纳米材料应用.pdf
第26卷第2期2004年2月武汉理工大学学报JOURNAL OFWUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.26No.2Feb.2004纳米材料应用谢济仁,邵刚勤,易忠来,段兴龙(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)摘要:纳米材料和技术是21世纪“最有前途的材料”和“决定性的技术”。文章综述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生物医药等方面的应用和在世界各主要国家的应用现状,并对纳米材料的应用前景进行了展望。关键词:纳米材料;纳米技术;应用中图分类号:TB 383文献标识码:A文章编号:167124431(2004)0220017204收稿日期:2003209228.基金项目:国家863高技术研究发展计划(2002AA 302504)和武汉理工大学科研基金(XJJ2002066,2003XJJ200)1作者简介:谢济仁(19532),男,讲师 1E2mail:有科学家预言,在21世纪纳米材料将是“最有前途的材料”,纳米技术甚至会超过计算机和基因学,成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992年开始召开(两年一届),并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010年纳米技术市场为14 400亿美元,美国政府自2000年克林顿总统启动国家纳米计划以来,已经为纳米技术投资了大约20亿美元。同时,欧盟在20022006年期间将向纳米技术投资10多亿美元。日本2002年的纳米技术开支已经从1997年的1.20亿美元提高到7.50亿美元。1纳米材料应用特性纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率,其对蠕变、超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强(受均匀腐蚀而不同于粗晶材料的晶界腐蚀)。因此,纳米材料表现出的力、热、声、光、电、磁性等,往往不同于该物质在粗晶状态时表现的性质。与传统粗晶材料相比,纳米材料具有高强度?硬度、高扩散性、高塑性?韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能。可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域1。1.1力学性能高韧、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题。纳米结构材料的硬度(或强度)与粒径成反比(符合Hall2Petch关系式)。在纳米材料中位错密度非常低,位错滑移和增殖采取Frank2Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般也比晶粒大,所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生,此即纳米晶强化效应。碳化钨2钴(WC2Co)硬质合金(金属陶瓷)作为刀具材料已有50多年的历史,其力学性能一直没有大的提高。美国Rutgers大学、中国武汉理工大学(原武汉工业大学)的研究者经研究发现,混合烧结和晶粒粗大是其主要原因,而当运用纳米复合技术制成超细甚至纳米晶粒材料时,它的高硬度、高强度、高韧性等优越性能使之在制作集成电路板微型钻头、点阵打印机打印针头、精密工模具、难加工材料刀具等领域占据了无以替代的地位25。美国3 M公司开发的N extel 610“超级陶瓷”中使用了纳米多晶 2A l2O3纤维,抗弯强度高达2.4 GPa,弹性模量达380 GPa,高温蠕变率(1 100?70M Pa)为110-7?s。将这种纤维与200 nm针状莫来石复合(4555,质量分数)制成的材料在1 200还保持其85%的拉伸强度。该公司开发的另一种多晶纤维N extel 720,由85%的多晶 2A l2O3纤维和15%的Si O2组成,其高温蠕变性大大改善,高温蠕变率(1 100?70M Pa)达110-10?s。这些材料可用于在制造苛刻条件下使用的燃气轮机、新型汽车、航天飞机的零部件6,7。1.2磁学性能新一代计算机硬盘系统中磁记录密度超过1155 Gb?cm2,在这种密度下,传统的感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头(后者的磁致电阻效应为3%)已不能满足需求,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1171 Gb?cm2。同时,纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似的线形关系,可用作新型的磁传感器材料8,9。2Fe2O3?高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO3和FeF3等透明磁体(磁性 3 A?(W bg)至少高1个数量级(虽然透光性略低一些),可在磁光系统、磁光材料中得到应用10,11。1.3电学性能由于晶界上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属绝缘体转变(SI M IT)。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制得的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点,可望全面取代常规半导体器件1214。德国和美国科学家在2001年初用碳纳米管制备出了纳米晶体管,显示出很好的晶体三极管放大特性。荷兰Delft大学在低温下测量了碳纳米管的三极管放大特性,并研制成功了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入,科学家研究出了碳纳米管组成的逻辑电路15,16。1.4热学性能纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值,这是由于界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。预计在蓄热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其用武之地17,18。如Cr2Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,可以有效地将太阳光能转变为热能。1.5光学性能纳米粒子的粒径远小于光波波长,与入射光有交互作用,光透性可通过控制粒径和气孔率而精确控制,在感应和光过滤场合有广泛应用。