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源和結構。19世紀末到20世紀初，人們對微觀世界的認識已延伸到十分微小的層次，時間已縮短到納(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飛秒(10-15秒)的數量級。
描述這些微觀體系的學科相繼建立，如原子核物理、粒子物理、量子力學等。在向著這兩個極端目標無盡的征途中，人們驀然回首，發現我們對原子．分子和巨集觀物體之間的中間領域，即奈米領域，卻尚未認識和開拓。
20世紀60 年代人類社會進入了乙個被稱為「後工業社會」、「資訊社會」、「新經濟社會」、「知識社會」等擁有多種名稱的社會。科學家已經在新材料和新加工技術的開發中創造新的社會文化。在材料科學的積累和進步中，以及在探測材料組織裝置的不斷更新和完善的基礎上，資訊與通訊材料、電子材料、光子材料正創造著「資訊時代」；航空航天材料、高聚物、複合材料等也開創了「太空時代」；醫學材料、高階陶瓷、生物材料、轉基因食物、轉殖材料又開啟了「生命複製時代」等等。
在這些不同領域的功能材料的背後，人們都可以發現一種材料的身影，那就是方興未艾的奈米材料。人們發現，奈米材料出現許多既不同於巨集觀物體，也不同於微觀體系的奇異效能，而且，這個領域才是對人類自身關係最密切的物質層次，於是人們又回過頭「重整舊山河」，集中精力開展奈米科技的研究。
20世紀80年代，奈米科學技術的出現標誌著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人類科學技術已進入乙個新的奈米科學技術時代，人類即將從「公釐文明」和「微公尺文明」邁向「奈米文明」。 21世紀以奈米技術為代表的新興科技將給人類帶來第三次工業革命，奈米科學技術的發展將推動資訊、材料、能源、環境、生物、農業、國防等領域的技術創新，給傳統產業帶來極大的變革，進而為人類創造出許多新材料、新產品，徹底改變人們千百年來形成的生活習慣和生產模式。所以，奈米技術必將成為21世紀的科技發展的領頭羊。
二、什麼是奈米材料？
奈米是乙個尺度的度量，最早把這個術語用到技術上是2023年底在日本出現，但是以「奈米」來命名的材料是在20世紀80年代。它作為一種材料的定義把奈米顆粒限制到1-100nm範圍，或者是把組成相或晶粒結構控制在100奈米以下的長度尺寸的材料稱為奈米材料，也可以說奈米材料的平均粒徑或結構疇尺寸在100nm以下。它的整個涵義是在奈米尺寸(10-10一10-7m)範圍內認識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創造新物質。
在奈米材料發展初期，奈米材料是指奈米顆粒和由它們構成的奈米薄膜和固體。現在，廣義地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內，或它們作為基本單元構成的材料。如果按維數、奈米材料的基本單元可分為三類：
①零維，指在空間三繼尺度均在奈米尺度，如奈米尺度顆粒、原子團簇等；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，指在三維空間中有—維在奈米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。因為這些單元往往具有量子性質，所以，對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點、量子線和量子阱之稱。
按照材料的幾何形狀特徵，可以把奈米材料分類為：(1)奈米顆粒與粉體(屬零維)；(2)奈米碳管和一維奈米線、奈米管(一維)；(3)奈米帶材(二維)；(4)奈米薄膜(二維)；(5)孔材料，如多孔碳、分子篩等。
奈米材料自身包括體積分數近似相等的兩部分，一是直徑為幾或幾十奈米的粒子，二是粒子間的介面，而且這兩部分的比例隨材料粒徑的減小發生變化。可以預料，奈米材料的性質會區別於，而且往往優於那些由粗晶粒組成的傳統材料。
三、熟悉的奈米材料
3.1、最早的人工奈米材料—墨
我國的漢字是至今通行的世界上最古老的文字。從甲骨文經過金文、大篆、小篆、草書、隸書、楷書、行書發展到今天的漢字，已有3000多年的歷史，在全世界還找不出第二種。漢字的優點之一是本身具有巨大的美感，是世界上能成為書法藝術品的最主要文字。
用筆和和墨創造書法藝術是我中華文化的一絕。著名的文房四寶中的墨就包含碳的奈米微粒。我國古代的勞動人民早就掌握了用簡單方法獲得奈米材料。
2000多年前，他們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經冷凝後變成很細的碳粉。這種碳粉不但是製墨的原料，而且還可以用做染料。用這種方法獲得的碳粉實際上就是奈米粉體。
但我們的祖先並不知道奈米材料的概念，也沒有任何手段來分析這些奈米小顆粒，然而，他們卻知道用這種方法獲得的超紉碳粉所做成的墨具有良好的效能。
我國最著名的墨要算安徽出產的徽墨，用其寫的毛筆字有光澤且較長時間不褪色。製作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱(tai)，也就是煙凝結成的黑灰。製墨時所用的黑灰越細，墨的保色時間越長。
徽墨用奈米級大小的松菸炱（即所謂「精煙徽墨」）和樹膠及少量香料及水份製成，所以很名貴，書寫的毛筆字能保持較長時間不褪色。
