā)展提供了堅實的理論基礎，也產生了一個個的科學原理和定理，推動了人類生產和生活的不斷向前發(fā)展。

隨著科學研究的進一步發(fā)展，人們發(fā)現當物質達到納米尺度以后，大約在這個范圍空間。物質的性能就會發(fā)生突變，出現特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質的特殊性能的物質構成的材料，即為納米材料。

過去，人們只注意原子、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，它的性能并引用納米概念的是日本科學家。他們發(fā)現：一個導電，米尺度以后，它就失去原來的性質，度，大約是在1效應，量子隧道效應等及由這些效應所引起的諸多奇特性能。學特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應用價值。

近年來，已在醫(yī)藥、1醫(yī)學方面的應用：

目前，國際醫(yī)學行業(yè)面臨新的決策，從動植物中提取必要的物質，的想法，隨著健康科學的發(fā)展，高藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技術。數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，覆蛋白質表面攜帶藥物，納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動，因此可以用檢查和治療身體各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，受人們的歡迎。

2在涂料方面的應用；

納米材料由于其表面和結構的特殊性，的涂層技術，再給涂料中添加納米材料，傳統(tǒng)涂層功能改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能，耐腐蝕、變色等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保結作用。在建材產品如玻璃中加入適宜的納米材料，可達到減少光的透射和熱估遞效果，產生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的顏色不同，黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。色的效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米使涂層產生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面色彩多樣化。

3在化工方面的應用；只是以前沒有認識到這個尺度的范圍的性能。表現出既不導電，也不導熱。納米這個范圍空間，就會產生特殊的表面效應，體積效應，量子尺寸生物、環(huán)境保護和化工等方面得到了應用，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。然后在納米尺度組合，人們對藥物的要求越來越高?？芍鲃铀阉鞑⒐舭┘毎蛐扪a損傷組織，注射到人體血管中，避免身體健康部位受損，可獲得納米復合體系涂層，實現功能的飛躍，納米材料的顏色不僅限粒徑而變，第一個真正認識到導熱的銅、材料在尺寸上達到納米尺擁有一系列的新穎的物理和化 并顯示出它的獨特魅力。納米生物醫(yī)學就是最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)控制藥物釋放減少副作用，提納米粒子可使藥物在人體內方便傳輸。用稱為“定向導彈”。該技術是在磁性納米微粒包通過磁場導航輸送到病變部位，可以大大減小藥物的毒副作用，如；有超硬、耐磨，抗氧化、這樣可以通過復合控制涂料的顏色，而具有隨角度變Tio2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能 ～100納米 尤其是因而深借助于傳統(tǒng)使得阻燃、克服碳1銀導體做成納～100然后釋放藥物。

具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能。耐熱、化工業(yè)影響到人類生活的方方面面，如果在化工業(yè)中采用納米技術，將更顯示出獨特畦力。在橡膠塑料等化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Sio2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。最近又開發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。

4其他生活方面的應用：

納米技術正在悄悄地滲透到老百姓衣、食、住、行各個領域。化纖布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦容易產生靜電，因而在生產時加入少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現象。不久前，關于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應用了納米技術。納米材料可使衣物防靜電、變色、貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機等一些電器時間長了容易產生細菌，而采用了納米材料，新設計的冰箱、洗衣機既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線對人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線對人體有害的部分，市場上的許多化妝品正是因為加入了納米微粒而具備了防紫外線的功能。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時間不長墻壁就會變的班駁陸離，納米技術應用之后，涂料的技術指標大大提高，外墻涂料的耐洗刷性提高很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱為黑色家電，這是因為家電外表材料中必須加入碳黑進行靜電屏蔽。如今可以通過控制納米微粒的種類，進而可控制涂料的顏色，使黑色家電變成彩色家電。

其實，納米技術最早只是合成，限于納米微粒，后來有了其他形貌，大概3-40年。第二階段是復合，核殼結構，薄膜，分形等，都是這個階段，大概在90年代到2000年。第三階段是功能化，現在的文章也很注重應用了，沒有應用前景的是發(fā)不了高檔次的，當然，功能化還是有點復合的味道的，因為這是一個不可分割的過程。我么現在所處的時段就是功能化。

