奈米技術是20世紀80年代末延生並崛起的高科技,它的基本涵義是指在奈米尺寸範圍內研究物質的組成,通過直接操縱和安排原子、分子而創造新物質。奈米技術的出現標誌著人類的認知領域已拓展至原子、分子水平,標誌著人類科學技術的新時代———奈米科技時代的來臨。奈米技術是一門以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術,是現代科學(量子學、分子生物學)和現代技術(微電子技術、計算機技術、高分辨顯微技術和熱分析技術)結合的產物。
奈米技術在不斷滲透到現代科學技術的各個領域的同時,形成了許許多多的與奈米技術相關的研究奈米自身規律的新興學科,如:奈米物理學、奈米化學、奈米材料學、奈米生物學、奈米電子學、奈米加工學及奈米力學等,正是這些新興學科構成了奈米科技的主要內容。
3.奈米材料及其特性
廣義上,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或由它們作為基本單元構成的材料,即奈米材料是物質以奈米結構按一定方式組裝成的體系,或奈米結構排列於一定基體中分散形成的體系,包括奈米超微粒子、奈米塊體材料和奈米複合材料等。組成奈米材
料的基本單元在維數上可分為三類:①零維。指在空間三維尺寸均在奈米尺度內。
如奈米尺度顆粒、原子簇等;②一維。指在空間有兩維處於奈米尺度,如奈米絲、奈米棒、奈米管等;③二維。是指在三維空間中有一維處於奈米尺度,如超薄膜、多層膜、超晶格等。
構成奈米材料的物質的類別可以有多種,分為金
屬奈米材料、半導體奈米材料、奈米陶瓷材料、有機-無機奈米複合材料及奈米介孔固體與介孔複合體材料等。
處於奈米尺度下的物質,其電子的波性以及原子之間的相互作用將受到尺度大小的影響,諸如熔點、磁學效能、電學效能、光學效能、力學效能和化學活性會出現與傳統材料迥然不同的性質,表現出的獨特效能無法用傳統的理論體系解釋。以下總結了導致奈米材料表現獨特效能的4種基本效應。
3.1表面效應
當微粒的直徑降低到奈米尺度時,其表面粒子數、表面積和表面能均會大幅增加。由於表面粒子的空位效應,周圍缺少相鄰的粒子,出現表面粒子配位不足;同時高的表面能也使得表面原子具有高的活性,極不穩定,易於通過與外界原子結合而獲得穩定,如金屬的奈米顆粒在空氣中會燃燒,無機的奈米顆粒暴露在空氣中會吸附氣體並與氣體發生反應,皆由表面效應所致。
3.2小尺寸效應
隨著顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。奈米顆粒尺寸小,比表面積大,在熔點、磁學效能、電學效能和光學效能等都較大尺寸顆粒發生了變化,產生出一系列奇異的性質。如金屬奈米顆粒對光的吸收效果顯著增加,而直徑為2 nm的金和銀的奈米顆粒,其熔點分別降為330℃和100℃。
3.3量子尺寸效應
處於奈米尺度的材料,其能帶將裂分為分立的能級,即能級的量子化,而金屬大塊材料的能帶,可以看成是連續的。奈米材料能級之間的間距隨著顆粒的尺寸的減小而增大。當能級間距大於熱能、光子能量、靜電能以及磁能等的平均能級間距時,就會出現一系列與塊體材料截然不同的反常特性,這種效應稱之為量子尺寸效應。
量子尺寸效應將導致奈米微粒在磁、光、電、聲、熱以及超導電性等特性與塊體材料的顯著不同,例如,奈米顆粒具有高的光學非線性及特異的催化效能。
3.4巨集觀量子隧道效應
微觀粒子具有穿越勢壘的能力稱之為隧道效應。近年來,人們發現一些巨集觀的物理量,如微小顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有隧道效應,它們可以穿越巨集觀系統的勢壘而產生變化。這種效應和量子尺寸效應一起,將會是未來微電子器件的基礎,它們確定了微電子器件進一步微型化的極限。
4結語奈米技術以其帶給人類的全新的對物質領域的認識,無疑正在掀起一場技術革命。奈米技術已經向我們初步展示了在新材料、新能源、計算機技術、生物醫學以及航天領域中的應用。同時,奈米技術並不是孤立的,它涉及到如量子力學、材料科學、膠體化學、物理化學、高分子化學、生物化學、凝聚態物理和微電子技術學等諸多領域學科,因此,只有進行多學科的交叉滲透,才能更好地有助於我們認識奈米科學,掌握奈米技術。
參考文獻
[ 1 ]張立德,牟季美·奈米材料和奈米結構[m].北京:科學出版社,2001·
[ 2 ]張立德·奈米材料[m].北京:化學工業出版社, 2000
[ 3 ] 方云,楊澄宇·奈米技術與奈米材料（1）[j]
奈米技術的發展和展望
奈米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1 100奈米範圍的結構的製備和表徵。在這個領域的研究舉世矚目。無論是從基礎研究 探索基於非經典效應的新物理現象 的觀念出發，還是從應用 受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特徵尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使 的角度來看，奈米結構都是令人極其感...
奈米材料與奈米結構
一 課程基本資訊 課程編號 13103106 課程類別 專業核心課程 適應專業 材料物理 總學時 54學時 學分數 3學分 課程簡介 奈米技術和奈米材料科學是20世紀80年代末發展起來的新興學科。由於奈米材料具有許多傳統材料無法媲美的奇異特性和非凡的特殊功能，因此在各行各業中將有空前的應用前景，它將...
奈米材料與技術講稿
第二講奈米材料 一 引言 在人類科技發展的歷史長河中，紿終朝兩個目標奮鬥 乙個是向著越來越大 越遠的巨集觀世界進軍，發明了望遠鏡向著世界的廣度進軍，探索宇宙的起源和進化 另乙個是向著越來越小 越深的微觀世界發展，發明了各種顯微鏡 粒子加速器，向著分子 原子 原子核 基本粒子的微觀層次不斷地探索物質起...