纳米材料发展趋势的分析介绍

纳米材料发展趋势

1．纳米固体材料的诞生

从科学技术发展史来看，新技术的发展往往需要新材料的支持。如果没有1970年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维，可能不会有现代的光通信；如果没有高纯度大直径的硅单晶，很难想象集成电路、先进的计算机及通信设备的高速发展。

纳米材料是受纳米尺度控制、具有新特性和行为的纳米尺度材料。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，纳米材料是构建二维和三维复杂功能纳米体系的单元，在此基础上可产生许多纳米新器件和功能器件。许多科学技术新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科学技术支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。

在长期的晶体材料研究中，人们将具有完整空间点阵结构的实体视为晶体，是晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、位错和晶界看做是晶体材料中的缺陷。

1980年的一天，在澳大利亚的茫茫沙漠中有一辆汽车在高速奔驰，车内坐着德国物理学家格兰特教授，他正驾驶租用的汽车独自横穿澳大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独，使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶体物理研究的科学家。此时，一个长期思考的问题在他的脑海中跳动：如何研制具有异乎寻常特性的新型材料？此时他想到，如果逆向思考，把缺陷作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会是怎样？格兰特在沙漠中的构想很快变成了现实，经过4年的不懈努力，他领导的研究组终于在1984年研制成功了黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒在纳米量级时都呈黑色。纳米固体材料就这样诞生了。

纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起材料界的广泛关注，这是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等；纳米铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米陶瓷材料具有塑性（或称为超塑性）等。

2．纳米材料

效应颜料 这是纳米材料最重要、最有前途的用途之一，特别是在汽车的涂装业中，因为纳米材料具有随角变色效应，使汽车面漆大增光辉，深受配色专家的喜爱。

防护材料 某些纳米材料透明性好，具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品和材料中添加少量（一般不超过含量的2%）的纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤，使之更具有耐久性和透明性。因而被广泛用于护肤产品、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等。

精细陶瓷 使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料，喷涂在玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨，还不易破碎。

催化剂 纳米粒子表面积大、表面活性中心多，是作为催化剂材料的必要条件。利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍；镍粒径在5纳米以下，用硅载体镍催化剂的丙醛氧化反应可以得到有效控制，酒精转化率急剧增大。

磁性材料 纳米粒子属单磁畴区结构的粒子，磁化过程完全由旋转磁化进行，即使不磁化也是永久性磁体，因此用它可制作永久性磁性材料。纳米材料用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量，其超顺磁性在工业废液处理方面有着广阔的应用前景。

传感材料 纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等特征，是最有前途的传感器材料，利用其电阻的显著变化制作的传感器，特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。

材料烧结 纳米粒子小尺寸效应及活性大，高熔点材料和复合材料的烧结都较容易。具有烧结温度低、烧结时间短等特点，而且可得到性能良好的烧结体。普通钨粉需在3 000摄氏度的高温下烧结，而当掺入少量纳米镍粉时，烧结温度可降到1 200～1 311摄氏度。

生物工程 纳米粒子与生物体有密切关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，其粒度在15～20纳米范围，生物体内的多种病毒也是纳米级的。研究纳米生物学，可以在纳米尺度上了解生物大分子精细结构及其功能关系，获取生命信息，特别是细胞内的各种信息。利用纳米粒子制成机器人，注入人体血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。

能源环保 德国科学家正在设计用纳米材料制作一个高温燃烧器，通过电化学反应过程，不经燃烧就把天然气转化为电能。燃料的利用率要比一般电厂的效率提高20%～30%，而且大大减少了二氧化碳的排气量。

微型器件 纳米材料，特别是纳米线，可以使芯片集成度提高，电子元件体积缩小，提高计算机的容量和运行速度。纳米材料在使机器微型化及提高机器容量方面的应用前景被很多发达国家看好，有人认为它可能引发新一轮工业革命。

光学材料 纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能，可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等，具有很高的应用价值。

增强材料 纳米结构合金有高延展性，是航空航天及汽车工业中很有应用前景的材料；纳米硅作为水泥的添加剂，可大大提高其强度；纳米纤维作为硫化橡胶的添加剂，可增强橡胶并提高其回弹性；纳米管在制作纤维增强材料方面也有潜在的应用前景。

纳米滤膜 现已用纳米材料制作出了可分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，实现高能分离操作的纳米滤膜。

纳米材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于航天、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不仅在高科学技术领域有不可替代的作用，也为传统产业带来生机和活力。可以预言，纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展，必将对传统的化学工业和其他产业产生重大影响。