在我的觀點看來，至于納米材料的前景，很大程度上要看這一二十年了，如果沒有不可代替的應用必要，那么其前景將暗淡，會想超導材料一樣，熱了幾十年，現在限于停滯，國外基本上不大規(guī)模搞了。

任何一項技術的進展都是十分緩慢的，既然我們生存的一個宏觀世界，納米世界的物質的安全性也要考慮的，所以很多應用還只是實驗室階段，這就限制了應用，但是這是發(fā)展的必要。

總之，在未來生活中，納米技術將帶給我們無限的舒心與時尚，使人類的生存的條件更加優(yōu)越。

第三篇：納米固體材料的特性及應用

納米固體材料的特性及應用

摘要

本文闡述了納米固體材料的概念及歷史，說明了納米固體材料的結構和由它引起的特性，介紹了納米固體材料的各種應用。

關 鍵 詞：納米固體材料

特性

應用

納米材料是目前材料科學研究的一個熱點, 是21 世紀最有前途的領域。由于納米材料具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學等性能, 廣泛應用于宇航、國防工業(yè)、磁記錄材料、計算機工程、環(huán)境保護、化工、醫(yī)藥、建材、生物工程和核工業(yè)等領域, 其市場前景相當廣闊。

目前我國從事納米材料生產的企業(yè)有100 多家, 并建立了幾個納米材料研究基地, 有關科研部門和生產企業(yè)還對納米復合塑料、納米涂料、納米橡膠和纖維的改性以及納米材料在能源和環(huán)保等方面的應用進行了深入的研究和開發(fā), 并取得一定的成果。近年來一些重大的研究成果不斷問世, 如成功合成世界最長的碳納米管, 制成性能優(yōu)良的納米掃描顯微鏡, 合成出高質量的儲氫碳納米材料等, 具有國際領先水平。我國已能生產鐵、鎳、鋅、銀、銅、鋁、鈷等金屬納米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等30 多種, 有些產品已達國際先進水平。中國科學院化學研究所工程塑料國家重點實驗室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相, 成功開發(fā)以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等為基材的一系列納米材料, 并實現了部分納米塑料的工業(yè)化生產。

納米材料一般分為：納米微粒、納米薄膜（多層膜和顆粒膜）、納米固體。

其中納米固體材料是一類有廣闊應用前景的新型材料,它是由納米量級的超細微粒壓制燒結而成的人工凝聚態(tài)固體。這種材料具有新型的固態(tài)結構,其性質與處于晶態(tài)或非晶態(tài)的同種材料大不一樣,因此將它稱為納米固體材料。1963年，日本名古屋大學教授田良二首先用蒸發(fā)冷凝法獲得了表面清潔的納米粒子。1984年，由德國H.格萊特教授領導的小組首先研制成第一批人工金屬固體（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美國阿貢實驗室研制成TiO2納米固體。20世紀80年代末，合金、半導體和陶瓷離子晶體等人工納米固體相繼問世。納米固體材料具有全新的“類氣態(tài)”結構，性能十分奇特。如納米固體鐵的斷裂應力比常規(guī)鐵材料一下子提高了近12倍；納米固體銅又比一般銅材料的熱擴散增強了近一倍。更為奇怪的是，普通狀態(tài)下呈脆性的陶瓷，在納米固體材料中卻能被彎曲，其塑性形變竟然高達100%……來自太空的隕石和海底的錳結核中，都有超細微粒成分。人和動物的牙齒之所以特別堅硬，也與構成它們的物質是納米尺度的超細微粒密切相關……

