| 納米材料幾個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域的新進(jìn)展 一、納米組裝體系的設計和研究 目前的研究對象主要集中在納米陣列體系；納米嵌鑲體系；介孔與納米顆粒復合體系和納米顆粒膜。目的是根據需要設計新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標是為納米器件的制作進(jìn)行前期準備，如高亮度固體電子顯示屏，納米晶二極管，真空紫外到近紅外特別是藍、綠、紅光控制的光致發(fā)電和電子發(fā)光管等都可以用納米晶作為主要的材料，國際上把這種材料稱(chēng)為“量子”納米晶，目前在實(shí)驗室中已設計出的納米器件有Si-SiO2的發(fā)光二極管，Si摻Ni的納米顆粒發(fā)光二極管，用不同納米尺度的CdSe做成紅、綠、藍光可調諧的二極管等。介孔與納米組裝體系和顆粒膜也是當前納米組裝體系重要研究對象，主要設計思想是利用小顆粒的量子尺寸效應和滲流效應，根據需要對材料整體性能進(jìn)行剪裁、調整和控制達到常規不具備的奇特性質(zhì)，這方面的研究將成為世紀之交乃至下一個(gè)世紀引人注目的前沿領(lǐng)域。納米陣列體系的研究目前主要集中在金屬納米顆?；虬雽w納米顆粒在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列的二維體系。 納米顆粒與介孔固體組裝體系近年來(lái)出現了新的研究熱潮。人們設計了多種介孔復合體系，不斷探索其光、電及敏感活性等重要性質(zhì)。這種體系一個(gè)重要特點(diǎn)是既有納米小顆粒本身的性質(zhì)，同時(shí)通過(guò)納米顆粒與基體的界面隅合，又會(huì )產(chǎn)生一些新的效應。整個(gè)體系的特性與基體的孔洞尺寸，比表面以及小顆粒的體積百分比數有密切的關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個(gè)體系表現為納米顆粒的特性；也可以通過(guò)空隙的連通，利用滲流效應使體系的整體性質(zhì)表現為三維塊體的性質(zhì)。這樣可以根據人們的需要組裝多種多樣的介孔復合體。目前，這種體系按支撐體的種類(lèi)可劃分為：無(wú)機介孔和高分子介孔復合體兩大類(lèi)。小顆?？梢允牵航饘?、半導體、氧化物、氮化物、碳化物。按支撐體的狀態(tài)也可分為有序和無(wú)序介孔復合體。 二、高性能納米結構材料的合成 對納米結構的金屬和合金重點(diǎn)放在大幅度提高材料的強度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應所造成的無(wú)位錯或低位錯密度區域使其達到高硬度、高強度。納米結構銅或銀的塊體材料的硬度比常規材料高50倍，屈服強度高12倍；對納米陶瓷材料，著(zhù)重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結構碳化硅的斷裂韌性比常規材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的復合材料，斷裂韌性比常規材料提高4-5倍，原因是這類(lèi)納米陶瓷龐大體積百分數的界面提供了高擴散的通道，擴散蠕變大大改善了界面的脆性。 三、納米添加使傳統材料改性 在這一方面出現了很有應用前景的新苗頭，高居里點(diǎn)、低電阻的PTC陶瓷材料，添加少量納米二氧化銑可以降低燒結溫度，致密速度快，減少Pb的揮發(fā)量，大大改善了PTC陶瓷的性能，尺度為60nm的氧化鋅壓敏電阻、非線(xiàn)性閥值電壓為100V／cm，而4mm的氧化鋅，閥值電壓為4kV／cm，如果添加少量的納米材料，可以將閥值電壓進(jìn)行調制，其范圍在100V~30kV之間，可以根據需要設計具有不同閥值電壓的新型納米氧化鋅壓敏電阻，三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm納米三氧化二鋁，熱穩定性提高了2——3倍，熱導系數提高10％——15％。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強，壽命提高。添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性。納米材料添加到其他材料中都可以根據需要，選擇適當的材料和添加量達到材料改性的目的，應用前景廣闊。 四、納米涂層材料的設計與合成 這是近1—2年來(lái)納米材料科學(xué)國際上研究的熱點(diǎn)之一，主要的研究聚集在功能涂層上，包括傳統材料表面的涂層、纖維涂層和顆粒涂層，在這一方面美國進(jìn)展很快，80nm的二氧化錫及40nm的二氧化欽、20nm的三氧化二鉻與樹(shù)脂復合可以作為靜電屏蔽的涂層，80nm的BaTiO3可以作為高介電絕緣涂層，40nm的Fe3O4可以作為磁性涂層，80nm的Y2O3可以作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高，用于紅外窗口材料。近年來(lái)人們根據納米顆粒的特性又設計了紫外反射涂層，各種屏蔽的紅外吸收涂層、紅外涂層及紅外微波隱身涂層，在這個(gè)方面的研究逐有上升的趨勢，目前除了設計所需要的涂層性能外，主要的研究集中在噴涂的方法，大部分研究尚停留在實(shí)驗室階段，日本和美國在靜電屏蔽涂層、絕緣涂層工藝上有所突破，正在進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的階段。 五、納米顆粒表面修飾和包覆的研究 這種研究主要是針對納米合成防止顆粒長(cháng)大和解決團聚問(wèn)題進(jìn)行的，有明確的應用背景。美國已成功地在ZrO2納米顆粒表面包覆了Al2O3在納米Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有機包覆，TiO2表面的有機和無(wú)機包覆都已在實(shí)驗室完成。包覆的小顆粒不但消除了顆粒表面的帶電效應，防止團聚，同時(shí)，形成了一個(gè)勢壘，使它們在合成燒結過(guò)程中（指無(wú)機包覆）顆粒不易長(cháng)大。有機包覆使無(wú)機小顆粒能與有機物和有機試劑達到浸潤狀態(tài)。這為無(wú)機顆粒摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎。這些基礎研究工作，推動(dòng)了納米復合材料的發(fā)展。美國在實(shí)驗室中已成功的把納米氧化物表面包覆有機物的小顆粒添加到塑料中，提高了材料的強度和熔點(diǎn)。同時(shí)防水能力增強，光透射率有所改善。若添加高介電納米顆粒，還可增強系統的絕緣性。在封裝材料上有很好的應用前景。 納米材料研究的現狀、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢 一、納米材料研究的現狀 自70年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái)，80年代中期在實(shí)驗室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿熱點(diǎn)是在80年代中期以后。從研究的內涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段。第一階段（1990年以前）主要是在實(shí)驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結構的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類(lèi)納米材料稱(chēng)納米晶或納米相材料。第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設計納米復合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復合，納米微粒與常規塊體復合及發(fā)展復合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導方向。