納米材料

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• 中文名

• 納米材料

• 外文名

  nanometer materials

  目錄

• 范    圍

• 1－100nm

• 類    別

• 基本單元構(gòu)成的材料

1. 1 發(fā)展

2. 2 納米結(jié)構(gòu)

3. 3 技術(shù)指標(biāo)

4. 4 應(yīng)用范圍

5. 5 新材料

6. 6 材料分類

7. ▪ 納米陶瓷

8. ▪ 納米粉末

9. ▪ 納米纖維

10. ▪ 納米膜

11. ▪ 納米塊體

12. 7 制備方法

13. 8 研究成果

14. 9 五大效應(yīng)

15. ▪ 體積效應(yīng)

16. ▪ 表面效應(yīng)

17. ▪ 量子尺寸

18. ▪ 量子隧道

19. ▪ 介電限域

20. 10 現(xiàn)狀

21. 11 二維納米

發(fā)展

“納米復(fù)合聚氨酯合成革材料的功能化”和“納米材料在真空絕熱板材中的應(yīng)用”2項(xiàng)合作項(xiàng)目取得較大進(jìn)展。具有負(fù)離子釋放功能且釋放量可達(dá)2000以上的聚氨酯合成革符合生態(tài)環(huán)保合成革戰(zhàn)略升級(jí)方向，日前正待開(kāi)展中試放大研究。

該產(chǎn)品的成功研發(fā)及進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化將可輻射帶動(dòng)300多家同行企業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)換代。聯(lián)盟制備出的納米復(fù)合絕熱芯材導(dǎo)熱系數(shù)可控制為低達(dá)4．4mW／mK。該產(chǎn)品已經(jīng)在企業(yè)實(shí)現(xiàn)了中試生產(chǎn)，正在建設(shè)規(guī)?；a(chǎn)線。

聯(lián)盟將重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)阻燃型高效真空絕熱板及其在建筑外墻保溫領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，該技術(shù)的開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)建筑節(jié)能環(huán)保技術(shù)水平的提升，帶動(dòng)安徽納米材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期。

復(fù)合氧化物一維和零維單晶納米材料

從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0．1微米以下（注1米＝1000毫米，1毫米＝1000微米，1微米＝1000納米，1納米＝10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。

納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的，后來(lái)相繼問(wèn)世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。

納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料（nanometer material），是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。

納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（nano particle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的

稀土納米材料

光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。

納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。

納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。

納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來(lái)原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。

就熔點(diǎn)來(lái)說(shuō)，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。

一般常見(jiàn)的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無(wú)法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí)，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí)，將成為優(yōu)異的磁性材料。

納米粒子的粒徑（10納米～100納米）小于光波的長(zhǎng)，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強(qiáng)烈對(duì)比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。 ［1］

1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)直徑為1～100nm的粒子體系的研究工作。

真正有意識(shí)的研究納米粒子可追溯到20世紀(jì)30年代的日本的為了軍事需要而開(kāi)展的“沉煙試驗(yàn)”，但受到當(dāng)時(shí)試驗(yàn)水平和條件限制，雖用真空蒸發(fā)法制成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩(wěn)定。

到了20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒，并對(duì)其進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)（Saarland University）的Gleiter以及美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。

1990年7月在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科技技術(shù)會(huì)議（International Conference on Nanoscience＆Technology），正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。

自20世紀(jì)70年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái)，從研究?jī)?nèi)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(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。

第二階段（1990～1994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。

第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者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、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。

納米結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。對(duì)納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微粒或半導(dǎo)體納米微粒在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上。而納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產(chǎn)生的一些新的效應(yīng)，也使其成為了研究熱點(diǎn)，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無(wú)機(jī)介孔復(fù)合體和高分子介孔復(fù)合體兩大類，按支撐體的狀態(tài)又可將它劃分為有序介孔復(fù)合體和無(wú)序介孔復(fù)合體。在薄膜嵌鑲體系中，對(duì)納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學(xué)特性和磁學(xué)特性而展開(kāi)的。美國(guó)科學(xué)家利用自組裝技術(shù)將幾百只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0．0001Ω／m；將納米三碘化鉛組裝到尼龍－11上，在X射線照射下具有光電導(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)。

