什么是纳米材料

　　什么是纳米材料您知道吗？现在科技发展飞速，纳米材料已经走进了我们千家万户，今天小编我就为您介绍一下什么是纳米材料以及它的应用方向。

　　什么是纳米材料？
　　纳米（nm）和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0。1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。
　　纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1－100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。

　　纳米材料的特点？
　　当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II－VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显着蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能（如强度和韧性等），对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。

　　纳米材料的应用前景
　　纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA分子上贴上了标签。 目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同，“纳米粉体”赋予了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。
　　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。现将纳米材料的主要应用领域归纳如下。

　　陶瓷增韧
　　纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度，目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标，在实验室已获得一些结果从应用的角度发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本，在制备纳米粉体的工艺上倒了保证纳米粉的工艺上除了保证纳米粉体的质量，做到尺寸和分布可控，无团聚，能控制颗粒的形状，还要求生产量大，这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。近两年来，科学工作者为了扩大纳米粉体在陶瓷改性中的应用，提出了纳米添加使常规陶瓷综合性能得到改善的想法。1994年11月至1995年3月，美国在加州先后召开了纳米材料应用的商业会议在会上具体讨论了如何应用纳米粉体对现有的陶瓷进行改性，在这方面许多国家进行了比较系统的工作，取得了一些具有商业价值的研究成果，西欧、美国、日本正在做中间生产的转化工作。例如，把纳米Al2O3粉体加入粗晶粉体中提高氧化铝的致密度和和耐热疲劳性能；英国把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合在实验室已获得高韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低100℃；日本正在试验用纳米氧化铝与亚微米的二氧化硅合成制成莫来石，这可能是一种非常好的电子封装材料，目标是提高致密度、韧性和热导性；德国Jiilich将纳米碳化硅（小于20％）掺人粗晶a－碳化硅粉体中，当掺和量为20％时，这种粉体制成的块体的断裂韧性提高了25％。我国科技工作者已成功地用多种方法制备了纳米陶瓷粉体材料，其中氧化锆、碳化硅、氧化铝、氧化铁、氧化硅、氮化硅都已完成了实验室的工作，制备工艺稳定，生产量大，已为规模生产提供了良好的条件。近一年来利用我国自己制备的纳米粉体材料添加到常规陶瓷中取得了引起企业界注意的科研成果。氧化铝的基板材料是微电子工业重要的材料之一，长期以来我国的基板材料基本靠国外进口。最近用流延法初步制备了添加纳米氧化铝的基板材料，光洁度大大提高，冷热疲劳、断裂韧性提高将近1倍，热导系数比常规氧化铝的基板材料提高了20％，显微组织均匀。纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50％以上。在高性能纳米陶瓷研究方面，
　　我国科技工作者取得了很好的成杲，例如，由纳米陶瓷研制结果观察到纳米级ZrO2陶瓷的烧结温度比常规的微米级ZrO2陶瓷烧结温度降低4000C。

　　磁性材料
　　1、巨磁电阻材料
　　磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。巨磁电阻效应是近10年来发现的新现象。1986年德国的Cdnberg教授首先在Fe／Cr／Fe多层膜中观察到反铁磁层间藕合。1988年法国巴黎大学的肯特教授研究组首先在Fe／Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，这在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe／Cu，Fe／Al，Fe／Al，Fe／Au，Co／Cu，Co／Ag和Co／Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显着的巨磁阻效应，由于巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。1992年美国率先报道了Co－Ag，Co－ Cu颗粒膜中存在巨磁电阻效应，这种颗粒膜是采用双靶共溅射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基体上镶嵌纳米级的铁磁的Co颗粒。这种人工复合体系具有各向同性的特点。颗粒膜中的巨磁电阻效应目前以Co－Ag体系为最高，在液氮温度可达55％，室温可达20％，而目前实用的磁性合金仅为2％～3％，但颗粒膜的饱和磁场较高，降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标。颗粒膜制备工艺比较简单，成本比较低，一旦在降低饱和磁场上有所突破将存在着很大的潜力。最近，在FeNiAg颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场约为32KA／m，这个指标已和具有实用化的多层膜比较接近，从而为颗粒膜在低磁场中应用展现了一线曙光。我国科技工作者在颗粒膜巨磁阻研究方面也取得了进展，在颗粒膜的研究中发现了磁电阻与磁场线性度甚佳的配方与热处理条件，为发展新型的磁敏感元件提供了实验上的依据。
　　在巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit／in2，最近报道为11Gbit／in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。1995年报道自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级，256Mbit的MRAM芯片亦已设计成功，成为可与半导体随机存储器（DRAM，SEUM）相竞争的新型内存储器，此外，利用自旋极化效应的自旋晶体管设想亦被提出来了。鉴于巨磁电阻效应重要的基础研究意义和重大的应用前景，对巨磁电阻效应作出重大开拓工作的弗特教授等人曾获二次世界级大奖。
　　巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化，要求测量系统也要微型化。21世纪超导量子相干器件（SQUIDS）和超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础，设计超微磁场传感器要求能探测10－2T至10－6T的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是没有办法测量的，特别是在超微系统测量如此弱的磁通密度时十分困难的，纳米结构的巨磁电阻器件经过定标可能完成上述目标。瑞士苏黎土高工在实验室研制成功了纳米尺寸的巨磁电阻丝，他们在具有纳米孔洞的聚碳酸脂的衬底上通过交替蒸发Cu和Co并用电子束进行轰击，在同心聚碳酸脂多层薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成几微米长的纳米丝，其巨磁电阻值达到15％，这样的巨磁电阻阵列体系饱和磁场很低，可以用来探测10－11T的磁通密度。由上述可见，巨磁阻较有广阔的应用情景。
　　2．新型的磁性液体和磁记录材料。
　　1963年，美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上（直径约为l0m），并高度弥散于煤油（基液）中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为l0nm，对金属微颗粒，通常大于6nm。在这样小的尺寸下，强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能，而呈现没有磁滞现象的超顺磁状态，其磁化曲线是可逆的。为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子（称为表面活性剂），高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力。此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。
　　磁性液体的主要特点是在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波、声波在其中传播时（如同在各向异性的晶体中传播一样），会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性。此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性。这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。