纳米材料及其技术应用前景
1 引 言
Feyneman这位诺贝尔奖得主在六十年代曾提出过观点：若能对物质微观层面的结构进行有效调控，那么物质将展现出诸多非凡的特质，材料的属性也会因此出现多样化的转变，这种材料就是我们现在所说的纳米材料。
超微细材料被称作纳米材料，其晶粒大小达到纳米级别，即十亿分之一米。这类材料的颗粒尺度介于原子团簇与常规颗粒之间，通常在百纳米到微米量级。其构成包含两种比例相当的组分：其一是由直径数纳米至数十纳米的颗粒构成，这类颗粒拥有长程有序的晶体构造；其二则是颗粒与颗粒之间的界面，这种界面既不具备长程有序，也不具备短程有序，呈现无序状态。
1984年德国萨尔兰大学的Gleiter与美国阿贡试验室的Siegel先后成功研制出纯净物质的纳米级粉末，Gleiter在极净真空环境中对直径6纳米的Fe微粒进行原位加压塑造，通过烧结形成纳米微晶块材，促使纳米材料发展迈入新纪元。1990年7月在美国举办的首届国际纳米科技大会开元棋官方正版下载，明确将纳米材料科学确立为材料科学的一个全新领域。从构成材料的单元层次来看，它处于宏观物质与微观原子、分子之间的过渡地带。在纳米材料内部，界面原子占据了绝大多数，而且原子分布各不相同，界面附近的晶格构造彼此独立，由此形成了一种既不同于晶体状态也不同于非晶体状态的特殊结构形态。
纳米材料有两个核心特征，分别是纳米晶粒和由此形成的密集晶界结构。纳米晶粒内部的原子排列无法形成无限延伸的有序结构，通常情况下，大块晶体的连续能带会分裂成类似分子轨道的离散能级，密集的晶界以及晶界处原子的特殊构造，会显著影响材料的力学特性、磁学行为、介电特性、超导现象、光学效应乃至热力学属性。纳米相材料与常规金属、陶瓷及各类固体材料，其构成元素完全一致，仅在于原子布局方式不同，形成了纳米尺度的原子簇，这些原子簇即为新型材料的构成要素或基本单元，通常，常规纳米材料中的核心颗粒直径不超过百纳米，所含原子数量仅达数万之巨。一个直径为3纳米的微小聚集体，大约由900个原子构成，这个数值极小，几乎相当于英文标点符号点大小的百万分之一，其比例关系，如同一条长达数百米的帆船与整个地球相比。
纳米材料研究是当前材料科学领域内的一个重点方向，由此衍生出的纳米技术被广泛视为二十一世纪最有发展潜力的科研方向。
2 纳米材料的特性
2. 1 纳米材料的表面效应
纳米材料表层效应体现为纳米颗粒表层原子数量占总原子数量的比例随颗粒尺寸的缩小而快速提升，由此导致其特性发生显著改变，具体形态如后图所示。
图 表面原子数与粒径的关系
通过观察图像可以发现，颗粒的尺寸如果小于十纳米，那么表层原子的数量占比会急剧上升，当颗粒的直径减小到一纳米的时候，表面原子的数量占比会高达百分之九十以上，几乎所有的原子都会聚集在纳米颗粒的外部，因为纳米颗粒外部的原子数量增多了，而且这些原子周围的配位数不够充分，并且表面具有很高的能量，所以它们很容易与其他原子结合，从而变得稳定，因此这些纳米颗粒表现出很强的化学反应能力。
2. 2 纳米材料的体积效应
纳米粒子体积非常微细，所含原子数量有限，相应的质量也极为轻微。因此，很多现象无法借助通常含有无限多个原子的块状物质性质来解释，这类特殊现象通常被称为体积效应。久保理论是体积效应的一个典型范例。久保理论是专门针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而构建的。久保认为金属纳米粒子中的电子状态受限于尺寸，表现为简并电子态kaiyun全站登录网页入口，他还假定这些电子的能级呈现为准粒子的不连续形式，相邻能级之间的间隔δ与纳米粒子的直径d存在关联
δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3
