奈米材料的製備方法及應用研究

　　奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍1-100nm或由它們作為基本單元構成的材料，這大約相當於10~100個原子緊密排列在一起的尺度。

　　德國科學家H.Gleiter教授最先提出奈米晶體材料這一概念，指的是晶粒尺寸在奈米數量級通常該尺寸<100nm以下的超細材料，隨著時代的進步科技的不斷髮展，人們對奈米材料的概念也在不斷髮生轉變，理解初期階段，它是指由奈米超微顆粒通過壓制等方法形成的奈米固體或具有一定厚度的薄膜，時至今日，廣義的奈米材料是指在材料的三維尺度中至少有一維處於奈米尺度範圍或由它們作為基本單元構成的材料[1]。

　　經過時代的演變和發展，奈米材料的概念一直演繹更新，國際上普遍認同凡是尺寸在奈米數量級1～100nm或出現奈米效應的超細材料均可認為是奈米材料，在奈米材料中金屬奈米粒子一直是人們關注的焦點，金屬奈米粒子由於自身的獨特性， 在醫藥、光電、電子產業、熱學、生物資訊等方面具有重要的應用前景，在這些領域有許多新的突破和進展，如Frens採用不同濃度的檸檬酸鈉作為還原劑而得到了金奈米顆粒系列，其粒徑範圍在 16～ 147nm[2];Nersisyam等利用溶膠-凝膠法制造銀奈米粒子，通過使用不同的還原劑將銀奈米粒子的範圍控制在20～50mm[3];王睿等利用乙二醇還原性，在對溶劑進行高溫加熱的情況下並施以光誘導作用將銀奈米粒子的尺寸控制在50nm左右同時得到三角形和圓盤形兩種粒子形態[4]。除開金銀這些貴重金屬，對銅奈米粒子的研究最近也掀起了一股熱潮，李延君等人通過對不同溫度和不同濃度試劑的調配在極性溶劑中製備了粒徑範圍在7～ 70nm的銅奈米粒子[5]。

　　奈米材料的晶粒尺寸一般在100nm以下數量級，在奈米材料中晶粒的晶界呈多面性，而晶界的體積百分數往往和材料缺陷密度呈正比，體積百分數越大其缺陷密度越高，這種獨特的晶粒結構使得奈米材料相對於傳統材料呈現出許多的優越性，它的奇特效能包括巨集觀量子隧道效應、量子尺寸效應、導電性好、力學效能優異等等。

　　奈米材料其實對我們每個人來說它並不陌生，自然界中就存在許多的天然的奈米材料，比如牙齒、隕石等都是由奈米顆粒組成，而如今大多數國家都將奈米材料製作及技術發展作為重要的科研領域，它在某種程度上反應了一個國家在材料領域的發展水平，時至今日，製備奈米材料的方法多種多樣，例如機械研磨、物理粉碎、氣相沉積、溶膠法及真空冷凝等方法[6]。針對奈米材料的製備方法按照其原理不同分法亦不相同：發生反應的狀態不同主要分為幹法固體之間的反應和溼法水溶液裡進行的反應;原料存在的狀態不同亦可分為固相法金屬鹽或金屬氧化物混合後通過煅燒的方法直接發生固相反應、氣相法物質在氣體的狀態下發生物理或化學反應與液相法可溶性性鹽溶液通過蒸發、昇華將金屬粒子結晶出來;按製備手段也可分為化學法沉澱法、相轉變法、氣溶膠反應法等、物理法蒸汽冷凝法、電火花法、離子濺射法等和綜合法PECVD、LICVD等。

　　這些方法各有所長各有所短，比如固相法利用熱分解原理得到的產物容易再次凝結成塊，需要重新粉碎、攪拌，增加了成本;物理粉碎法相對來說工藝簡單、低成本高產量，但是極易引入雜質，造成產物質量純度低;氣相法制備的奈米顆粒純度較高，與之相應的成本高，對奈米顆粒的粒徑尺寸也有要求，這些製備方法既有優勢也有自身的劣勢，而這些劣勢限制了納米材料的進一步發展。

