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纳米材料
一.纳米材料的定义及简介
纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成.纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应/小尺寸效应和宏观量子隧道效应.1nm=1/10亿米，10个氢原子紧密排列，20nm是头发丝直径的3000分之一 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料
光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。
纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。
就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。
一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。
纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。
二.纳米结构
纳米结构纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上，在X射线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。
三.纳米材料的特性
1.表面效应
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如，粒子表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
3.量子尺寸效应
微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。
4.宏观量子隧道效应
隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。
四.几种典型的纳米材料
纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料 碳纳米管
纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。
纳米固体材料:通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。
纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。试管中磁性液体舞蹈.磁性液体的应用
磁性液体静态密封装置（安全阀）
磁性液体在扬声器上的应用，显著改善散热性能，提高功率一倍以上，使音圈自动定位，改善频率响应，减少失真。磁性液体离心开关 磁性液体阻尼器
碳纳米管：碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。
碳纳米管本身有非常完美的结构，尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的1万倍，强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。
如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。
纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。
超高的成本使国际市场90％高纯度的碳纳米管价格高达1000－2000美元／克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元／克，远远高出黄金的价格。
五.纳米材料的应用
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。
陶瓷增韧 由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。
光学方面的应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等。利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。
隐身材料应用 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用； 另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
催化领域的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。
大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。
纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
环境保护方面的作用 随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。
治理有害气体 纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催化的石油中硫的含量小于0.01％。在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。
污水处理 污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10-20倍。
光催化剂可以很好地降解对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等，其中纳米TiO2（钛白粉、二氧化钛)的降解效率最好，达到近100％。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。
用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点。
自洁作用 纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。