由于量子尺寸效应,纳米半导体微粒的吸收光谱普遍存在蓝移现象,其光吸收率很大,因此可应用于红外线感测器材料19,20。1.6生物医药材料纳米粒子比红血球(69m)小得多,可以在血液中自由运动,利用纳米粒子研制成机器人,注入人体血管内,可以对人体进行全身健康检查和治疗,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物等,还可吞噬病毒,杀死癌细胞。在医药方面,可在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品,纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便21,22。2纳米材料应用现状从1989年至今,国际上已有多家厂商相继将纳米粉末及纳米元件产业化,其中以美、日居多,国内在国际环境影响下也成立了一些纳米材料开发公司,但影响力不大。1)美国2001年通过“国家纳米技术启动计划”(N ational Technology Initiative),年度研究拨款由2亿美元增至5亿美元。美国科技战略的重点已由过去的国家信息通信基础构想转向国家纳米技术计划。布什总统上台后,制定了新的发展纳米技术的战略目标:到2010年,在全国培养80万名纳米科技人才,纳米科技创造的GDP要达到1万亿美元,提供200万个就业机会。2003年3月,在政府的支持下,英特尔、惠普、I BM和康柏4家公司正式成立研究中心,在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。道氏化学、杜邦、柯达休斯电子、摩托罗拉、施乐等都建立了纳米研究团体。许多大学也建立了一系列纳米技术研究中心。在商业上,纳米技术已被用于陶瓷、金属和聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂和化妆品、电子元件等的制备。目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等方面处于领先地位。2)日本在纳米设备和强化纳米结构领域具有优势。日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大81武汉理工大学学报2004年2月重点领域,加大预算投入,制定了严密而宏伟的“纳米技术发展计划”:到2010年,将完成纳米构造有关的物性和机理的探明和解析,完成纳米技术体系的整体构建,培育开创出新的产业,并且为其它领域和行业提供基础技术支撑。同时,日本各大学、研究机构以及企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技术的开发潮流中。3)欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。早在“尤里卡计划”中已将纳米材料技术研究列入,现在又将纳米技术列入欧盟20022006年科研框架计划。目前法国欧洲研究中心正全力开发纳米材料及其气敏元件;德国Plasmachem公司推行控制爆炸、真空电弧、高温电浆喷射、低温电浆合成等技术生产超微陶瓷和金属粉体;Speicher2Technologie公司则进行超微颗粒在石油蜡相变材料中的应用研究。4)中国20世纪80年代,“纳米材料科学”列入国家“863”计划、攀登计划和国家自然科学基金项目,已投资了上亿元资助了有关纳米材料和技术的研究,但目前我国纳米技术水平与美、日、英、德等发达国家差距还较大,居世界第7(超微颗粒技术居世界第4),处于一种临界态,即可能一飞冲天、也可能长时间在僵局中徘徊。目前,中国共有50多家大学,21家研究所和323家企业从事纳米研究。迄今为止,我国已建立了10多条纳米技术生产线,以纳米技术注册的公司近百个,生产Si O2、CaCO3、BaTi O3、In2O3、SnO2、Ti O2、A l2O3、ZrO2、ZnO、Fe、N i、生物化学纳米粉末等。3预测与展望经过世界众多科学家对纳米技术的探索,目前研究人员已经能在实验室操纵原子,纳米技术已经得到了很大的发展。目前纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等4大领域快速发展。可以预见:随着研究的深入,金属氧化物半导体场效应晶体管、平面显示器用发光纳米粒子和纳米复合物、光子晶体将应运而生;集成电路中单电子晶体管、记忆及逻辑器件、分子化学组装计算机将投入应用;原子、分子、簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、电子鼻、集成生物化学传感器、人体传感器及调节器等将被制造出来。诺贝尔奖获得者罗雷尔预言:上世纪70年代重视微米的国家如今都成为发达国家,现在重视纳米技术的国家很可能成本世纪先进的国家。挑战严峻,机遇难得,必须加倍重视纳米科技的研究,注意纳米技术与其它领域的交叉,加速知识创新和技术创新,为21世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。人类将因纳米材料和技术的变革而发生根本性变化。纳米材料和技术方兴未艾,虽然部分产品已产业化,但整体上仍处于实验研究和小规模生产阶段,材料研究者任重道远。参考文献1Suryanarayana C,Koch C C.N anocrystalline M aterials2current Research and Duture D irectionsJ.Hyperfine Interac2tions,2000,130:544.2邵刚勤,吴伯麟,魏明坤,等 1 超细晶粒WC硬质合金的研制动态J 1 武汉工业大学学报,1999,21(6):182013Berger S,Porat R,Rosen R.N anocrystallineM aterials:A Study ofWC2based HardM etalsJ.Progress inM aterials Sci2ence,1997,42:31132014Shao G Q,W u B L,Duan X L,et al.N anocrystalline Grains&Superfine Particles of Tungsten Carbide2cobalt PowdersA.Bansal N P,Singh J P.Innovative Processing?Synthesis:Ceram ics,Glasses,Composites I V C.Ohio:TheAmerican Ceram ic Society,20001375383.5Shao G Q,W uB L,Duan X L,et al.Low Temperature Carbonization ofW2Co Salts PowderA.Ersan U stundag,GaryFishman.23rdA nnual Conference on Composites,A dvanced Ceram ics,M aterials and Structures:AC.Ohio:TheAmerican