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納米材料幾個熱點(diǎn)領(lǐng)域的新進(jìn)展
一、納米組裝體系的設(shè)計(jì)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(fù)合體系和納米顆粒膜。目的是根據(jù)需要設(shè)計(jì)新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標(biāo)是為納米器件的制作進(jìn)行前期準(zhǔn)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(lán)、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為“量子”納米晶，目前在實(shí)驗(yàn)室中已設(shè)計(jì)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(lán)光可調(diào)諧的二極管等。介孔與納米組裝體系和顆粒膜也是當(dāng)前納米組裝體系重要研究對象，主要設(shè)計(jì)思想是利用小顆粒的量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)，根據(jù)需要對材料整體性能進(jìn)行剪裁、調(diào)整和控制達(dá)到常規(guī)不具備的奇特性質(zhì)，這方面的研究將成為世紀(jì)之交乃至下一個世紀(jì)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?dǎo)體納米顆粒在一個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出現(xiàn)了新的研究熱潮。人們設(shè)計(jì)了多種介孔復(fù)合體系，不斷探索其光、電及敏感活性等重要性質(zhì)。這種體系一個重要特點(diǎn)是既有納米小顆粒本身的性質(zhì)，同時通過納米顆粒與基體的界面隅合，又會產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。整個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(shù)有密切的關(guān)系?？梢酝ㄟ^基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個體系表現(xiàn)為納米顆粒的特性；也可以通過空隙的連通，利用滲流效應(yīng)使體系的整體性質(zhì)表現(xiàn)為三維塊體的性質(zhì)。這樣可以根據(jù)人們的需要組裝多種多樣的介孔復(fù)合體。目前，這種體系按支撐體的種類可劃分為：無機(jī)介孔和高分子介孔復(fù)合體兩大類。小顆?？梢允牵航饘佟雽?dǎo)體、氧化物、氮化物、碳化物。按支撐體的狀態(tài)也可分為有序和無序介孔復(fù)合體。
二、高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成
對納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金重點(diǎn)放在大幅度提高材料的強(qiáng)度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無位錯或低位錯密度區(qū)域使其達(dá)到高硬度、高強(qiáng)度。納米結(jié)構(gòu)銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍，屈服強(qiáng)度高12倍；對納米陶瓷材料，著重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的復(fù)合材料，斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍，原因是這類納米陶瓷龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面提供了高擴(kuò)散的通道，擴(kuò)散蠕變大大改善了界面的脆性。
三、納米添加使傳統(tǒng)材料改性
在這一方面出現(xiàn)了很有應(yīng)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(jié)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(diào)制，其范圍在100V~30kV之間，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)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(wěn)定性提高了2——3倍，熱導(dǎo)系數(shù)提高10％——15％。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強(qiáng)，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(jù)需要，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾吞砑恿窟_(dá)到材料改性的目的，應(yīng)用前景廣闊。
四、納米涂層材料的設(shè)計(jì)與合成
這是近1—2年來納米材料科學(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(tǒng)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的三氧化二鉻與樹脂復(fù)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。近年來人們根據(jù)納米顆粒的特性又設(shè)計(jì)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，在這個方面的研究逐有上升的趨勢，目前除了設(shè)計(jì)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(yàn)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大和解決團(tuán)聚問題進(jìn)行的，有明確的應(yīng)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(jī)包覆，TiO2表面的有機(jī)和無機(jī)包覆都已在實(shí)驗(yàn)室完成。包覆的小顆粒不但消除了顆粒表面的帶電效應(yīng)，防止團(tuán)聚，同時，形成了一個勢壘，使它們在合成燒結(jié)過程中（指無機(jī)包覆）顆粒不易長大。有機(jī)包覆使無機(jī)小顆粒能與有機(jī)物和有機(jī)試劑達(dá)到浸潤狀態(tài)。這為無機(jī)顆粒摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)研究工作，推動了納米復(fù)合材料的發(fā)展。美國在實(shí)驗(yàn)室中已成功的把納米氧化物表面包覆有機(jī)物的小顆粒添加到塑料中，提高了材料的強(qiáng)度和熔點(diǎn)。同時防水能力增強(qiáng)，光透射率有所改善。若添加高介電納米顆粒，還可增強(qiáng)系統(tǒng)的絕緣性。在封裝材料上有很好的應(yīng)用前景。
納米材料研究的現(xiàn)狀、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢
一、納米材料研究的現(xiàn)狀
自70年代納米顆粒材料問世以來，80年代中期在實(shí)驗(yàn)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?zé)狳c(diǎn)是在80年代中期以后。從研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個階段。第一階段（1990年以前）主要是在實(shí)驗(yàn)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(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)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，國際上通常把這類納米材料稱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的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)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(dǎo)方向。第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)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(jié)構(gòu)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、管可以是有序或無序地排列。如果說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(jī)性，那么這一階段研究的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)人們的意愿設(shè)計(jì)、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。著名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學(xué)家費(fèi)曼曾預(yù)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(xiàn)費(fèi)曼預(yù)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(yàn)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(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢姡{米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導(dǎo)方向。
二、納米材料研究的特點(diǎn)
1、納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)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(dǎo)致孔隙間的材料實(shí)際上是納米尺度的微粒或絲，這種納米結(jié)構(gòu)為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個三維空間。納米管的出現(xiàn)，豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的機(jī)遇。
2．納米材料的概念不斷拓寬
1994年以前，納米結(jié)構(gòu)材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料內(nèi)涵變得豐富多彩。
3．納米材料的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)
經(jīng)過第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米材料所具備的不同于常規(guī)材料的新特性，對傳統(tǒng)工業(yè)和常規(guī)產(chǎn)品會產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實(shí)驗(yàn)室的成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國際上已有20多個納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線，其中陶瓷納米粉體對常規(guī)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(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)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。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開始已陸續(xù)進(jìn)入市場，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益以20％速度增長。
三、納米材料的發(fā)展趨勢
1．加強(qiáng)控制工程的研究
在納米材料制備科學(xué)和技術(shù)研究方面一個重要的趨勢是加強(qiáng)控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻(xiàn)大小、強(qiáng)弱往往很難區(qū)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(xiàn)象的解釋帶來困難，同時也給設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)帶來很大的困難。如何控制這些效應(yīng)對納米材料性能的影響，如何控制一種效應(yīng)的影響而引出另一種效應(yīng)的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面：一是納米顆粒的表面改性，通過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(jié)構(gòu)和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；三是通過設(shè)計(jì)納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。
2．近年來引人注目的幾具新動向
（1）納米組裝體系藍(lán)綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon 鋼鐵公司閃電化學(xué)陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍(lán)綠光發(fā)光強(qiáng)度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍(lán)綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強(qiáng)的藍(lán)綠光，比多孔Si的最強(qiáng)紅光還高出1倍多，250nm波長光激發(fā)出極強(qiáng)的藍(lán)光。
（2）巨電導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。美國霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強(qiáng)的高電導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)金顆粒的體積百分比達(dá)到某臨界值時，電導(dǎo)增加了14個數(shù)量級；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導(dǎo)增加8個數(shù)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(xiàn)以來，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,幾個特斯拉的磁場，R/R上升到50％，目前這一領(lǐng)域研究追求的目標(biāo)是提高工作溫度，降低磁場。如果在室溫和零點(diǎn)幾特斯拉磁場下，顆粒膜巨磁阻能達(dá)到10％，那么就將接近適用的使用目標(biāo)。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(shè)計(jì)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射線照射下具有強(qiáng)的光電導(dǎo)性能，利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。
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