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纳米材料与软物质的研究现状、应用及未来发展--第1页
纳米材料与软物质的研究现状、应用与未来发展
1引言
1990年,第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议同时在美国巴尔的
摩举办,《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际专业期刊相继问世,标志一门崭新的科学技术—
—纳米科技的诞生。从此纳米科技得到科技界的广泛关注,并迅猛发展。
1991年,诺贝尔得主、法国物理学家P.G.DeGennes在诺贝尔授奖会上以“软物质(Soft
Matter)”为题进行演讲,提出了软物质的研究,统一了欧洲科学家笔下的“软物质”与美国科学
家口中的“复杂流体”两个称呼。从此,软物质研究作为物理学的一个重要研究方向得到了广泛的
认可。
纳米材料与软物质的研究都是从20世纪80年代开始的,是在之前三次工业革命的基础上发展
起来的的新兴科技领域。巨大的需求与技术支撑,使其在诞生之初就显现出蓬勃的生命力,而且对
它们的研究经久不衰。在知识与学科互相交叉的今天,纳米材料与软物质有可能相互结合,在材料、
生物、医学、高分子等领域开拓出一片片新大陆,筑起21世纪工业革命的基石。
2纳米材料的概念
广义的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的
材料。按照维数,纳米材料的基本单元可以分为三类:
零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度的材料,如纳米尺度颗粒、原子团簇等;
一维,指在空间有两维处于纳米尺度的材料,如纳米丝、纳米棒、纳米管等;
二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度的材料,如超薄膜、多层膜、超晶格等。
纳米科技是面向纳米材料的运动规律和相互作用并在应用中实现特有功能和智能作用的技术问
题,发展纳米尺度的探测和操纵。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、
纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、
纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。扫描隧道显微镜(STM)在纳米科技中占有重要
的地位——它贯穿到七个分支领域中,以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。
3纳米材料的特性
所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳
米数量级(1-100nm);(2)有大量的界面或自由表面;(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相
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互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,也使纳米材料受到各国科学
家的追捧。
物质尺度到了纳米量级后,由于表面电子能级(费米面)的变化(Kubo效应)导致了纳米材
料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,能使多种多样的材料改性,用途极为广泛。
表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应,这五种效应是纳米材料
的基本特性,它们使纳米粒子和纳米固体呈现出许多奇异的物理性质、化学性质和力学性质,它们
是纳米技术应用的理论基础。
3.1表面效应
粒子直径减少到纳米量级,表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加;处于表面的原子数
增多,使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能与块材内部原子有很大的不同;表面原子周围缺
少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合,故具有很大的化学活性。
3.2量子尺寸效应
纳米粒子尺寸下降到某一定值时,费米能级附近的电子能级将由连续能级变为分立能级。这一
效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。
3.3体积效应
当纳米粒子的尺寸变小时,周期边界条件将被破坏,使得物理化学性质发生变化,甚至是发生
突变。如果颗粒尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,金属微粒均失去原有的光泽而呈黑
色(光的吸收特性变化);磁性超微颗粒在尺寸小到一定范围时,会失去铁磁性
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