技術(shù)指標(biāo)

納米氧化鋁外觀 白色粉末。

納米氧化鋁晶相γ相。

納米氧化鋁平均粒度（nm） 20±5．

納米氧化鋁含量％ 大于 99．9％。

熔點(diǎn)：2010℃－2050 ℃

沸點(diǎn)：2980 ℃

相對(duì)密度（水＝1）】：3．97－4．0

應(yīng)用范圍

1、 天然納米材料

海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國(guó)附近的海域，才能得以生存和長(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來(lái)回約需5～6年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬(wàn)千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)航。

生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來(lái)不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。

2、 納米磁性材料

在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ－Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。

3、 納米陶瓷材料

傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、納米傳感器

納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

5、 納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。

6、納米半導(dǎo)體材料

將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。

7、納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600 ℃降低到室溫。

8、 醫(yī)療上的應(yīng)用

血液中紅血球的大小為6 000～9 000 nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好，21世紀(jì)的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復(fù)雜，而且一般只適用于制備硬材料。

介入性氣囊和導(dǎo)管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備，通過(guò)把具有高長(zhǎng)徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中，我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和容易加工成型的特性，一方面獲得更好的血液相溶性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種納米復(fù)合材料引起血液溶血的程度會(huì)降低，激活血小板的程度也會(huì)降低。

使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過(guò)納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進(jìn)行修飾形成一些具有靶向，可控釋放，便于檢測(cè)的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法，為藥物開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的方向。

9、納米計(jì)算機(jī)

世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年，它是由美國(guó)的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的，一共用了18 000個(gè)電子管，總重量30 t，占地面積約170 ㎡，可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1 s內(nèi)只能完成5 000次運(yùn)算。

經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬(wàn)分之一，但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一代電子計(jì)算機(jī)。

如果采用納米技術(shù)來(lái)構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來(lái)的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”，其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來(lái)十分可觀的效益。

可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

10、納米碳管

1991年，日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖所示。

這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。

在空氣中將納米碳管加熱到700 ℃左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開(kāi)口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開(kāi)口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進(jìn)入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì)，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導(dǎo)體。

納米技術(shù)在世界各國(guó)尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國(guó)家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國(guó)已努力趕上先進(jìn)國(guó)家水平，研究隊(duì)伍也在日漸壯大。

11、家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

12、環(huán)境保護(hù)

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。

13、紡織工業(yè)

在合成纖維樹(shù)脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

14、機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

新材料

納米新材料配方是一門在100 納米以內(nèi)空間內(nèi)，通過(guò)自然更改直接排序原子與分子創(chuàng)造出來(lái)的新納米材料的項(xiàng)目。納米新材料與該領(lǐng)域是現(xiàn)代力量和現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新的起點(diǎn)，新的規(guī)律和原理的發(fā)現(xiàn)與全新的理念創(chuàng)設(shè)給予基礎(chǔ)科學(xué)，提供了新的機(jī)會(huì)，這會(huì)成為許多領(lǐng)域的重要改革新動(dòng)力。納米新材料配方由于SAIZU細(xì)小，擁有很多奇特的性能。1988年Baibich 等第一次在納米Fe／ Cr MS里發(fā)現(xiàn)磁電阻變化率達(dá)到百分之五十，與一般的ME比起來(lái)要大一個(gè)級(jí)別，并且是負(fù)值的，各向一樣，稱作GMR 。之后還在納米體系的、隧道結(jié)和Perovskite結(jié)構(gòu)、顆粒膜中發(fā)現(xiàn)巨ME。里面Perovskite結(jié)構(gòu)在一九九三年是發(fā)現(xiàn)且具有極大ME，叫做CMR ，在隧道結(jié)中找到的為TMR。

材料分類

納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

納米陶瓷

利用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過(guò)往陶瓷中加入或生成納米級(jí)顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達(dá)到納米水平，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。

隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來(lái)克服

陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性。

英國(guó)材料學(xué)家Cahn指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。 納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而形成耐高溫陶瓷涂層的材料

