材料学科前沿讲座论文

材料学科前沿讲座论文

班级：材料10-7 姓名：XXX 学号：XXX

中国矿业大学

学科前沿讲座——纳米材料

在来矿大之前对材料没有多少认识，只知道他与物理化学联系较为紧密，是新世纪的主导学科！所以就选择了材料！在听教授们上完那个学科前沿讲座之后，我对自己的专业才有了一个初步的了解，尤其对纳米材料感触极深！

21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注，这就是纳米科技。

处于新材料科技前沿的纳米科技，它的应用领域非常广泛。应用于制造业，现在已经造出只有米粒大小且能开动的汽车、只有蜜蜂大小的直升机。应用于生物医学，可以制出只有几毫米的人造手，帮助医生实施虚拟的现实手术。 有人预言，处于2l世纪高新技术前沿和核心地位的纳米科技所引起的世界性技术革命和产业革命对社会经济、政治、国防等所产生的冲击，将比以往的技术革命时代带来的影响更为巨大。纳米科技将会掀起新一轮的技术浪潮，领导下一场工业革命。人类将进入一个新的时代-----纳米科技时代。 1.纳米科技的基本概念和内涵

1959年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话。将大大扩充我们可能获得物性的范围。”在这里，通常界定为1—100nm的范围内纳米体系是细微尺度的事物的主角。

纳米科学技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，他的基本涵义是在纳米尺寸(10-9—10-7m)范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。

早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么!”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界.纳米科技是研究由尺寸在1—100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术．纳米科技主要包括：

(1)纳米体系物理学； (2)纳米化学； (3)纳米材料学； (4)纳米生物学； (5)纳米电子学； (6)纳米加工学； (7)纳米力学。

这7个部分是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上。

纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。以纳米新科技为中心的新科技革命必待成为21世纪的主导。

纳米新科技诞生才几十年，就在几个重要的方面有了如下的重要进展：

(1)美国商用机器公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子，成功地在Ni(镍)基板上，按自己的意志安排原子组合成“IBM”字样，日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现了原子三维空间立体搬迁．1991年IBM的科学家还制造了超快的氙原子开关．专家们预计，这一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径仅为0.3cm的硅片上．据英国《科学与共同政策》杂志报道，科学家们最近制造出一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可由激

光计算机提供可能的技术保证。

(2)近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”纳米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面都表现出明显不同于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出广阔的应用前景。

(3)作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在90年代初露头角，面向2l世纪，它的发展前途方兴末艾．纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶。

(4)纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向。纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世特使未来高技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决。

（5）医生可能应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。药物也可以制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高医疗效果，减少副作用。目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它取得的成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们的思考。

2. 纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史。

纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1—100nm范围、实际上，对这一范围的材料的研究还更早一些。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体．

现在，广义地，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。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类： (1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； (2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； (3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜；超晶格等。

纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米团体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。此外，浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所，原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子(0.4—1μm)具有很丰富的浓度，约为106—107个/ml．最近，威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是亚微米粒子的3倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息． 纵观纳米材料发展的历史． 大致可以划分为3个阶段：

第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能．对

纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在20世纪80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合(0—0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0—3复合)及发展复合纳米薄膜(0—2复合)，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料．这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材科研究的主导方向。

第三阶段(从1994年到现在) 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料．它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系．纳米颗粒、丝、管可以是有序地排列。

如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。

3. 纳米材料与其他学科的交叉、渗透

纳米材料科学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、团体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料中涉及的许多未知过程和新奇现象，很难用传统物理、化学理论进行解释．从某种意义上来说，纳米材料研究的进展势必把物理、化学领域的许多学科推间一个新层次，也会给21世纪物理、化学研究带来新的机遇。

纳米材料为凝聚态物理提出许多新的课题，由于纳米材料尺寸小，可与电子的德布罗意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，尺度下降使纳米体系包含酌原子数大大降低；宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分立的能级，量子尺寸效应十分显著。

纳米材料在催化反应中具有重要作用．通常的金属催化剂铁、钴、镍、铂制成纳米微粒可大大改善催化效果．粒径为30nm的镍可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍．在环二烯的加氢反应中，纳米微粒做催化剂比一般催化剂的反应速度提高10—15倍．在甲醛的氢化反应生成甲醇的反应中，以氧化钛、氧化硅、氧化镍加上纳米微粒镍、铷，反应速度大大提高，如果氧化硅等粒径达到纳米级，其选择性可提高5倍．通过光催化从水、二氧化碳和氯气中提取有用物质．例如，液体燃料一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢，产出率比原来提高几十倍．纳米微粒对提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定向方面的研究是未来催化科学的重要研究课题，很可能给催化在工业应用带来革命性的变革。

纳米合成为发展新型材料提供新的途径和新的思路非平衡动态的材科工艺学在21世纪将会有新的突破．目前，在世界上的材料有近百万种，而自然的材料仅占1/20，这就说明人工材料在材料科学发展中占有重要地位．纳米尺度的合成为人们设计新型材料，特别是为人类按照自己的意愿设计和探索所需要的新型材料打开了新的大门．例如，在传统相图中根本不共溶的两种元素或化合物，在纳米态下可以形成固溶体，制造出新型的材料．铁铝合金、银铁和钢铁合金等纳米材料已在实验室获得成功。

利用纳米微粒的特性，人们可以合成原子排列状态完全不同的两种或多种物质的复合材料．人们还可以把过去难以实现的有序相和无序相、晶态相和金属玻璃、铁磁相和反铁磁相、铁电相和顺电相复合在一起，制备出有特殊性能的新材料。