：为一个金属纳米粒子的总导电电子数
V：为纳米粒子的体积；EF：为费米能级
当纳米粒子的尺度不断收缩，能级之间的距离随之拉大，电子的迁移变得异常艰难，导电性能随之下降，电阻值明显上升，进而导致能带宽度增加，原本的金属态材料会转变为非导电状态。
2. 3 纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的尺度减小到某个程度，金属粒子费米面邻近的电子能级会从近乎连续的状态转变为分离的能级；同时，纳米半导体微细颗粒中，最高占据分子轨道能级和最低空置分子轨道能级均呈现不连续性，这会导致能带隙增宽，这种现象被称作纳米材料的量子尺寸效应。纳米粒子内部电子的波动特征，源于其能级呈现离散的量子状态，由此引出多种独特表现，例如光学非线性的显著增强，以及催化和光催化方面的特殊功效。当纳米粒子的尺度接近光波波长，或与德布罗意波长，超导态的相干长度，以及磁场穿透深度相仿，甚至更小时，晶体周期性边界条件会遭到破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子数量会减少，致使声学开yun体育app官网网页登录入口，光学，电学，磁学，热力学等性质发生反常变化。例如，光吸收会大幅增强，超导状态会向正常状态转化，金属熔点会下降，微波吸收能力会得到强化。通过观察等离子体共振频率随微粒大小发生的变化，能够调整微粒的尺寸，从而控制吸收频点的移动，进而研发出具有特定频带的微波吸收纳米物质，这种材料可以应用于电磁波阻隔以及隐形战机等领域。
纳米粒子尺寸缩小，晶界数目急剧增多，能让材料的强度、韧性及超塑性显著增强。其构造微粒对光、机械力和电的响应，与微米或毫米级别的构造微粒截然不同，使纳米材料在整体上呈现出诸多非凡特性，比如：纳米相铜的强度是普通铜的五倍；纳米相陶瓷十分耐摔，这与由大颗粒构成的普通陶瓷截然不同。纳米材料的出现从根本上重塑了物质构造，有望孕育出多种新型材料，例如具备极高强度的金属与合金、具备良好延展性的陶瓷、金属间化合物以及具有特殊性能的原子级复合材料，为突破材料科学领域长期存在的难题开辟了崭新的道路。
3 纳米技术的应用及其前景
3. 1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用
陶瓷材料是材料领域三大支柱之一，在日常生活中和工业生产里都占据着关键地位。然而，传统陶瓷材料质地比较易碎，韧性和强度都不够好，所以它的应用范围受到了很大约束。自从纳米技术得到普遍应用之后，纳米陶瓷就应运而生了，人们希望通过它来改善陶瓷材料的脆性，让陶瓷也具备像金属那样好的柔韧性和可加工能力。英国知名材料学者Cahn强调，纳米陶瓷是克服陶瓷易碎性的关键方法。
纳米陶瓷是一种陶瓷材料，其显微结构中的物相尺度达到纳米级别，具体表现为晶粒大小、晶界宽度、第二相分布以及缺陷尺寸等均处于纳米量级范围。制备纳米陶瓷需要关注多个方面，包括粉体尺寸的控制，颗粒形态的调整，以及分布的均匀化。同时要解决团聚体的抑制和分散问题。此外还需控制块体的整体形态，减少内部缺陷，调整表面粗糙度，并确保成分的精确配比。
Gleiter认为，当多晶陶瓷由尺寸在几纳米范围的晶粒构成时，它可以在较低温度下展现出延性特征，能够承受全部的范性变形量。此外，他观察到纳米TiO2陶瓷材料在常温状态下具备优异的韧性，即便在180摄氏度条件下承受弯曲，也不会出现开裂现象。一些学者指出，若能攻克单相纳米陶瓷在烧制时限制晶粒扩张的技术难题，进而将陶瓷晶粒的尺寸控制在五十纳米以下，那么这种纳米陶瓷将展现出高硬度、高韧性、低温下能大幅延展、易于加工等特性，这些优势是普通陶瓷无法比拟的。上海硅酸盐研究所对于纳米陶瓷的制备研究起步较早，并且已经收获了若干进展。