納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometermaterial),是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度,它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且,其尺度已接近光的波長(zhǎng),加上其具有大表面的特殊效應(yīng),因此其所表現(xiàn)的特性,例如:熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等,往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。
納米材料一般分為:納米微粒、納米薄膜(多層膜和顆粒膜)、納米固體。
納米微粒是納米體系的典型代表,一般為球形或類球形(與制備方法密切相關(guān)),它屬于超微粒子范圍(1~1000nm)。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因,它具有不同于常規(guī)固體的新特性,也有異于傳統(tǒng)材料科學(xué)中的尺寸效應(yīng)。比如,當(dāng)尺寸減小到數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)納米時(shí),原來(lái)是良導(dǎo)體的金屬會(huì)變成絕緣體,原為典型共價(jià)鍵無(wú)極性的絕緣體其電阻大大下降甚至成為導(dǎo)體,原為p型的半導(dǎo)體可能變?yōu)閚型。常規(guī)固體在一定條件下其物理性能是穩(wěn)定的,而在納米態(tài)下其性能就受到了顆粒尺寸的強(qiáng)烈影響,出現(xiàn)幻數(shù)效應(yīng)。從技術(shù)應(yīng)用的角度講,納米顆粒的表面效應(yīng)等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁記錄、涂料、傳熱、雷達(dá)波隱形、光吸收、光電轉(zhuǎn)換、氣敏傳感等方面有巨大的應(yīng)用前景。
納米薄膜是由納米晶粒組成的準(zhǔn)二維系統(tǒng),它具有約占50%的界面組元,因而顯示出與晶態(tài)、非晶態(tài)物質(zhì)均不同的嶄新性質(zhì)。比如,納米晶Si膜具有熱穩(wěn)定性好、光吸收能力強(qiáng)、摻雜效應(yīng)高、室溫電導(dǎo)率可在大范圍內(nèi)變化等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)估計(jì),納米薄膜將在壓阻傳感器、光電磁器件及其它薄膜微電子器件中發(fā)揮重要作用。
納米固體是由大量納米微粒在保持表(界)面清潔條件下組成的三維系統(tǒng),其界面原子所占比例很高,因此,與傳統(tǒng)材料科學(xué)不同,表面和界面不再往往只被看成為一種缺陷,而成為一重要的組元,從而具有高熱膨脹性、高比熱、高擴(kuò)散性、高電導(dǎo)性、高強(qiáng)度、高溶解度及界面合金化、低熔點(diǎn)、高韌性和低飽和磁化率等許多異常特性,可以在表面催化、磁記錄、傳感器以及工程技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。
總體而言,目前對(duì)納米材料的研究主要有兩個(gè)方面。一是探索新的合成方法,發(fā)展新型的納米材料。二是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征等,對(duì)照常規(guī)材料探究納米材料的特殊規(guī)律,建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。
納米材料的分類:
1.按照材質(zhì),可分為金屬納米材料、無(wú)機(jī)納米材料、有機(jī)納米材料等;
2.按照幾何結(jié)構(gòu),可分為零維納米材料(顆粒)、一維納米材料(納米管或纖維)、二維納米材料(薄膜)、三維納米材料(納米塊體);
3.按照用途,可分為功能納米材料和結(jié)構(gòu)納米材料;
4.按照特殊性能,又可分為納米潤(rùn)滑劑、納米光電材料、納米半透膜等等
納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟,是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
納米粉末:又稱為超微粉或超細(xì)粉,一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒,是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料??捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧希晃[身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料;微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進(jìn)的電池電極材料;太陽(yáng)能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等);人體修復(fù)材料;抗癌制劑等。
納米纖維: 指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料??捎糜冢何?dǎo)線、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料;新型激光或發(fā)光二極管材料等。
納米膜: 納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起,中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。可用于:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;過(guò)濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導(dǎo)材料等。
納米塊體: 是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為:超高強(qiáng)度材料;智能金屬材料等。
從尺寸大小來(lái)說(shuō),通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下(注1米=100厘米,1厘米=10000微米,1微米=1000納米,1納米=10埃),即100納米以下。因此,顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱為超微粒材料,也是一種納米材料。
納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的,后來(lái)相繼問(wèn)世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。