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纺织新科》园地/第八期》纳米专著——纳米科学技术(Nano-ST)及纳米材料简介 |
编者按；本文作者是一位纳米材料研究人员。将被邀请
在“上海保健纺织品技术研讨会”期间，作一
次较全面的纳米科技介绍。这里刊登的仅是她
的发言提纲。
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纳米科学技术(Nano-ST)及纳米材料简介 |
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周 琼 李守平 |
信息、能源、新材料被认为是二十一世纪的三大支柱，而纳米材料（某一维尺寸在1-100nm范围内的材料称为纳米材料）在这三个领域的发展中都有极其重要的作用，如信息---原子开关[[1]]、磁记录材料[[2]]、光电功能材料[[3]]；能源---纳米铂作催化剂利用太阳能制氢[[4]]，产率提高几十倍，碳纳米管的贮氢燃料[[5]]；新材料--超塑性陶瓷[[6]]、隐身材料[[7]]等。世界各国都先后认识到纳米技术的重要性，美国是最早开始研究纳米技术的国家之一，而在1990年日本决定每年投入$6000万成立两个研究机构，一个是生命科学，另一个是纳米科学[[8]]；1992年我国将纳米材料科学作为重大基础研究列入国家攀登计划[[9]]。早在1959年诺贝尔物理奖获得者费曼提出“操纵”原子的思想以制备纳米材料；1963年用气体蒸发法制备金属纳米粒子并用电镜表征[[10]]；70’至80’系统研究金属微粒费米面附近的能级状态的Kubo理论[[11]]，用量子尺寸效应解释纳米特性如金属在尺寸减小到纳米时成为非导体，而绝缘体却可成为导体[[12]]；1987年美国Argon实验室的Siegel制备以纳米TiO2多晶体，发现纳米陶瓷在低温下出现超塑性[7]；1990年7月在美国的巴尔基摩召开了第一届国际纳米科学技术（NST）会议，1997年美国科学家首次用单电子移动单电子，可望在在不久的将来研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机[1]；到1999年，纳米技术已逐步走向工业化。
以下简单介绍纳米材料的分类、制备方法、纳米特性、典型应用举例及纳米材料在纺织行业的应用。
----分为零维、一维、二维和三维纳米材料。晶粒尺寸至少在一个方向上为0-100nm的材料称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料，具有原子簇和原子束结构称为零维纳米材料。
---分为金属、金属合金及其氧化物纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料、纳米杂化材料。
----按纳米材料内部的有序性可分结晶纳米材料及非晶纳米材料。
早在1963年由Ryozi Oyeda等研制出，制较干净的纳米微粒；80年代初，德国萨尔蓝大学H.Gleiter等人，用气体冷凝法制得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致密得到多晶体（纳米微晶）。所用加热源为：a.电阻加热法；b.等离子喷射法；c.高频感应法；d.电子束法；e.激光法。可蒸物质有：金属；CaF2、NaCl、FeF等离子化合物；过渡金属氮化物；易升华氧化物。
此法用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用材料两极间充入Ar气并施加0.3-1.5KV的电压，其优点是： 1.可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属；2.能制备多组元的化合物纳米微粒，如Al52，ZrO2等；3.通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。
1986年美国MIT（麻省理工学院）建成年产几十吨的装置。它的优点是通过调节工艺参数（激光功率密度、反应池压力、反应气体配比和流速、反应温度等）得到清洁表面，粒子大小可精确控制，无粘结，粒度分布均匀的几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。
该方法是选择制备金属有机化合物作为前驱体，然后将前驱体混入聚合物基质中，通过化学或热还原等方法将前驱体还原成金属[[16]][[17]]或生成硫化物等半导体纳米晶。优点是 ：化学均匀性好、b.高纯度、c.颗粒细、 d.可容纳不溶性组分或不沉淀组分；缺点是： 烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低但凝胶颗粒之间烧结性差、块体材料烧结性不好、干燥时收缩大。
此方法是在干燥的球型装料机内粉末粒子重复进行熔接、断裂、再熔接的过程。
当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将破坏声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的效应即小尺寸效应。
随着粒子尺寸的减少，表面原子占有比例迅速增加，而表面粒子缺少近邻原子的配位，极不稳定，很容易与其它原子结合，表现出很高的活性。反Hall-Petch关系超塑性，高韧性，热膨胀系数明显增大，热稳定性低，处于亚稳态，熔点低。
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应；当纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，出现能隙变宽现象也称为量子尺寸效应。蓝移现象是量子尺寸效应典型表现，即当粒子尺寸减小时，发光带的波长由690nm移向480nm。当Ag的直径小于14nm时，Ag为绝缘体也是这一效应的体现。
由于纳米材料特殊的性质，纳米材料具有广阔的应用前景。对于纳米尺寸的强磁性颗粒，当粒度为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成各种磁性材料，广泛应用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、磁性选矿等领域。随着高密度磁记录技术的发展，预计下一代硬盘系统中磁记录密度计划可超过10Gb/in2，在这种密度下，只有磁电阻磁头具备高灵敏度和低噪音的巨磁电阻效应可高达50%，因此巨磁电阻材料可望应用于信息存储系统中作为读出磁头[[22]]。最近又发现一种纳米结构的巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场之间存在着近似的线性关系，因此可望用作新型的磁传感器材料。
纳米材料还可以应用于磁致冷系统[[23]]; 纳米材料还可用作新型焊接材料[[24]]。氢被认为是下个世纪的主要能源。利用金属氢化物作为氢的储运介质是很多学者和工程技术人员关心和感兴趣的一个研究项目[[25]]。
纳米材料的比表面积大，表面活性高，可广泛用作各种敏感材料，用纳米材料制作的气敏元件不仅保持了粗晶材料的优点，而且改善了响应速率，增强了气敏选择性，还可以有效地降低元件的工作温度[[26]]。纳米材料还具备良好的吸光或吸波特性，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。
纳米材料还可以广泛地应用于生物医药领域,如进行细胞分离、细胞染色等正是由于纳米材料具有上述一系列优异特性及广阔的应用前景，系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的实际意义，同时深入研究纳米材料的各种物性及其微观结构的内在联系对于进一步促进低维固体物理的发展也具有深刻的理论意义。
利用纳米技术 [[27]]可制备远红外纺织品、防紫外线织物、防电磁波、抗菌纺织品、导湿排汗织物、抗静电织物、磁性抗癣织物、芳香复合纤维高性能纤维自动发光织物、反光织物等。
hlschlegel, D. J.Scalapino.