Ceram ic Society,1999.455016W ilson D M.Statistical Tensile Strength ofN extelTM610 andN extelTM720 FibresJ.JournalofM aterials Science,1997,32(10):25352542.7Dassios G,Steen M,Filiou C.M echanical Properties of A lum ina N extelTM720 Fibers at Room and Elevated Tempera2tures:Tensile Bundle TestingJ.M aterials Science and Engineering A,2003,349:6372.8A raki Satoru,SanoM asashi,L i Shuxiang.W hich Spin V alve forN ext GiantM agnetoresistance Head Generation?(Invit2ed)J.Journalof Applied Physics,2000,87(9):5377538219Inomata K.GiantM agnetoresistance and Its Sensor ApplicationsJ.Journalof Electroceram ics,1998,2(4):283293110Ziolo R F,Giannelis E P,W einstein B A,et al.M atrix2mediated SynthesisofN anocrystalline 2ferricOxide,aN ew Op291第26卷第2期谢济仁,等:纳米材料应用tically TransparentM agneticM aterialJ.Science,1992,257:219223111徐钿,王立.原位聚合制备高分子功能纳米复合材料的研究J.武汉理工大学学报,2002,24(9):2526112Taiis S T,V erschueren A R M,Dekker C.Room2temperature Transistor Based on a Single Carbon N anotubeJ.N a2ture,2000,393(6680):4952113Kycia J B,Chen J,Therrien R,et al.EffectsofD iddipation on a Surperconducting Single Electron TransistorJ.Physi2calReview Letters,2001,87(1):017002(14)114Haruyama J,Takesue I,Hasegawa T,et al.Coulomb Blockade Related to a Localization Effect in a Single Tunnel2junc2tion?Carbon2nanotube System J.Physical Review B,2001,63(7):073406(14)115Postma H W C,Teepen T,Yao Z,et al.Carbon N anotube Single2electron Transistors at Room TemperatureJ.Scien2ce,2001,293(6):7679116A chtold A,Hadley P,N akanishi T,et al.Logic Circuitsw ith Carbon N anotube TransistorsJ.Science,2001,294(4):13171320117Rupp J,Birringer R.Enhanced Specific2heat2capacity(Cp)M easurements(150300 K)of N anometer2sized CrystallineM aterialsJ.Physical Review B,1987,35(15):78877890118Turi T,Erb U.Thermal Expansion and Heat Capacity of Porosity2free N anocrystallineM aterialsJ.M aterials Scienceand Engineering A,1995,204:3438119Echenik A,Piermarini G J,Danforth S C.Fabrication of Transparent Silicon N itride From N anosize ParticlesJ.Jour2nalof American Ceram ic Society,1992,75(12):32833288120Koshida N,Koji ma A,M igita T,et al.M ultifunctional Properties of N anocrystalline Porous Silicon as a Q uantum2con2finedM aterialJ.M aterials Science and Engineering C,2002,19:285289.21Robert F.Tiny Transistors Scout for CancerJ.Science,2003,300(11):242243122王红晖,曹献英,王友法,等 1HA P纳米粒子与传统抗癌药物的抗癌效果比较J 1 武汉理工大学学报,2003,25(3):31331The Application of Nanocrystalli neMateri alsX IE J i2ren,SH AO Gang2qin,Y I Zhong2lai,DUAN X ing2long(State Key Laboratory of A dvanced Technology forM aterials Synthesis&Processing,WU T,W uhan 430070,China)Abstract:N anocrystallinematerials have boundlessprospects and nano2technology is the decisive technology in the 21st centu2ry.The paper review s its application in mechanics,magnetics,electrics,thermotics,photics,biomedicine,etc.and the applica2tion actualities in the major countries.Applied outlook is also forecasted.Key words:nanocrystalline materials;nano2technology;application02武汉理工大学学报2004年2月