我們的祖先很早就開始同黑灰打交道。從距今180萬年前的山西芮城，170萬年前的雲南元謀，80萬年前的陝西藍田，60萬年前的北京周口店山洞裡，都發現了碳灰，而碳灰的尺度大大小小，其中就有奈米級的顆粒，甚至在灰燼中已有今天才認識的碳奈米管和巴基球(c60)。我們的漢字青春常在，是否同我們的祖先最早懂得使用碳奈米材料有必然的聯絡呢？
3.2、人工奈米塗層
中國古代銅鏡表面的防鏽層，經檢驗證實為奈米氧化錫顆粒構成的—層薄膜；湖北江陵出土的勾踐劍到今天仍然鋒利，沒有鏽蝕，這也歸功於劍身表面的奈米氧化物塗層。雖然當時人們並不知道塗層是由人肉眼根本看小到的奈米尺度小顆粒構成，但卻懂得使用它們來保護自己的工具。
3.3、天然奈米材料—觀音土
在我國的歷史上，每當遇到災害和戰亂的時候，觀音土這個名詞就會經常出現。窮人在青黃不接時或災荒年間，常常靠吃觀音土活命。在微觀上，觀音土究竟什麼樣？
最近，中外科學家們都開始關注觀音土，發現觀音土其實是一種天然的奈米孔材料。人造奈米材料有成團、難分散、不穩定三大困難，而且暫時還不能完全克服。自然界的觀音土，即矽藻土沒有這三大困難。
矽藻土是矽藻這種單細胞藻類生物留下來的遺體，大約距今2500萬年以前，矽藻曾是地球上的主人，幾乎有水的地方就有它們的存在。矽藻死亡後的殘骸沉積到水底被埋藏起來形成了生物沉積岩，就是今天所看到的矽藻土。從電子顯微鏡所拍到的**，可見矽藻土的各種形態。
它們的形體尺寸一般為幾個微公尺到幾十微公尺，最小也有一微公尺。其殼壁由非晶質二氧化矽和果膠組成，殼縫為125奈米左右。對殼壁上點紋、線紋觀察後發現，它們都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20-100奈米。
所以矽藻土是天然的奈米孔材料。提純、改性後的矽藻精土在處理城市汙水等方面已表現出獨特的效能。
3.4、生物中的奈米結構和奈米材料
大千世界無奇不有，最奇妙、最複雜的莫過於有機物生命體的生物世界了。從原於和分子的角度看，又是那麼簡單，這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、矽、硫、鐵、鈉，再加上一些微量元素所組成，而且它的生、老、病、死、遺傳、變異等都是在自然條件下靜悄悄地進行的，用不著高溫、高壓、高真空等等的苛刻條件。生物多樣性及其複雜性的**，不是主要決定於組成它的原於和分子，而是決定於這些原子和分子在奈米尺度上的結構，以及奈米尺度上的生命運動規律。
自然界中早就存在奈米微粒和奈米結構，只是我們沒有注意到而已。
3.4.1、自潔的荷花
周敦頤所著的《愛蓮說》中對荷花有一句深刻的描寫，至今仍然膾炙人口：「出淤泥而不染，濯清漣而不妖」。從這兩句描寫中可以看出，古人已經發現荷葉具有很強的自潔作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。
正是荷葉的乾淨清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。今天人們發現，荷葉葉面部具有較強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土汙泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持乾淨，這就是著名的「荷葉自潔效應」。楊萬里—映日荷花別樣紅
那荷葉為什麼能出汙泥而不染？為什麼會有這種「荷葉效應」?從荷葉的基本化學成分來看，荷葉是由葉綠素、纖維素、澱粉等多醣類的碳水化合物組成，因而擁有豐富的-oh、-nh等極性基團。
這些極性基團在自然環境中很容易吸附水分或汙漬，因此用傳統的化學分子極性理論來解釋是行不通的。有些科普書中是這樣解釋的：「出水荷葉上濺了水滴，由於荷葉上有細毛，水不能吸附在荷葉上」。
荷葉上有細毛這一點，憑手感就能察覺，但其表面根本達不到機械學意義上的粗糙度，因而從機械學的粗糙度來解釋也不行，經過兩位德國科學家的長期觀察研究，終於揭開荷葉自潔的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常複雜的多重奈米和微公尺級的超微結構。在超高解析度顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著乙個挨乙個隆起的「山包」，「山包」的平均大小約為10微公尺，平均間距約12微公尺。
而這些「山包」又是由許多直徑為200nm左右的突起組成的。這樣就在「微公尺結構」上再疊加上「奈米結構」，在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數「小山」。在「小山」之間的凹陷部分充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有奈米級厚度的空氣層。
這就使得在尺寸上遠大於這種結構的灰塵、雨水等降落在葉面上面，只能同葉面上「山包」的凸頂形成幾個點接觸，在「山頭」間跑來跑去，卻不能進入到荷葉內部。於是荷葉便有了疏水的效能。水滴在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，並滾出葉面，這就是荷葉能自潔的奧妙所在。
研究表明，這種具有自潔效應的表面超微奈米結構形貌，不僅存在於荷葉中，也存在於其他植物中，以及某些動物的皮毛中。
3.4.2、海洋的真正主人
浩瀚的海洋就是乙個龐大越微粒的聚集場所。原先認為海洋中非生命的亞微公尺的粒子(0.4—1.