納米粉末

又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進(jìn)的電池電極材料；太陽(yáng)能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等。

納米纖維

指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料。可用于：微導(dǎo)線、微光纖（未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材料等。靜電紡絲法是制備無(wú)機(jī)物納米纖維的一種簡(jiǎn)單易行的方法。

納米膜

納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。可用于：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過(guò)濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。

納米塊體

納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強(qiáng)度材料；智能金屬材料等。

制備方法

（1）惰性氣體下蒸發(fā)凝聚法。通常由具有清潔表面的、粒度為1－100nm的微粒經(jīng)高壓成形而成，納米陶瓷還需要燒結(jié)。國(guó)外用上述惰性氣體蒸發(fā)和真空原位加壓方法已研制成功多種納米固體材料，包括金屬和合金，陶瓷、離子晶體、非晶態(tài)和半導(dǎo)體等納米固體材料。我國(guó)也成功的利用此方法制成金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等納米材料。

（2）化學(xué)方法：1水熱法，包括水熱沉淀、合成、分解和結(jié)晶法，適宜制備納米氧化物；2水解法，包括溶膠－凝膠法、溶劑揮發(fā)分解法、乳膠法和蒸發(fā)分離法等。

（3）綜合方法。結(jié)合物理氣相法和化學(xué)沉積法所形成的制備方法。其他一般還有球磨粉加工、噴射加工等方法。

研究成果

納米技術(shù)作為一種最具有市場(chǎng)應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù)，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量的資金進(jìn)行研究工作。如美國(guó)最早成立了納米研究中心，日本文教科部把納米技術(shù)，列為材料科學(xué)的四大重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之一。在德國(guó)，以漢堡大學(xué)和美因茨大學(xué)為納米技術(shù)研究中心，政府每年出資6500萬(wàn)美元支持微系統(tǒng)的研究。在國(guó)內(nèi)，許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開(kāi)展納米技術(shù)的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：

定向納米碳管陣列的合成，由中國(guó)科學(xué)院物理研究所解思深研究員等完成。他們利用化學(xué)氣相法高效制備出孔徑約20納米，長(zhǎng)度約100微米的碳納米管。并由此制備出納米管陣列，其面積達(dá)3毫米×3毫米，碳納米管之間間距為100微米。

氮化鎵納米棒的制備，由清華大學(xué)范守善教授等完成。他們首次利用碳納米管制備出直徑3～40納米、長(zhǎng)度達(dá)微米量級(jí)的半導(dǎo)體氮化鎵一維納米棒，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。并與美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(zhǎng)。

準(zhǔn)一維納米絲和納米電纜，由中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所張立德研究員等完成。他們利用碳熱還原、溶膠－凝膠軟化學(xué)法并結(jié)合納米液滴外延等新技術(shù)，首次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。

用催化熱解法制成納米金剛石，由山東大學(xué)的錢逸泰等完成。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反應(yīng)，以此制備出了金剛石納米粉。

但是，同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有很大的差距。德國(guó)科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對(duì)納米技術(shù)未來(lái)市場(chǎng)潛力作過(guò)預(yù)測(cè)：他們認(rèn)為到2000年，納米結(jié)構(gòu)器件市場(chǎng)容量將達(dá)到6375億美元，納米粉體、納米復(fù)合陶瓷以及其它納米復(fù)合材料市場(chǎng)容量將達(dá)到5457億美元，納米加工技術(shù)市場(chǎng)容量將達(dá)到442億美元，納米材料的評(píng)價(jià)技術(shù)市場(chǎng)容量將達(dá)到27．2億美元。并預(yù)測(cè)市場(chǎng)的突破口可能在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

總之，納米技術(shù)正成為各國(guó)科技界所關(guān)注的焦點(diǎn)，正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：＂納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。＂

2011年10月19日歐盟委員會(huì)通過(guò)了對(duì)納米材料的定義，之后又對(duì)這一定義進(jìn)行了解釋。根據(jù)歐盟委員會(huì)的定義，納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團(tuán)塊狀天然或人工材料，這一基本顆粒的一個(gè)或多個(gè)三維尺寸在1納米至100納米之間，并且這一基本顆粒的總數(shù)量在整個(gè)材料的所有顆粒總數(shù)中占50％以上。

