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納米材料基礎(chǔ)知識及制備方法簡介

  納米材料是指任意一維的尺度小于l00nm 的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)粒子尺寸小至納米級時(shí)，其本身將具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，這些效應(yīng)使得納米材料具有很多奇特的性能。

      納米材料的基本單元按空間維數(shù)可以分為三類(1)零維納米材料，指在空間三維尺度上均在納米尺度，如:納米顆粒、原子團(tuán)簇等；(2) —維納米材料，指在空間上有兩維處于納米尺度，如:納米線、納米棒等；(3) 二維納米材料，指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。因?yàn)檫@些單元往往具有量子性質(zhì)，所以對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點(diǎn)、量子線和量子阱之稱。

      納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能，可廣泛應(yīng)用于國防軍事和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。它不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用，也為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)帶來生機(jī)和活力。隨著納米材料制備技術(shù)的不斷開發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展，工業(yè)化生產(chǎn)納米材料必將對傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。

      納米材料因其尺寸、結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致了以下宏觀物質(zhì)所不具有的基本物理效應(yīng):小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子險(xiǎn)道效應(yīng)。這四種效應(yīng)是納米粒子與納米固體的基本特性，它使納米粒子和固體呈現(xiàn)許多奇異的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低恪點(diǎn)、異常的導(dǎo)電率和磁化率、極強(qiáng)的吸波性、高擴(kuò)散性等。

      小尺寸效應(yīng)(Small Size Effeet)

      當(dāng)物質(zhì)的體積減小時(shí)，通常會出現(xiàn)兩種情況:(1)一些與體積密切相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化而物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化，比如磁體的磁區(qū)變小，半導(dǎo)體的電子自由程變小等；(2)與前一種不同的是物質(zhì)本身的性質(zhì)也會發(fā)生變化，條件是納米粒子的尺寸要足夠小，和德布羅意波長、光波的波長以及透射深度或者超導(dǎo)態(tài)的相干長度等物理特征尺寸相當(dāng)或者更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將會被破壞；納米微粒的表面層附近原子密度會減小，從而導(dǎo)致在磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)聲學(xué)等特性會產(chǎn)生極大的變化，這就是納米材料的小尺寸效應(yīng)，又稱體積效應(yīng)。

       表面效應(yīng)(Surface Effect)

       當(dāng)材料的粒徑大于原子的直徑時(shí)，表面原子可以近似忽略不計(jì)。但是，隨著粒子尺寸減小到納米級時(shí)，表面積急劇的變大，納米粒子的表面原子與總原子數(shù)之比會顯著的增加，粒子的表面能與表面張力也隨著相應(yīng)的增加，從而引起了納米粒子性質(zhì)上的一些變化，這些特異效應(yīng)被統(tǒng)稱為表面效應(yīng)(界面效應(yīng))。

       量子尺寸效應(yīng)(Quantum Size Effeet)

       當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米面附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最低未被占據(jù)的分子軌道能級和最高被占據(jù)的分子軌道能級，從而使能隙變寬的這種現(xiàn)象，被稱之為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)引起了能級改變和能隙變寬，這將會導(dǎo)致微粒的發(fā)射能量增加，也就是吸收帶藍(lán)移(即短波長方向)，直觀上將會以樣品顏色變化表現(xiàn)出來。

       宏觀量子隧道效應(yīng)(Macroscopic QuantumTunneling Effeet)

      宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。

       納米材料的制備方法

      近30年來，已經(jīng)發(fā)展出了多種制備納米材料的方法和技術(shù)。按反應(yīng)物狀態(tài)可分為干法和濕法；按反應(yīng)介質(zhì)可分為固相法、液相法和氣相法；按反應(yīng)類型可分為物理法和化學(xué)法其中氣相法是直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米材料的方法。氣相法大致又可分為化學(xué)氣相反應(yīng)法、化學(xué)氣相凝聚技術(shù)、濺射法等。液相法制備納米微粒的共同特點(diǎn)是該方法均從均相的溶液出發(fā)，通過各種途徑使溶質(zhì)與溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體，熱解后得到納米材料。主要制備方法有:沉淀法、水解法、噴霧法、水熱和溶劑熱法、蒸發(fā)溶劑熱解法、氧化-還原法(常壓)、微乳液法、轄射化學(xué)合成法、溶膠-凝膠法等。固相法是通過從固相到固相的變化來制造粉體。固相法可細(xì)分為熱分解法、固相反應(yīng)法、火花放電法、溶出法、球磨法等。每種合成方法都有自身特點(diǎn)，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，選擇適當(dāng)?shù)暮铣煞椒ā?/p>