他们通过实验发现，纳米3Y-TZP陶瓷材料（颗粒直径大约为100纳米），在承受室温下的反复拉伸作用之后，其断裂处的局部区域表现出超塑性变形特征，变形程度能够达到380%，而且从断裂面的侧面观察到许多一般只在金属断裂时可见的滑移痕迹。Tatsuki及其团队针对制备的Al2O3-SiC纳米复相陶瓷实施了拉伸蠕变测试，实验结果显示，在晶界滑移的作用下，Al2O3晶界位置的纳米SiC颗粒产生转动，并嵌入到Al2O3基体材料里面，这种变化增大了晶界滑移的阻碍作用，也就是说提升了Al2O3-SiC纳米复相陶瓷的蠕变性能。
纳米陶瓷虽然存在诸多技术难题亟待攻克，但它具备出色的常温及高温力学指标，包括优异的抗弯曲能力和断裂韧性，因此被大量用于制造切削工具、轴承以及汽车发动机关键部件等，并且能够在许多极端高温、强腐蚀等严苛条件下发挥其他材料无法比拟的优势，展现出巨大的发展潜力
3. 2 纳米技术在微电子学上的应用
纳米电子学属于纳米技术的一个分支，核心在于运用纳米材料的量子特性，开发并制造纳米级别的量子设备，涵盖纳米结构阵列、纳米颗粒与微孔材料结合的系统、以及纳米多层结构组合。该领域致力于让集成电路尺寸持续缩小，创造出可在常温下运作、由单个原子或分子构成的各种装置。
现阶段，借助纳米电子学技术已经开发出多种纳米级别的装置。其中，能够单独控制电子的晶体管，以及能够调节红绿蓝三种颜色的纳米级发光管都已面世。此外，采用纳米线与巨磁阻效应的微型磁场感应设备也已出现。而且，具有特殊性质的碳纳米管的成功研发，对纳米电子学领域的进步产生了重要影响。
碳纳米管是石墨碳原子层卷曲形成的结构，其横向尺寸被控制在百纳米以下。电子在碳纳米管中的移动，横向方向受到束缚，呈现出明显的量子限制现象，而纵向方向则不受任何阻碍。利用碳纳米管作为模板来制造一维半导体量子材料，并非天马行空的想法，清华大学范守善教授通过碳纳米管，将气相反应约束在纳米管内部实施，由此成功培育出半导体纳米线。他们把Si-SiO2混合粉末放到石英管内坩埚的最下边，然后加热并送入N2气体。SiO与N2在碳纳米管里发生反应，生成了SiN纳米线，这些纳米线的粗细在4到40纳米之间。另外，在1997年，他们还成功造出了GaN纳米线。1998年，该科研机构同美国斯坦福大学联手，全球首次达成硅基板上碳纳米管阵列的自发排列效果，这极大推动了碳纳米管在平板显示器的实际应用。碳纳米管凭借特殊电学特质，适合用于制造大规模集成电路，超导线材等用途。
早在1989年，IBM公司的科研人员便借助隧道扫描显微镜的探针，实现了对氙原子的精确定位移动，并借助这些原子成功构建了IBM三个字样，这一成果标志着原子操控技术的初步突破。与此同时，日本的Hitachi企业也取得了重要进展，他们成功研发出一种独特的电子晶体管，这种晶体管能够通过精确调控单个电子的运动状态，从而执行多种不同的电子功能，使单个电子具备了多种用途的潜力。此外，日本NEC的研究机构已经掌握制造百纳米级以下精密量子线构造的工艺，并且借助砷化镓基板，已成功构建出具备切换作用的量子点矩阵，现阶段美国已研发出仅四纳米大小且具有切换性能的纳米装置，该装置由激光激发，并且其通断响应极为迅速。
美国威斯康星大学已经研发出能够容纳单个电子的量子点，单个针尖上可以布置数十亿个此类量子点，借助量子点可以制造出体积紧凑且能耗低的单电子设备，这类设备在微电子和光电子行业将拥有广泛的应用前景。如果能够把成千上万的量子点相互连接，并且让每一个量子点都具备类似人脑神经元的基本特性，同时再运用微电子机械系统技术，那么制造出具有高级智能功能的微型计算机将不再是空想。
纳米电子学根植于前沿物理理论，运用尖端工艺技术，以创新思维构建电子系统，挖掘物质存储和处理信息的内在潜力，促成信息获取与加工能力的根本性飞跃，这门学科将构成下个世纪信息时代的基石。