1納米等于十億分之一米。在納米尺度上，一些材料具有很多特殊功能。納米材料已在人們的工作和生活中得到廣泛應(yīng)用。

在歐盟委員會(huì)通過(guò)的納米材料定義中，為什么限定基本顆粒大小在1納米至100納米之間？歐盟委員會(huì)認(rèn)為，已知的大多數(shù)納米材料的基本組成顆粒都在這一范圍內(nèi)，當(dāng)然超出這一范圍的材料也有可能具有納米材料的特點(diǎn)。這一規(guī)定是為了使標(biāo)準(zhǔn)明確。

為什么要求納米材料的基本顆粒總數(shù)量在整個(gè)材料的所有顆?？倲?shù)中占50％以上？歐盟委員會(huì)認(rèn)為，納米顆粒比例過(guò)低會(huì)淹沒(méi)整個(gè)材料的納米特性，50％是一個(gè)比較合適的比例。另外，用納米顆粒的數(shù)量比例而不是用質(zhì)量比例作為納米材料的衡量標(biāo)準(zhǔn)，更能體現(xiàn)納米材料的特點(diǎn)。因?yàn)橐恍┘{米材料密度很低，在質(zhì)量比例較小的情況下已經(jīng)能顯現(xiàn)出明顯的納米材料特點(diǎn)。

為什么納米材料包括天然材料？歐盟委員會(huì)認(rèn)為，納米材料應(yīng)按照基本組成顆粒的大小來(lái)定義，不管它是天然的還是人造的。實(shí)際上一些天然材料也具有人造納米材料的特點(diǎn)。

為什么把具有納米結(jié)構(gòu)的材料排除在納米材料之外？歐盟委員會(huì)認(rèn)為，盡管這種材料也具有納米材料的特點(diǎn)，但還無(wú)法對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確定義，因而不具有可操作性。

為什么含納米材料的產(chǎn)品不是納米材料？歐盟委員會(huì)認(rèn)為，納米材料是原材料或者原材料的混合物，當(dāng)它與其他材料制成產(chǎn)品后，已經(jīng)與其他材料形成新的材料，因而制得的產(chǎn)品就不再是納米材料了。

不過(guò)，歐盟委員會(huì)也承認(rèn)，這一定義還有不完善之處，并因此決定在2014年根據(jù)科技的發(fā)展和定義的實(shí)際實(shí)施情況修訂這一定義。（轉(zhuǎn)自新華網(wǎng)）

五大效應(yīng)

體積效應(yīng)

當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。納米粒子的以下幾個(gè)方面效應(yīng)及其多方面的應(yīng)用均基于它的體積效應(yīng)。例如，納米粒子的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀本體，此特性為粉粉冶金工業(yè)提供了新工藝；利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁屏蔽，隱形飛機(jī)等。

表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表9－2給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系。

表1 納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處于表面的原子數(shù)越多。表面原子的晶體場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易于其他原子想結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，因而表現(xiàn)出很大的化學(xué)和催化活性。

量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)接近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級(jí)間距為：4Ef／3N

式中Ef為費(fèi)米勢(shì)能，N為微粒中的原子數(shù)。宏觀物體的N趨向于無(wú)限大，因此能級(jí)間距趨向于零。納米粒子因?yàn)樵訑?shù)有限，N值較小，導(dǎo)致有一定的值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂。半導(dǎo)體納米粒子的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶隨著尺寸的減小過(guò)渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級(jí)，表現(xiàn)在吸收光譜上就是從沒(méi)有結(jié)構(gòu)的寬吸收帶過(guò)渡到具有結(jié)構(gòu)的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性帶來(lái)了納米粒子一系列特性，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。

量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。用此概念可定性解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

介電限域

納米粒子的介電限域效應(yīng)較少不被注意到。實(shí)際樣品中，粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體低。光照射時(shí)，由于折射率不同產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域﹑納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比輻射光的光強(qiáng)增大了。這種局部的場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響。對(duì)于無(wú)機(jī)－有機(jī)雜化材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)有重要影響

