探索纳米材料：认知学习的新视角

纳米材料又名毫微材料，是研究结构尺寸为1～100 nm的材料。研究纳米材料结构、组成、制备、性质及应用的技术被称作纳米技术。自1981年扫描隧道显微镜微观测试技术获得突破之后，在世界范围内掀起了研究纳米材料和纳米技术的新高潮。40年来、纳米科学、纳米技术及纳米材料的研究蓬勃发展，目前已形成一门新兴的热门边缘学科——纳米材料科学。当今的研究表明，纳米材料和纳米技术在工业、农业、国防及医学等领域均彰显出广阔的应用前景。

8.5.1 纳米材料的基本特性

纳米材料

1.表面效应

纳米材料不同于一般的粉末颗粒和块体材料，主要由其表面效应和体积效应所决定。当粒子直径减小到纳米级别时，表面原子数占总原子数的比例大大提高，其表面积、表面能及表面结合能等都发生了很大变化，由此引起的效应称为表面效应。其微粒尺寸与表面原子数的关系如表8-4所示。例如，无机物的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应；金属的纳米粒子会在空气中燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂和储气材料以及低熔点材料。

表8-4　纳米微粒尺寸与表面原子数的关系

2.体积效应

当纳米微粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的周期性边界条件被破坏，导致其声、光、电、磁、热、力学等与一般块体材料相比都有很大的变化，这些变化成为体积效应（也称小尺寸效应）。例如，金属颗粒对光的吸收效果显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频率偏移，出现磁有序向磁无序、超导相向正常相的转变等。

3.隧道效应

电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。

4.量子尺寸效应

各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分离的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热也会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。(www.xing528.com)

8.5.2 纳米材料的分类及应用

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础，其应用示例如图8-21所示。

图8-21　纳米材料应用示例

1.纳米粉末

纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100 nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料，可用于高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）、人体修复材料、抗癌制剂等。

2.纳米膜

纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜，可用于气体催化（如汽车尾气处理）材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。

3.纳米纤维

纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，可用于微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料、新型激光或发光二极管材料等。

4.纳米块体

纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。

针对纳米材料奇特的性能，在力、光、热、电、磁、化、医等行业表现出有益性质，一些国家纷纷制订相关战略或计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心。其开发应用主要涉及原子能工业、电子工业、航空航天工业、化工及生物医疗等。