纳米材料在建筑界的应用 考虑到施工方便，成本低，携带方便，承受力面交均匀，粘接面光滑以及良好的工艺性能得到广泛应用，等一系列的优点粘结技术部分取代了焊接、铆接、螺栓连接等传统技术。在多如牛毛的粘合剂中，唯有环氧树脂胶粘剂以其粘接能力强、适应性广等原因而倍受青睐。[3]其基材环氧树脂具有填料组合性能好、固化过程容易调节、成本低而粘接强度高等优点。近年来，环氧树脂胶粘剂正向低黏度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展。相信不久的将来，所有的工业粘合剂基本上将被环氧树脂胶粘剂所取代。纳米材料在化学界的应用 众所周知，涂料是含有毒化学分子最多的家居粉饰品之一。如何除去涂料中的有毒化学物质这一问题一直困扰着很多人。现在纳米材料的出现有效地帮我们解决了这个问题。[4]利用纳米二氧化钛光催化和成膜物质复配成的光催化涂料，可以有效降解空气中的有害质以及涂层表面的污染物，起到自清洁和净化空气的作用。不仅如此，纳米材料的加入还赋予涂料各种各样的功能性和特殊性能。像纳米车用面漆具有高装饰性外,还有优良的耐久性,包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能；美、日等国研究人员用纳米级二氧化钛、二氧化锡、三氧化铬等与树脂复合作为静电屏蔽涂层，不仅可以用于飞航导弹等，还将其运用于潜艇、隐身装甲车、隐身坦克等一系列隐身装备中。将纳米材料运用于汽车装饰还具有杀菌、消毒、除臭的功能。
纳米材料在食品界的应用 随着人类对食品安全意识的逐步提高，更多新类型的农药进入市场。要想检验出食品中的农药含量，就要求灵敏可靠、敏度高、适用性强、简便快捷检测技术。用纳米氧化锌固定酶时，纳米氧化锌不仅对酶具有强吸附性，还保持酶活性、提高酶活性中心与电极间直接电子传递效率。将该传感器用于蔬菜样品有机含磷农药测定，响应快、灵敏度高、具有很好重现性和稳定性，且经复活剂处理后可反复使用。一但检验出食品中的农药含量就需要想办法去除，磁性纳米粒子的分离过程就是很好的选择。磁性纳米粒子分离过程很方便，且减少成本消耗，并克服其它分离系统很多问题。磁性纳米粒子分离能力和效率较高，能实现大规模和高通量分离。Shen 等制备C18 修饰磁性纳米粒子，并用于富集和分离蔬菜和水果中14种残留有机磷农药。与普通C18 分离柱相比，分离效能基本一样；但C18 修饰磁性纳米粒子分离过程简单快速、在重复利用10 次后，C18 修饰磁性纳米粒子分离性能基本没降低.纳米材料在工业界的应用 在工业作业中，最令人痛疼的就是机器和相一些润滑油可以在一定程度上缓解这一问题，但是我们不得不承认缓解的程度还是令人难以满意。如果将纳米材料应用于润滑油中，润滑油就能具有很好的分散性、良好的极压抗磨性和摩擦改进性。润滑技术是改善磨损和延长摩擦件寿命的重要手段，传统的润滑油难以满足长时间、高温、高负荷等苛刻条件下的润滑，特别是无法实现摩擦副表面的原位动态自修复，为此亟需发展新型高效能的减摩自修复延寿材料和技术。纳米材料由于其自身具有的特殊性能，对降低材料的摩擦因数、提高材料的耐磨性能和实现材料的自修复性能具有显著的作用。因此，将纳米材料用于重要机械零件表面的润滑，对改善摩擦磨损、进一步延长其使用寿命、提高机动性能等方面具有潜在的应用前景。
纳米材料在医学界的应用 2011年10月29日在海口举行的多所高校联合举办的新型材料论坛上，中科院院士江龙就纳米颗粒在生物医药中的应用发表主题报告表明，当纳米颗粒小于一定尺度并能进入细胞时，对细胞具有毒性，妨碍了纳米技术在医药科学中的应用。但当金纳米颗粒变大或形成聚结体而难以进入细胞时，则对这两种细胞无害，反而能促进细胞的生长.一但这一矛盾得到解决，我们的伤口愈合能力也会随之加强，这样遭受到的痛苦也会随之大大减少，我们在医学领域的技能也将会有一步质的飞跃。纳米材料是理想的骨生材料。优良的生物活性使之能够与生物体组织化学键合，而其耐磨损、耐腐蚀、负载能力强，又能更更加长久的作为人类的骨骼。尤其是对于股骨头坏死的患者来讲，这是一个极大地福音。目前这一技术正在细化研究中，相信要不了多久我们就会看到有这样的“人体骨骼”诞生。
将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
采用纳米大分子 “生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。
科学家们正在研制一种人工耳：纳米耳，它的敏锐度甚至能够把细胞所发出的躁声分辨出来。实验已证明，这种纳米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力。耳朵里的纤毛直径为100纳米左右，长度是一两个微米，而现在制造的纳米耳直径只有几纳米，长度却有60微米。它的这个长度使其灵敏度增高许多。也许有一天，这种人工耳可置于人体血液循环中，作为流动的纳米听诊器，专门监听细胞功能失调，甚至可以听到癌细胞所发出的清晰声音。这种纳米耳完全生产并投入使用大概在10年之内。
家电：用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。计算机和电子工业：可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。
纺织工业：在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
美国借纳米技术开发出新型液体防弹衣
机械工业：采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。纳米护腿 护膝 鞋垫
采用纳米远红外材料，具有远红外保健功能； 采用纳米磁性材料，兼具磁疗功能；
采用纳米永磁材料，没有磁硬块，穿着舒适，洗涤方便； 有效激活细胞的代谢能力，增强肌体免疫力； 舒筋活络、改善局部血液循环，对关节疼痛止痛迅速； 对贴近的肌肤起全方位的按摩及刺激作用；
纳米鞋垫采用多种纳米粉体精制而成，除臭效果极佳。尤其适用于运动量较大，有脚气、脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分钟效果更好。
止痒抗菌功能 吸湿能力较强，产品中的无机抗菌材料，可长效抑菌，抑制鞋内真菌繁衍、防治脚气、脚癣等疾病
六.结束语
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。
纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。全面理解纳米科技内涵，促进纳米科技在我国的健康发展
纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。随着时代的脚步不停的大踏步向前，纳米材料的发展空间将会无限扩大，越来越多的领域中都将会看到它的“倩影”。无论是单纯的纳米材料还是纳米复合材料，他们所具有的优越性是我们无法抗拒的，也是未来的研究试验中不可缺少的。不久的将来，纳米材料将会给我们的生活、工作、学习带来无限的惊喜与便捷。
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