上述的小尺寸效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng)﹑宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域應(yīng)都是納米微粒和納米固體的基本特征，這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點(diǎn)﹑蒸氣壓﹑光學(xué)性質(zhì)﹑化學(xué)反應(yīng)性﹑磁性﹑超導(dǎo)及塑性形變等許多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理﹑化學(xué)性質(zhì)。

現(xiàn)狀

納米技術(shù)基礎(chǔ)理論研究和新材料開(kāi)發(fā)等應(yīng)用研究都得到了快速的發(fā)展，并且在傳統(tǒng)材料、醫(yī)療器材、電子設(shè)備、涂料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，除了納米粉體材料在美國(guó)、日本、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)外，納米生物材料、納米電子器件材料、納米醫(yī)療診斷材料等產(chǎn)品仍處于開(kāi)發(fā)研制階段。2010年全球納米新材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22．3億美元，年增長(zhǎng)率為14．8％。今后幾年，隨著各國(guó)對(duì)納米技術(shù)應(yīng)用研究投入的加大，納米新材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將大大加快，市場(chǎng)規(guī)模將有放量增長(zhǎng)。納米粉體材料中的納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米氧化硅等幾個(gè)產(chǎn)品已形成一定的市場(chǎng)規(guī)模；納米粉體應(yīng)用廣泛的納米陶瓷材料、納米紡織材料、納米改性涂料等材料也已開(kāi)發(fā)成功，并初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，納米粉體顆粒在醫(yī)療診斷制劑、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用正加緊由實(shí)驗(yàn)研究成果向產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)移。

二維納米

澳大利亞科學(xué)家研制出一種由氧化鉬晶體制成的新型二維納米材料，有可能給電子工業(yè)帶來(lái)革命，使“納米”一詞不再停留于營(yíng)銷概念而成為現(xiàn)實(shí)。 ［2］  在材料學(xué)中，厚度為納米量級(jí)的晶體薄膜通常被視作二維的，即只有長(zhǎng)寬，厚度可忽略不計(jì)，稱為二維納米材料。新研制出的這種材料厚度僅有11納米，它有著獨(dú)特的性質(zhì)，電子在其內(nèi)部能以極高速度運(yùn)動(dòng)。 ［2］  科學(xué)家說(shuō)，他們是從另一種奇妙的新材料——石墨烯得到啟發(fā)的。石墨烯是單層碳原子網(wǎng)，是人類已知的最薄材料，電子在其中也能高速運(yùn)動(dòng)。但石墨烯缺乏能隙，用它制造的晶體管無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流開(kāi)關(guān)。氧化鉬材料本身?yè)碛心芟叮瑢⑺瞥深愃剖┑谋∑?，既支持電子高速運(yùn)動(dòng)，其半導(dǎo)體特性又適合制造晶體管。 ［2］

科學(xué)家說(shuō)，在新材料內(nèi)部，電子極少因?yàn)橛龅?ldquo;路障”而散射，可以流暢地迅速運(yùn)動(dòng)。利用這種新材料可研制出更小、數(shù)據(jù)傳輸速度更快的電子元件和產(chǎn)品，例如性能與臺(tái)式電腦相當(dāng)?shù)?span id="gifj74j" class='hrefStyle'>平板電腦。 ［2］  ＜p＞電子產(chǎn)品的性能取決于半導(dǎo)體集成能力，在過(guò)去幾十年里，技術(shù)進(jìn)步使晶體管體積大大縮小，硅芯片性能提高了成千上萬(wàn)倍，帶來(lái)了信息技術(shù)革命。但受限于硅材料本身的性質(zhì)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)趨近極限?？茖W(xué)家正在積極尋找新一代半導(dǎo)體核心材料。 ［2］  ＜p＞研究小組已經(jīng)用新材料制造出納米尺度的晶體管。他們預(yù)計(jì)，如果被電子工業(yè)所接受，氧化鉬有可能在5到7年內(nèi)成為電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)材料。相關(guān)論文發(fā)表在1月4日的《先進(jìn)材料》雜志上。 ［2］