　　奈米材料作為材料科學領域的熱點焦點，奈米技術也被國際公認為21世紀最具發展力的的科研領域，諾貝爾獲獎者Feyneman早年就預言：如果能在極小的尺度下對粒子進行重新組合排列，物質就會顯示出不一樣的特性。現在我們明白他所說的就是奈米材料，通過對奈米材料中超微顆粒結構的變化得到的獨特效能解決科研領域中的許多難題，它的應用領域是非常廣泛的，以下列領域為代表：

　　陶瓷領域 奈米技術在陶瓷中的應用越來越流行，其原理是將奈米尺度的陶瓷粉加入瓷釉中，改善傳統陶瓷效能，達到抗菌、自淨等功能，特別是在力學增強方面，如材料的硬度、強度、韌性等。傳統陶瓷的加工工藝離不開高溫，可是通過高溫燒結會增加材料的脆性，陶瓷的斷裂韌度會隨著脆性的增加而降低，這就使得傳統陶瓷具有易碎的特點，奈米陶瓷材料所需要的溫度在傳統的基礎上可降低接近600℃，同時無需催化劑，大大降低了對材料品質的汙染，減少了能耗需要，奈米陶瓷材料在較低的溫度下進行燒結，在保留陶瓷硬度的同時增加了它的韌性、彈性形變、耐腐蝕、耐高溫高壓等特點，新型的陶瓷甚至可以磨削，至此陶瓷材料遠離高能耗、易碎。

　　催化方向 奈米技術廣泛的滲透到催化領域，奈米催化的出現及關於它相關研究越來越受到更多人的重視，普通的催化劑對溫度有較高的要求，但是奈米催化劑對溫度的要求較低的，通常在常溫後者低溫就可以進行，奈米催化劑是超微顆粒，尺寸小，故高表面能高，發生反應後其效果是普通催化劑的數十倍或百倍以上，例如金屬奈米粒子Ni和Cu-Zn組成的催化劑與傳統的催化劑Ni相比對有機加氫的效率增長了10倍。

　　醫藥方面 奈米材料在醫藥方面的應用也有明顯的優勢，可增加患者的療效，而奈米技術在醫藥生產上的應用可以使醫療技術更加細化，同時能研製出普通醫藥無法比擬具有特定功能的藥品，而一些具有奈米技術的儀器在對疾病的診斷方面只需要患者極少的一點的血液，通過對蛋白質、DNA的匹對就可確定出疾病，如果將奈米粒子作為藥物載體，那麼藥物就具有靶向作用，可以直擊病灶。使治療更加直接，而藥物產生的毒性也能明顯降低。

　　複合材料 複合材料由於其優良的綜合性能而廣泛應用於光電、航天材料、交通運輸等領域，而奈米複合材料更具吸引力，現如今奈米複合材料主要括奈米聚合物基、奈米碳管功能、奈米鎢銅，例如Wu-Cu奈米複合物具有較高的綜合性能，導電效能優異，傳熱好，不易發生熱膨脹。

　　參考文獻：

　　[1]張立德，牟繼美.奈米材料和奈米結構.第一版，北京科學出版社，2001年.

　　[2]Frens G. Regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions[J]. Nature：Physical Science，1973，241105：20-22.

　　[3]Nesisyan H H， Lee H， Son H T， et al. Materials Research Bulletin，2003，38：949-956.

　　[4]王睿，等.不同形態銀奈米粒子的非線性光學特性.高等學校化學學報.2012，33：149-152.

　　[5]李延軍，唐建國，等.粒徑可控的銅奈米粒子的液相還原法制備.化學工程師.20085：17-20.

　　[6]Lu K，Lu J， Wang T， et al.A new method for synthesizing nanocrystaline alloys[J].Journal of Applied Physics，1991，691：522-524.