納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴散系數要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。由于納米粒子特有的結構，納米粒子或納米固體表現出一系列奇異而獨特的性質，例如：①顆粒為6納米的鐵晶體，其斷裂強度比普通多晶鐵提高約12倍。普通陶瓷在常溫下很脆，而納米陶瓷不僅強度高，而且具有良好的韌性。②納米金屬的比熱容比是普通金屬的2倍，熱膨脹率提高1～2倍。納米晶體熔化時具有所謂準熔化相的中間相變過程。納米銅晶體的自擴散率是普通點陣擴散的106～1019倍，這與納米固體中存在較大空隙有關。③金屬是電的良導體，納米態(tài)下可能變?yōu)榻^緣體。無極性的氮化硅是典型的共價鍵結構和絕緣體，在納米態(tài)下不再是共價鍵結構，而且具有很強的極性，其高頻交流電導急劇增大。一些典型的鐵電體（見電介質物理學）在納米態(tài)下變?yōu)轫橂婓w。④鐵磁性物質在納米態(tài)下矯頑力幾乎增大1000倍，但當尺寸減小到5納米時，磁有序向磁無序轉變，鐵磁性消失變?yōu)轫槾判裕ㄒ姶沤橘|）。磁性金屬的磁化率和飽和磁化強度均有很大改變。⑤納米固體在較寬的波長范圍內顯示出對光的均勻吸收，幾十納米厚的薄膜相當于幾十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金屬對光的反射率很高，而納米金屬微粒的反射率顯著下降，通常低于1％。因等離子共振頻率隨粒子尺寸而變，當粒子尺寸改變時，對微波的吸收峰將發(fā)生頻移。

固體的許多性能，在很大程度上取決于原子近鄰間的狀況。納米固體的結構和原子排列的特殊性必將使其與結構相關的性能發(fā)生相當大的變化。納米晶體物質的性能與通常的大晶粒多晶物質作比較，其差異是遠遠大于由晶態(tài)到非晶態(tài)的結構變化所引起性質的變化。

不同的化學組分在原子尺度的合金，是被限制在相圖上所允許的范圍內，即嚴格限制于一些在固態(tài)或熔融態(tài)中能互溶的化學成分之間。而大多數化學組分卻是不互溶的……但是對于納米固體，二元甚至多元的復合材料，可以通過把不同化學成分的超細微粒壓制成多晶固體來獲得，而不必考慮組成部分是否互溶。這樣獲得的納米相復合材料，還不是在原子尺度上的合金，而是在納米微粒尺度上的合金。但是如果微粒的尺寸達到有限幾個原子間隙的大小時，兩類合金的差異就大為縮小了。

由較大顆粒制備的常規(guī)材料中，相鄰顆粒界面上的固態(tài)反應，由于參與反應的物質的顆粒和層厚較大，界面附近的原子與體內原子數量量比很小。所以，只能引起固體局部結構性質的改變。而納米固體中存在的濃度極大且具有高度無序結構的界面，使得內部原子輸運出現異?，F象，導致自擴散系數的劇烈增大。加之納米尺度的層厚及粒度使反應的距離變短，使相鄰微粒之間的固態(tài)反應在較低的溫度下就能進行。這將足以使納米固體材料的界面組元中實現原子的混合，形成各種不同的亞穩(wěn)相，實現材料的整體轉變。這樣，人們就有可能按預定的目的來改造和設計材料的性能。除了自擴散外，納米固體中的量子隧道效應還使電子輸運反常，某些合金的電導率可下降百倍以上，而其電導熱系數也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現負值。

納米固體在較寬的頻譜范圍內，顯示出對電磁波均勻的吸收性能……“隱身飛機”需在其外殼包上某種吸波材料（又稱隱身材料）。而幾十納米的納米固體薄膜的吸收效果，與比它厚1000倍的現有吸波材料相同。

納米陶瓷TiO2在常溫下具有很好的韌性和延展性能。由于其高純度的邊界及小尺寸的晶粒，可在較低溫度下燒結，并大大改善其性能。室溫下的納米陶瓷TiO2在壓實中已結合得很好。當燒結溫度高于500℃時就迅速增稠，而晶粒尺度卻僅有微小增加。所以它能在比大晶粒樣品低600℃的溫度下達到類似于普通陶瓷的硬度……在冷加工成形后，可使之轉變到常規(guī)陶瓷。若采用表面退火的辦法，就能制成一種表面保持常規(guī)陶瓷的硬度和穩(wěn)定性，而內部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷……