纳米材料的诞生也为常规的复合材料的研究增添了新的内容．把金属的纳米微粒加入常规陶瓷中可大大改善材料的力学性质，如纳米氧化铝粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性，放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性质；纳米氧化铝弥散到透明的玻璃中既不影响透明度又提高了高温冲击韧性；纳米磁性氧化物粒子与高聚物或其他材料复合具有良好的微波吸收特性。

纳米氧化铝微粒放入有机玻璃(PMMA)中表现出良好的宽频带红外吸收性能．纳米粒子与纳米粒子复合，受到世界各国极大的重视．英国制定了一个很大的纳米材料发展计划，重点制备纳米氧化铝+纳米氧化锆，纳米氧化铝+纳米氧化硅，纳米氧化铝+纳米氮化硅或碳化硅等新型纳米复合陶瓷。

纳米材料与医学药物领域的交叉是必然的发展趋势．美国MIT己成功研究了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物，称为“生物导弹”，即在磁性三氧化二铁纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射进人体血管，通过磁场导航输运到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等由于药物产生的副作用。纳米微粒在医疗临床诊断及放射性治疗等方面的应用，如在人体器官成像研究中，纳米微粒可以作为增强显示材料进入核磁共振生物成像领域． 纳米结构研究的进展和趋势。

著名的诺贝尔奖金获得者费曼早就提出一个令人深思的问题：“如何将信息储存到一个微小的尺度?令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息„„，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹．”今天，纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响．费曼的预言已成为世纪之交科学家员感兴趣的研究热点。 纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵的一个重要的分支学科，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的研究热点．20世纪如年代中期，有关这方面的研究取得重要的进展，研究的势头将延续到2l世纪的初期。

所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础．按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维的、二维的、三维的体系．这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞．以原子为单元有序排列可以形成为有自身特点的，相对独立的一个新的分支学科。

关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。

所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和二维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等．这里，人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好比人们用自己制造的部件装配成非生命的实体(例如机器、飞机、汽车、人造卫星等)一样，人们同样可以形成具有各种对称性的和周期性的固体，人们也可以利用物理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量子线．以纳米尺度的物质单元作为一个基元、按一定的规律排列起来、形成—维、二维、三维的阵列称之为纳米结构体系．所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。

纳米结构由于它具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子藕合效应和协同效应等．其次，这种纳米结构体系很容易通过外场(电、磁、光)实现对其性能的控制，这就是纳米超微型器件的设计基础，从这个意义上来说，纳米结构体系是一个科学内涵与纳米材料尚存在既有联

系．又有—定差异的一个新范畴，目前的文献上已出现把纳米结构体系与纳米材料并列起来的提法，也有人从广义上把纳米结构体系也归结为纳米材料的一个待殊分支。

把两个人造超原子组合到一起，利用耦合双量子点的可调隧穿的库仑堵塞效应研制成超微型的开关；上述工作都是近几年来纳米结构体系与微型器件相联系的具体例子，虽然仅是实验室的成果，但它却代表了纳米材料发展的一个重要的趋势，从这个意义上来说，纳米结构和量子效应原理性器件是目前纳米材料研究的前沿，并逐渐用自己制造的纳米微粒、纳米管、纳米棒组装起来营造自然界尚不存在的新的物质体系，从而创造新的奇迹。

从基础研究来说，纳米结构的出现，把人们对纳米材料出现的基本物理效应的认识不断引向深入．无序堆积而成的纳米块体材料，由于颗料之间的界面结构的复杂性，很难把量子尺寸效应和表面效应对奇特理化效应的机理搞清楚．纳米结构可以把纳米材料的基本单元(纳米微粒、纳米丝、纳米棒等)分离开来，这就使研究单个纳米结构单元的行为、特性成为可能。

更重要的是人们可以通过各种手段对纳米材料基本单元表面进行控制，这就使我们有可能从实验上进一步调制纳米结构中纳米基本单元之间的间距，进一步认识他们之间的藕合效应．因此，纳米结构出现的新现象、新规律有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米材料体系的理论框架奠定基础。

我国台湾兴竹的高科技开发区的电子产品在20世纪90年代初期也得到了较快的发展，他们在厚膜电路、电子封装材料和陶瓷基板材料以及各种浆料的生产名列当今世界前茅．我国现有52个高新技术开发区，高科技产品占国民经济总产值2％一3％，目前还缺乏有显示度的在市场上有较强竞争力的高科技产品，如何改变这种局面，抓住机遇，参与国际竞争，纳米材料的应用为振兴我国高技术产业提供了机会。

在纳米器件和分子电子器件方面应布署力量选择条件好，实力强的科学院单位和高校的重点实验室进行目标明确的基础相应用研究，同时，用开发出来的纳米材料通过纳米复合对传统产业进行政造．提高高科技含量．纳米材料在高科技领域的应用应注意以下几个方面：

(1)能源新型光电转换、热电转换材料及应用；高效太阳能转换材料及二次电池材料；纳米材料在海水提氢中的应用。

(2)环境：光催化有机物降解材料、保洁抗菌涂层材料、生态建材、处理有害气体减少环境污染的材料。

(3)功能涂层材料(具有阻燃、防静电、高介电、吸收散射紫外线和不同频段的红外吸收和反射及隐身涂层)。

(4)电子和电力工业材料、新一代电子封装材料、厚膜电路用基板材料、各种浆料、用于电力工业的压敏电阻、线性电阻、非线性电阻和避雷器阀门；新一代的高性能PTC，NTC，和负电阻温度系数的纳米金属材料。

(5)新型用于大屏幕平板显示的发光材料包括纳米稀土材料 (6)超高磁能第四代稀土永磁材料。