第三階段（從1994年到現在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。國際上，把這類(lèi)材料稱(chēng)為納米組裝材料體系或者稱(chēng)為納米尺度的圖案材料。它的基本內涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無(wú)序地排列。如果說(shuō)第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機性，那么這一階段研究的特點(diǎn)更強調人們的意愿設計、組裝、創(chuàng )造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著(zhù)名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學(xué)家費曼曾預言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創(chuàng )造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實(shí)現費曼預言，創(chuàng )造新奇跡的起點(diǎn)。美國加利福尼亞大學(xué)洛倫茲伯克力國家實(shí)驗室的科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表論文，指出納米尺度的圖案材料是現代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢?jiàn)，納米結構的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導方向。 二、納米材料研究的特點(diǎn) 1、納米材料研究的內涵不斷擴大 第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90％，孔徑大小為納米級，這就導致孔隙間的材料實(shí)際上是納米尺度的微?；蚪z，這種納米結構為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個(gè)三維空間。納米管的出現，豐富了納米材料研究的內涵，為合成組裝納米材料提供了新的機遇。 2．納米材料的概念不斷拓寬 1994年以前，納米結構材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現在納米結構的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實(shí)體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結構材料內涵變得豐富多彩。 3．納米材料的應用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn) 經(jīng)過(guò)第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現納米材料所具備的不同于常規材料的新特性，對傳統工業(yè)和常規產(chǎn)品會(huì )產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實(shí)驗室的成果轉化為規模生產(chǎn)，據不完全統計，國際上已有20多個(gè)納米材料公司經(jīng)營(yíng)粉體生產(chǎn)線(xiàn)，其中陶瓷納米粉體對常規陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環(huán)保、能源、醫藥等領(lǐng)域的應用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開(kāi)。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開(kāi)始已陸續進(jìn)入市場(chǎng)，所創(chuàng )造的經(jīng)濟效益以20％速度增長(cháng)。 三、納米材料的發(fā)展趨勢 1．加強控制工程的研究 在納米材料制備科學(xué)和技術(shù)研究方面一個(gè)重要的趨勢是加強控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結構的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應都同時(shí)在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻大小、強弱往往很難區分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現象的解釋帶來(lái)困難，同時(shí)也給設計新型納米結構帶來(lái)很大的困難。如何控制這些效應對納米材料性能的影響，如何控制一種效應的影響而引出另一種效應的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問(wèn)題。國際上近一兩年來(lái)，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個(gè)方面：一是納米顆粒的表面改性，通過(guò)納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結構和粗糙度；二是通過(guò)納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續分布還是孤立分布）來(lái)控制量子尺寸效應和滲流效應；三是通過(guò)設計納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無(wú)序陣列）來(lái)獲得所需要的特性。 2．近年來(lái)引人注目的幾具新動(dòng)向 （1）納米組裝體系藍綠光的研究出現新的苗頭。日本Nippon 鋼鐵公司閃電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現了藍綠光發(fā)光強度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過(guò)程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長(cháng)光激發(fā)下發(fā)射極強的藍綠光，比多孔Si的最強紅光還高出1倍多，250nm波長(cháng)光激發(fā)出極強的藍光。 （2）巨電導的發(fā)現。美國霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在SiO2一Au的顆粒膜上觀(guān)察到極強的高電導現象，當金顆粒的體積百分比達到某臨界值時(shí)，電導增加了14個(gè)數量級；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導增加8個(gè)數量級； （3）顆粒膜巨磁電阻尚有潛力。1992年，納米顆粒膜巨磁電阻發(fā)現以來(lái)，一直引起人們的關(guān)注，美國布朗大學(xué)的科學(xué)家最近在4K的溫度下,幾個(gè)特斯拉的磁場(chǎng)，R/R上升到50％，目前這一領(lǐng)域研究追求的目標是提高工作溫度，降低磁場(chǎng)。如果在室溫和零點(diǎn)幾特斯拉磁場(chǎng)下，顆粒膜巨磁阻能達到10％，那么就將接近適用的使用目標。目前國際上科學(xué)家們正在這一領(lǐng)域努力。 （4）納米組裝體系設計和制造有新進(jìn)展。美國加利福尼亞大學(xué)化學(xué)工程系成功地把納米AU 顆粒組裝到DM的分子上形成納米晶分子組裝體系；美國利用自組裝技術(shù)將幾百支單壁納米碳管組成晶體索"Ropes"，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于10－4W／cm；將納米三碘化鉛組裝到尼龍（nylon－11）上，在X射線(xiàn)照射下具有強的光電導性能，利用這種性能為發(fā)展數字射線(xiàn)照相奠定了基礎。 | 