利用納米粒子的高度活性可制備活性極高的催化劑，應用較多的是半導體光催化劑, 特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒, 可近似地看成是一個短路的微型電池, 用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時, 半導體納米粒子吸收光產生電子——空穴對。在電場作用下, 電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置, 與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。

納米鋁粉是一種納米金屬催化劑, 因粒徑小, 烴類與催化劑的混合接觸充分, 傳質效果好。無錫威孚吉大應用開發(fā)研究所, 投入資金約500 萬元, 進行納米鋁粉應用于改進三元催化劑的研究和開發(fā)。同時公司還將納米技術應用于汽車尾氣凈化, 應用前景較樂觀。武漢塑料工業(yè)集團股份有限公司以中科院化學所工程塑料國家重點實驗室為技術依托, 建設兩條納米材料生產線, 制造高性能聚合物/ 粘土納米復合材料。該材料具有高強度、耐熱、高阻隔及自熄滅性等優(yōu)點, 在汽車、電子、建材、包裝等領域有較大的應用潛力。另外, 江蘇五菱常泰納米材料股份有限責任公司也進行納米材料及其產品的研究、制造及營銷。江蘇和陜西等地也分別建成納米氧化鋅生產線。

在火箭固體燃料中摻入鋁的納米微粒，可提高燃燒效率若干倍。利用鐵磁納米材料具有很高矯頑力的特點，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙，以及高性能錄像帶等。利用納米材料等離子共振頻率的可調性可制成隱形飛機的涂料。納米材料的表面積大，對外界環(huán)境（物理的和化學的）十分敏感，在制造傳感器方面是有前途的材料，目前已開發(fā)出測量溫度、熱輻射和檢測各種特定氣體的傳感器。在生物和醫(yī)學中也有重要應用。

Nano solid material properties and applications

Tiansainan Chemistry engineering of Beijing Institute of Petrochemical Technology Beijing 1026174；化092

090040 This paper expounds the concept and nano solid materials history, explained the structure of solid materials and nanotechnology caused by its characteristics, this paper introduces the application of nano solid materials.參考文獻

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（2）杜鄭帥.水性UV節(jié)能環(huán)保涂料的研究和應用[D].江南大學, 2009（3）鐘俊輝 納米固體材料 稀有金屬材料與工程 , Rare Metal Materials and Engineering, 1993年 04期（4）胡善榮;劉佩華 納米固體材料

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（5）楊得全

范垂禎 納米固體材料的界面及其對性能的影響 《真空與低溫》1995年03期（6）Gleiter H Nanostructured Materials 1997(01)

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第四篇：納米天線的超常特性及應用

納米天線的超常特性

都世民

最近筆者發(fā)現有多則科技報道與納米光學天線有關。為此從百度文庫、道客巴巴文庫、光明網、科學網、騰訊網、國家納米研究中心網、中科院納米研究中心網等，查詢納米光學天線有關資料，分析整理后，對有關問題進行一些討論。

近日，武漢大學電子信息學院，用一種新穎的反射式金納米天線陣列，成功應用於激光全息領域。這是一種在襯底表面加工出超薄金屬微納結構材料，與光波相互作用，呈現出一些超常特性。武漢大學鄭國興與伯明翰大學教授張霜開展合作，在實驗中不僅捕捉到令人滿意的愛因斯坦激光全息圖像，而且實現了高達80%的實測衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且工藝流程大大簡化——僅需一步光刻工藝。

另據報道，蘇格蘭大學物理學聯盟高校的科學家，在實驗室內成功降低了光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運行。在自由空間中光速接近每秒30萬公里，當光通過諸如冰體、玻璃等材料時，光速會出現降低，但只要它再次返回自由空間中，其速度就會回歸正常。

美國伊利諾斯大學厄本那—香檳分校一個研究小組基曼尼·圖森特,用已制作好的納米陣列結構，在電子掃描顯微鏡下，調整陣列，實現對等離子光學性質進一步重組。因此人們能在制作好之后，決定所需的納米結構，實現對光波的控制。