0μm)具有很豐富的濃度．約為106—107/毫公升，最近威爾斯等人在南太平洋發現小於120nm的海洋膠體料子的濃度至少是這種亞微公尺粒子的3倍。這些奈米粒子才是真正的海洋主人，對海洋的運動、海洋中的各種生命等有著重要影響。通過對這些奈米粒子的研究，可以獲取海洋、生命的起源以及獲取開發海洋資源的資訊。
3.4.3、戀家的蜜蜂
蜂窩是有許多規整的六邊形蜂房組成，蜜蜂居住在其中。科學家發現，每只蜜蜂都有屬於自己的蜂房。雖然每個蜂房的形狀幾乎完全相同，但蜜蜂相互之間不會「走」錯房間。
以前人們認為蜜蜂是利用北極光或通過搖擺舞向同伴傳遞資訊來辨別方向的。最近，英國科學家發現蜜蜂的腹部存在磁性奈米粒子，這種磁性顆粒一方面具有指南針功能，蜜蜂利用這種「羅盤」來確定其周圍環境在自己頭腦裡的影象並判明方向，為其活動導航；另一方面還具有儲存器的功能，當蜜蜂靠近自己的蜂房時．它們就把周圍環境的影象儲存起來，外出採蜜歸來就啟動這種記憶，實質就是把自己儲存的影象與所看到的影象進行對比和移動，當兩個影象完全一致時．它們就明白自己又回到家了。
3.4.4、「橫行」的螃蟹
螃蟹以其獨特的「橫行」方式成為生物界中一道別緻的風景。生物科學家最近研究指出，螃蟹原先並不是象現在這樣橫行運動，而是像其他生物一樣前後運動。這是因為億萬年前的螃蟹第一對蟹螯裡有幾顆用於定向的磁性奈米微粒，就象是幾隻小指南針。
螃蟹的祖先靠這種「指南針」堂堂正正地前進後退，行走自如。但是，後來由於地殼的劇烈運動，地球的磁場發生多次劇烈的倒轉，使螃蟹體內的小磁粒失去了原來的定問作用，於是使它失去了前後行動的功能，變成了橫行。
3.4.5、全球定位的海龜
蜜蜂能夠應用磁性奈米顆粒為其活動導航只是在乙個較小的範圍內。而真正利用磁性奈米微粒導航，進行幾萬公里長途跋涉的是大海龜。美國科學家一直對東海岸佛羅里達的海龜進行了長期研究．發現了乙個十分有趣的現象；這就是海龜通常在佛羅里達的海邊上產卵，幼小的海龜為了尋找食物通常要到大西洋的另一側靠近英國的小島附近的海域生活，從佛羅里達到這個島嶼的海面再回到佛羅里達來回的路線不一祥，相當於繞大西洋一圈，需要5—6年的時間，這樣準確無誤地航行靠什麼導航？
為什麼海龜遷移的路線總是順時針的?最近美國科學家發現誨龜的頭部有磁性的奈米微粒，它們就是憑藉這種奈米微粒準確無誤地完成幾萬里的遷移。
奈米技術與奈米材料簡介
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...
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...
奈米材料與技術奈米微粒的基本理論
第二章奈米微粒的基本理論 一 小尺寸效應 二 表面效應 三 量子尺寸效應 四 巨集觀量子隧道效應 五 庫侖堵塞效應 六 介電限域效應 一 小尺寸效應 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於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 體積效應 對超微顆粒而言，尺寸變小，...