纳米材料导论.doc

材料科学
纳米材料导论(选修课)
绪论

1959年,美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授()曾指出:“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子,那将会产生什么奇迹?”今天,这个美好的愿望已经开始走向现实。目前,人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒,并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体,创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。

人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大,并且下限有限,上限无限(肉眼可见的是最小宏观,而上限是天体、星系)。到目前为止,人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解,一些学科领域都已建立,如力学、地球物理学、天体物理学、空间科学等。微观指原子、分子,以及原子内部的原子核和电子,微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初,人类对微观世界的认识已延伸到一定层次,时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论,例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。
相对而言,在原子、分子与宏观物质的中间领域,人类的认识还相当肤浅,被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来,人类已经发现,在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质,也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。
1 000年以前。当时,中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑,作为墨的原料或着色染料,科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜,遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。
1861年,随着胶体化学(colloidchemistry)的建立,科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平,化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次,而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。
20世纪初,有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。
1929年,有人用Al、Cr、Cu、Fe等金属作电极,在空气中产生弧光放电,得到了15种金属氧化物的溶胶。并开始对超微颗粒进行X光射线实验研究。
1940年,有人首次采用电子显微镜对金属氧化物的烟状物进行观察。
1945年,Balk提出在低压惰性气体中获得金属超微粒子的方法。
20世纪上半叶的研究特点是,人类已经自觉地把纳米微粒作为研究对象来探索纳米体系的奥秘。
20世纪50年代末,有人预计,在微米、亚微米(纳米材料尺寸上限)的细小体系中,一束电子分成两束,以形成不同的位相,重新相遇后会产生电子波函数相干现象,从而导致电导的波动性。
60年代初,有人用实验观察到了电子束的波动性。几乎在同一时期,,金属粒子显示出与块状物质不同的热性质,被科学界称做Kubo效应。
1963年,通过在纯净气体中的蒸发和冷凝过程获得了单个金属微粒的形貌和晶体结构。
70年代末,美国人发明了激光驱动气相合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末(Si、SiC、Si3N4),从此,人类开始了规模生产纳米材料的历史。
70年代末到80年代初,人类对纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究,在描述金属微粒方面可达电子能级状态的Kubo理论日臻完善,在用量子尺寸效应解释超微粒子等特性方面也获得了极大成功。
1984年,制备出了具有清洁界面的纳米晶体Pd、Cu、Fe等多晶纳米固体。
1987年,美国用同样方法制备了人工纳米材料Ti02等晶体。
90年代初,采用各种方法制备的人工纳米材料已多达百种,其中,引起科技界极大重视的纳米粒子应属于团簇粒子。团簇的尺寸一般在1nm以下,它由几个到几百个原子构成。
1985年,美国科学家用激光加热石墨蒸发法在甲苯中形成碳的团簇C6o和C70。
1991年,发现了完全由碳原子构成的纳米碳管。
纵观90年代纳米材料研究现状,可以证明人类已在各个学科层面上开展了深入细致的研究并逐渐形成了纳米科学与技术群和高科技生长点。
纳米材料的主要研究内容
所谓纳米材料,从狭义上说,就是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。从广义上看,纳米材料应该是晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料。
当然,纳米材料的制备原料首先必须是纳米级的。按传统的材料学科体系划分,纳米材料又可进一步分为纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。
若按应用目的分类,可将纳米材料分为纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料