這種納米天線陣列為柱-領結納米天線（p-BNA）陣列模板，每根直徑約250納米，用金制作成領結狀柱塊，“領結”下墊有500納米高的玻璃柱。用掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)出的電子束，可以讓單根或多根p-BNA子陣列，以60納米/秒的速度變形。在電子束的激發(fā)下，等離子推動納米天線陣列，使其出現明顯變形，這在金粒子之間形成納牛（10的負9次方牛）量級的受力差異。

2015-03-05，中國科學技術大學設計了一類尺寸為50納米，且具有內凹型結構的金屬鈀納米材料，通過降低結構對稱性和增大顆粒尺寸，使其能夠在可見光寬譜范圍內吸光，吸光后的光熱效應足以為有機加氫反應提供熱源。納米結構的尖端棱角處具有超強的聚光能力從而產生局部高溫。

內外科技專家上述研究進展，這些成果很受關注。無論是軍用或民用上，這些成果的轉化都可能產生顛覆性影響。其應用前景十分廣闊。當然這些領域的研究是相互交叉的，有一個較長時期的融合過程。將會在哪些方面出現巨大變化，還需試目以待。這是筆者關注的原因之一。另外，筆者從事天線技術五十年，專業(yè)上愛好和興趣也是一個原因。

納米光學天線的基本關注點

[size=14.0000pt]1.納米光學天線最小尺寸

納米光學天線與傳統(tǒng)天線比較，首先在維度上是最小尺寸。1985年，wessel教授基于金屬小顆粒能有類似于傳統(tǒng)天線接收入射電磁波的屬性，最早提出光學天線的概念。隨后，Pohl教授對這種類似性進行系統(tǒng)的討論，通過比較近場光學探針與傳統(tǒng)天線的相似性，得出傳統(tǒng)天線理論可以應用于近場光學。由于光學偶極子天線諧振長度遠遠小于入射光半波長，這與傳統(tǒng)天線理論相悖，Novotny教授用有效波長的概念解決了該問題。

2010年03月17日新華網報道：日本廣島大學的研究小組日前開發(fā)出納米級超小型天線.天線寬75至125納米、長500納米，相當于把普通電視天線縮小到百萬分之一。構成天線的5根“枝杈”是用金制作的，固定在透明的氧化硅板中。這種天線能夠收發(fā)波長為400至800納米的電磁波。納米光學天線是自赫茲發(fā)明天線以來，所有天線中最小天線，它的工作頻段進入光頻段，即THz。然而納米天線進入光頻段，出現一些超常特性。2.納米光學天線的超常特性

天線是接收和輻射電磁能的工具，具有非常廣泛的應用，在光學波段可以利用光學天線在納米尺度對光波進行調控。基于表面等離子體共振的納米光學天線的一個獨特性質是約束場。一個很小金屬顆粒受光激后，經常被看作一個偶極子天線，納米粒子可以通過外場的激發(fā)，而成為光源,并擁有其獨特的光學性能。納米天線對特定波長的輻射，具有強吸收和強散射的特性，該特性與粒子的大小、形狀、介質環(huán)境等因素緊密相關。

當表面等離子體諧振時，納米金屬粒子的極化作用明顯增強，誘發(fā)的偶極子也極大地增強，這也導致電磁場大大增強。這種性能常常被用來增強某些光學過程的弱輻射截面,如拉曼散射、熒光現象或者提高非線性光學響應。這種性能與微波線天線受外場激勵后，在諧振狀態(tài)，產生的感應電流在平行極化時，會使天線輻射場明顯增強，這兩者有相類似的現象。A.頻譜調控：