3. 3 纳米技术在生物工程上的应用
大家普遍知道，分子是物质化学属性保持不变的最小构成部分。生物分子是极为出色的信息处理材料，每一种生物大分子都是一个微型的处理单元。分子在活动期间以能够预料的样式进行状态更迭，其运作机制类似于计算机的逻辑控制，借助这一特点并融合纳米技术，能够借此来规划量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士及其团队，借助运用DNA分子计算技术的生物实验手段，成功攻克了当前计算机难以处理的“哈密顿路径问题”，由此加深了人们对生物材料信息处理能力以及生物分子计算方法的理解。
分子计算机现阶段尚处构想层面，研究人员已着手探索利用多种生物分子构建计算单元，其中细菌视紫红质展现出最为广阔的应用前景。这种生物材料拥有独特的热效应、光学响应及化学物理属性，并且具备优异的耐久性，此外，其奇异的光学循环机制能够实现信息记录，进而可替代当前计算机的信息运算与数据保存功能。细菌视紫红质在光循环期间会转化成多个不同的过渡形态，同时伴随着物质构造的相应调整。Birge及其团队探究了这种蛋白质分子的潜在并行运作原理，以及将其作为立体存储载体的可能性。利用激光束进行精确控制，能够将数据同时写入由细菌视紫红质构成的立体结构中，也能从该结构中同步提取数据，并且这种立体存储方式提供的容量远超传统二维光学存储设备。
现阶段，市面上尚未见到可商业化的分子计算单元。研究工作者指出：要提升集成水平，打造微型计算设备，核心在于寻觅具备切换性能的微小元件。美国锡拉丘兹大学已借助细菌视紫红质蛋白，成功构建了光控“与”逻辑门，并以此为基础，开发出蛋白质存储装置。他们还借助细菌视紫红质蛋白，开发出模拟人脑联想功能的中心网络，以及联想型存储设备。
微型电脑的出现，将促成当前的信息纪元产生根本性的转变。它能够打破既有瓶颈，让同等空间内存储介质和信息运算的效能提升数十万倍，进而促成电子技术领域的再度革新。
3. 4 纳米技术在光电领域的应用
纳米科技的发展，让微电子和光电子的联系更为紧密，在光电信息传递、保存、操作、计算和显示这些领域，让光电子设备的成效显著增强。把纳米科技用到当前雷达信息处理上，能让其能力提升十倍到几百倍，甚至能够把超高分辨率纳米孔径雷达装在卫星上，执行高精度的地面侦查任务。然而，要想得到高清晰度的照片，就必须借助精密的数字信息加工方法。研究人员发现，把发光调控装置和光接收装置组合在一起的量子层自发电光效应装置，或许能够促成光学快速数学运算的实现。
美国桑迪亚国家实验室的Paul及其团队研究发现，纳米激光器极小的体积能够使光子仅能在少数几个模式中传播，而低音廊效应则将光子牢牢束缚住，必须等到生成的光波积聚了充足能量才会从该结构中穿出，因此激光器展现出极高的效能，同时能量门槛也变得非常低。纳米激光器本质上是一条盘绕成极细环形结构的光导纤维，实验表明，该器件的尺寸与形态可以显著调控其放出的光子量子特性，进而改变其运行状态。研究揭示，纳米激光器启动时仅需大约百微安的电流。近期科研人员已将光导纤维的体积压缩至五分之一立方微米的极小尺度内。在这个范围内，该构造的光子状态数量不足十个，达到了无需能量运作的标准，不过光子数量仍未降至那个下限。近期，麻省理工学院的学者们将受激的钡原子逐个引入激光装置，每个原子都产生一个有用的光子，其成效之显著，令人十分赞叹。
这类装置无需大量能量便可激发激光，因此运作时能产生反应迅速的光源。其开关动作极为敏捷，仅需微弱能量输入即可完成。部分激光设备已能达成每秒两亿次的切换频率，足以满足光缆传输的需求。得益于纳米科技的持续进步，这种无能量门槛的激光器即将问世。
