纳米材料的分类及其物理性能研究

赵心莹

（武汉市外国语学校 湖北 武汉 430000）

纳米材料的分类及其物理性能研究

赵心莹

（武汉市外国语学校 湖北 武汉 430000）

在当前市场应用潜力较大的科学技术中，纳米技术是其中备受追捧的科学技术之一。经过了三十余年的发展，纳米技术已经引起了一场技术革命。纳米技术研究的范围主要包括纳米材料学和纳米工程等。纳米材料的结构单元尺寸一般位于1nm～100nm这个区间范围。纳米材料跟普通材料比较而言，其特性是很多材料所不具备的。本文对纳米材料的分类及其物理性能进行了研究。

纳米材料；分类；物理性能

1 引言

在上个世纪八十年代末期，对纳米技术的研究就已经开始了。纳米科学技术跟其他学科的交叉是比较紧密的，它是跨世纪的一项战略性的科学技术。钱学森，作为一代著名的科学家，曾经预言纳米技术将会是二十一世纪中一次产业技术革命。纳米技术的种类有很多，不仅包括了纳米材料科学，还包括了纳米电子学和纳米生物学。在纳米技术中，纳米材料科学是最基础的。纳米材料是二十一世纪的新材料之一，这是当之无愧的。现在，对于该材料的研究非常活跃。如图1所示，为纳米材料专业申请在整个材料研究领域的占比情况。

图1 材料科学与工程专业分支申请概况图

2 纳米材料的分类

“纳米”这个词第一次被提出来是在上个世纪八十年代，它在发展初始阶段，指的是纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。从广义的角度上来讲，纳米材料在至少有一维符合纳米尺度范围。

根据纳米材料的维度的基本单元进行分类，我们可以将纳米材料分为以下三类。分别为0维、1维、2维。第一类纳米材料的特点是，在空间的三维尺度方面，它们都符合纳米尺度。第二类纳米材料的特点是，从空间的三维尺度来看，该纳米材料有两维符合纳米尺度。这类材料中的典型之一就是纳米管和纳米棒。第三类纳米材料有1维在纳米尺度。这类纳米材料的典型为超薄膜。英国某大学的著名教授德马克斯曾经发明了一种厚度为0.35nm的超级薄膜。该薄膜厚度极小，如果重叠20万层，才能达到一根头发丝的厚度。

如果从化学成分去分类，纳米材料分为纳米陶瓷、纳米金属以及纳米复合材料等。根

据纳米材料的物理特性的差异，可以将纳米材料分为纳米半导体、纳米铁电体、纳米热电材料等等。就目前情况来看，纳米材料中的很大一部分比例不是机器生产，而是通过人工制备的，这类材料可称为人工材料。事实上，在大自然中，纳米固体就一直存在，只是我们对它们不了解而已。比如，天体陨石的碎片从本质上来讲就是一种纳米材料，动物的牙齿是纳米微粒组成的。

3 纳米粒子的物理特性

数目较少的原子或分子组成了纳米粒子，纳米粒子的在热力学上的稳定性不强，纳米粒子所处的物理状态是一种中间状态，它跟宏观物质和微观原子的状态是有区别的，这也就使得纳米材料的特性是比较独特的。

3.1 比表面积和表面张力较大

平均粒径10～100nm的纳米粒子的比表面积区间为[10，70]m2/g，通过使用仪器对纳米粒子的内部结构压力进行测试，发现其内部压力较大，且表面张力比较大，内部原子间距相对来说不大。

3.2 纳米粒子的熔点降低

粒径2nm的纳米时金熔点为300℃左右，块状金的熔点要比该温度高763℃。因此，可以利用纳米状态金的这种特性，来成熔融工艺。

3.3 磁性的变化

当一些物质处于晶粒纳米等级时，该物质可能改变磁性。比如从抗磁性变为顺磁性。比如金属Sb（是银白色有光泽硬而脆的金属）。在一般情况下，它是抗磁性的，而当它处于纳米状态时，就会产生顺磁性。并且，该金属被纳米化之后，还能展现其一些磁效应变化。

3.4 物理性质变化

金属纳米粉末的颜色一般是黑色的，其颜色比较深，并且该状态的金属纳米粒子的吸光能力也增加。如果金属纳米颗粒不大于50nm的时候，金属强度会增加，其中的原理，由于篇幅限制，这里不做详细陈述。粒径约为 5～7nm的纳米粒子得到的铜的固体硬度和弹性强度比通常情况下的金属要高很多。

3.5 纳米离子的导电性增强

根据有关研究显示，CaF2在多晶粉末状态和纳米状态时的离子导电率有一个数量级的差别，单晶CaF2比纳米

CaF2的离子导电率要少两个数量级。除此之外，纳米粒子在低温下的热导性比较强。纳米粒子如果充当催化剂，那么催化效率就会提高。当纳米粒子的粒度逐渐减小，超导临界温度会逐步上升。

4 纳米材料的应用前景展望

纳米粒子作为新材料中新宠，不但能够直接使用，它也可以用来制作其他材料。在当前情况下，已经有纳米磁性材料、纳米半导体、纳米传感器等被研制出来了，并且这些材料在我们日常学习和工作中都有一些应用。比如，RNA蛋白质其颗粒在医学上有一些应用。当这种颗粒的大小位于15nm到20nm范围内时，这种粒子可以归属于纳米粒子的范围之内。如果超微粒子小于10nm，那么气就能够自由进入人体的某些病变部位，可以进行疾病诊断和检测。又如，石墨可以作为碳纳米管的生产材料，强度非常高，其导热性和导电性较强，电阻极小。如果该材料能够规模化生产，那么就可以使全球电力不足的现象得到缓解。另外，纳米材料在电子器件中也有广泛的用途，能够减少集成电路的数量，实现节能减排的目的。

5 结语

在科学技术飞速发展的未来，纳米材料终究会实现规模化生产，并且在我们生活和工作中应用。同时，我们应当清晰的认识到，科学技术也是一把双刃剑，我们应当尽量避免其给社会带来一些弊端。

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TB383.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0020-02