據科學時報2010年1月27日報道：中國科學技術大學科研人員發(fā)現：無線電通信天線尖端尺寸減少到納米量級，并非常接近另一金屬表面而形成一個納米腔室時，就可以調控局域等離激元諧振模式，來對腔內熒光體的發(fā)光特性進行有效控制，在光頻區(qū)實現新奇的電光效應：電致熱熒光、上轉換發(fā)光和“彩色”頻譜調控。這些發(fā)現及其隱含的物理機制，揭示了局域的納腔等離激元場，可以作為一種近場相干光源，在光電耦合與轉化過程中，起著至關重要的調控與放大作用，為納米光電集成提供了新的思路。B.實現高增益單波束輻射：

單向納米天線可以為任何無方向性的光發(fā)射器（如微激光器、納激光器或等離子激光器（Spasers），甚至量子點）引入方向性。立方體天線通過精確控制光束寬度與方向，實現光會聚。特殊結構的納米天線能夠改變與其相耦合的點光源的方向性，甚至可實現高增益單波束輻射。調天線單元間距可實現對光束指向的微調。

C.利用非對稱光學縫隙納米天線，可以調控光的耦合和輻射方向。

D.圓偏振光的調控: 利用L形光學縫隙納米天線，通過調節(jié)天線尺寸來改變兩個相互正交的線偏振的不同模式的相位，可以獲得90度的相位差和近似相等的強度，從而實現圓偏振光。

E.增強自發(fā)光輻射： 用由金制成的外部天線，來增強銦鎵砷磷(InGaAsP)制成的納米棒的自發(fā)光輻射，可增加115倍。

F.產生開關效應: 由北京大學物理學院、美國Rice大學、國家納米科學中心、北京大學前沿交叉學院共同合作完成的“導電襯底金屬九聚體納米天線結構Fano共振開關效應”.G.改變納米天線尺寸與波長的關系: 使用不規(guī)則碎片形狀，可改變納米天線尺寸至非常小，或增大至人類頭發(fā)的寬度.H.改善天線的性能: 使用3D打印技術制成的半球立體天線,其性能比普通的單極天線高一個數量級，同時也能大大減小納米天線尺寸，不足波長的十二分之一.I.創(chuàng)建負折射現象來控制光的偏振: 2011年12月26日 ,科技日報報道：(http://004km.cn)實驗證明，纖細的等離子體納米天線陣列能采用新奇的方式對光進行精確地操控，改變光的相位，形成負折射現象.通過改變光的相位，能顯著改變光的傳播方式，同一種光波通過折射率不同的物質時，相位就會發(fā)生變化。創(chuàng)建負折射現象，也可以控制光的偏振。有別于經典的折射和反射定律。普渡大學的科研團隊制造出了這種納米天線陣列，光波波介于1微米(百萬分之一米)到1.9微米之間的近紅外光附近，大大改變了光波的相位和傳播方向。J.控制和引導吸收光的能量: 據美國物理學家組織網2011年7月10日報道，加拿大科學家從植物的光合作用裝置——捕光天線中獲取靈感，研制出了新型納米捕光“天線”，它能控制和引導吸光能量。這是整合在DNA（脫氧核糖核酸）和半導體研究兩方面的先進成果，發(fā)明了這種方法，讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復合物，并將這種由量子點自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。令人吃驚的是，這種天線能自我組裝而成，用篩選出來的特定DNA序列包裹不同類型的納米粒子，將其整合在一起。隨后按照自然規(guī)律，自我組裝成擁有特定屬性的類似于分子的納米粒子復合物。這種新型納米天線能增加吸收光的能量，還可以將此光能量釋放到該復合物內特定的位置上。新復合物也能捕捉太陽光中所包含的各種波長的光。這是一種新型能量產生器，這對探索小宇宙內能量形成機制有很好的啟發(fā)。

K.調控光的速度: 蘇格蘭大學物理學聯盟高校的科學家，在實驗室內成功降低光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運行。

L.重組光的性質：納米紋理表面就像一種預編程序，入射光與表面相互作用后，光的性質就會發(fā)生改變。用已制作好的納米陣列結構，在電子掃描顯微鏡下對陣列進行調整，實現對等離子光學性質進一步重組。因此能在制作好之后，而不是之前，決定所需的納米結構來改變光的性質。

[size=15.0000pt]3.納米光學天線形狀與結構

納米光學天線結構種類繁多，常見結構:分別是納米棒、蝴蝶結形、納米粒子對、八木-宇田天線、納米粒子陣列。對稱振子納米光學天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構成。共振時天線長度約為入射光波長的一半。振子臂形狀除了長方形外，也可以為梯形，蝴蝶結形、圓盤形、三角形等。金屬納米顆粒的不同結構或組合決定了其等離子體共振峰值的位置，也就是結構決定其工作波長。不同結構的納米天線具有不同的光學性能，這也提供了對基于納米光學天線的光學元件的調控方法。.新近科技報道表明，納米光學天線還有下列形狀：

A.澳大利亞spacedaily網站2015年2月25日報道：澳大利亞科學家發(fā)明200納米絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線.性能優(yōu)于先前的由導體和半導體材料組成的球形天線。B.納米光學L形縫隙天線,可以輻射出圓偏振光。

C.不規(guī)則碎片形，也就是說它們由重復樣板組成，復制最小屬性的形狀，以打造相似卻更大的結構。使用這一不規(guī)則碎片形法，意味著研究人員研發(fā)的納米天線可縮小至非常小的尺寸，或擴大至人類頭發(fā)的寬度.D 3D立體半球天線

美國伊利諾伊大學電子和計算機工程系以及材料科學和工程系的兩位教授聯手，造出了一種突破性的“3D天線”。使用納米級的“銀墨水”，用類似打印機的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。這種3D立體天線的性能比普通的單極天線高一個數量級，同時尺寸也能大大縮小，不足波長的十二分之一。通過計算機設計多種天線形狀，可以實現在各種基板，包括塑料薄膜、紙質、陶瓷等表面，實現“一鍵”打印天線，該技術非常便捷，可以實現諸如辦公室打印文檔一樣快速打印制造天線。

E.V型結構納米天線：普渡大學的科研團隊制造出了納米天線陣列,這種納米天線是蝕刻在一層硅上方的金做成的V型結構，它們是一種“超材料”(一般都是所謂的等離子體結構)，寬40納米?？茖W家們也已證明，他們能讓光通過一個寬度僅為光波波長五十分之一的超薄“等離子體納米天線層”。

F.人造分子式納米天線：讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復合物，將這種由量子點自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

G.Bow-tie金屬天線，通過利用雙光子熒光增強作用，得到了天線間隙處場增強大約在1000量級。Bow-tie天線間隙處的場高度增強，應用于雙光子聚合，得到30 nm的分辨率。H.單極納米天線：在SNOM針尖上，制備單極光學天線，探測單分子熒光，得到了～25nm的光學分辨率。

I.金子塔形的納米天線：荷蘭阿姆斯特丹FOM研究所和飛利浦研究所的研究人員，設計了一種新型小金子塔形的納米天線,而不是通常所采用的直柱形。這種形狀能夠增強光的電場與磁場之間的干涉，使場增強或改變光束的方向。[size=15.0000pt]4.納米光學天線的材料

按材料的不同，光學天線可分為介質光學天線和金屬光學天線。其中，介質光學天線可以作為近場光學探針對樣本表面的隱逝場進行散射，實現局域場與傳播場的相互轉換。金屬(金、銀、銅、鋁等)光學天線，一般由金屬納米結構組成，利用金屬納米結構與光的作用，實現傳播場與局域場的相互轉換和電磁場局域增強。

A.對稱振子納米光學天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構成。兩片金屬薄膜材料多為金、銀，也可用碳納米管制成。

B.3D立體半球天線.使用納米級的“銀墨水”，用類似打印機的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。

C.納米捕光“天線”.讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復合物，這種由量子點自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

D.創(chuàng)建負折射現象，控制光的偏振。有別于經典的折射和反射定律.制造出了納米天線陣列并大大改變了光波波長介于1微米(百萬分之一米)到1.9微米之間的近紅外線附近光波的相位和傳播方向。

E.使用由金制成的外部天線，并使用銦鎵砷磷(InGaAsP)制成納米棒光學天線。

F.用一種新穎的反射式金納米天線陣列，在襯底表面加工出超薄金屬微納結構材料，與光波相互作用，呈現出一些超常特性。

G.使用絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線。H.使用由導體和半導體材料組成的球形天線。

I.使用微型半導體量子級聯(QC)激光器,在QC激光器上安裝納米天線，實現了納米級的精度對激光點聚焦，從而可以使QC激光器執(zhí)行亞微米級的掃描。使分辨率提高到可見光波長的百分之一。使體積更小，有更好的信噪比。

J.石墨烯制作的納米天線: 佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的研究人員，通過計算機模擬，用石墨烯制作的納米天線,可以用于納米機器的網絡中。除了能夠在納米機器之間通信外，石墨烯天線還能用于移動手機和網絡連接的筆記本上，使它們得到更遠的通信距離。石墨烯使用非常少的能源就能夠運行。由于石墨烯的蜂窩結構，所以它的表面產生表面波的范圍也最廣。這種天線的特性是，在大小相同的情況下，輻射頻率比普通材料天線的輻射頻率還要低。

在 0.1 到 10 太赫茲之間波段,石墨烯納米天線將無線網絡中的數據速率提高超過兩個數量級。

K.稀土摻雜上轉換納米發(fā)光材料具有高光化學穩(wěn)定性、幾乎無毒性、窄線寬、長熒光壽命、可調諧熒光發(fā)射波長等優(yōu)勢，是目前普遍看好且有望成為替代傳統(tǒng)下轉換熒光探針的新一代熒光生物標記材料。

L.用具有內凹型結構的金屬鈀納米材料，制作的納米天線.這種獨特設計的金屬鈀納米材料，具有高催化活性和太陽能利用價值，在光驅動有機加氫反應中，展現出優(yōu)異的催化性能.

第五篇：先進技術應用中的納米結構材料

先進技術應用中的納米結構材料

Johann Peter Reithmaier, University of

Kassel Germany

Nanostructured Materials

for Advanced

Technological Applications

2009, 547pp.Hardcover

ISBN 9781402099144

Johann Peter Reithmaier著

本書是2008年6月在保加利亞的索佐波爾市舉行的NATO項目中關于納米材料應用的高級講習班的講義文集。

NATO項目主要資助一些關于反恐、國家安全的科學會議。本次會議的主要目的是評估最新的技術進展以及納米材料應用的未來前景,主要聚焦在材料結構、功能性質以及潛在應用之間的關系。第二個目的在于培養(yǎng)和訓練與會者關于納米材料制備、性質以及應用的相關知識。第三個目的是希望致力于納米材料領域的NATO項目資助的青年科學家們可以跨學科地進行交叉合作以取得突破性的成就。

本書共分六個部分,第一部分是概述,對納米材料在先進技術應用方面給出一個簡單的概論;第二部分是理論部分,主要介紹了電子電氣、光學以及其他如納米粒子、超導體等領域的理論模擬知識;第三部分是表征方法的概論,主要介紹了拉曼光譜技術、動態(tài)光散射技術在表征納米材料中的應用;第四部分是制備方法的概論,主要介紹了快重離子輻射法、離子注入法、激光快速成型法在合成納米材料方面的應用;第五部分詳細講述了各種納米材料的合成及表征方法,主要介紹了碳納米管,各種納米粒子包括量子點、金納米粒子、銀納米粒子、氧化鋅納米粒子、納米復合材料、薄膜、硫族化合物以及其他玻璃系統(tǒng)的制備與表征方法;第六部分是納米材料的應用,主要介紹了納米材料在電學、數據存儲、光電領域以及生物技術領域的應用。

本書作者均是NATO項目的杰出科學家,在納米材料領域均有一定的造詣。本書兼顧基礎知識與前沿進展,對廣大研究納米材料的老師與同學均是一本不可多得的參考書。

程恩雋，博士生(國家納米科學中心)

Chengenjun, DoctoralCandidate

(National Center for Nanoscience and Nanotechnology ,China)