细微颗粒

综述

纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。

纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。

细微颗粒一般不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；一般原子团簇具有量子效应和幻数效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。

纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。

基本性质

纳米粉体材料的性质与以下几个效应有很大的关系：

（1）.

小尺寸效应

随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。

（2）.表面与界面效应

纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。

（3）.

量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。

具体从各方面说来有以下特性：

（1）热学特性

纳米微粒的熔点，烧结温度比常规粉体要低得多。这是由于表面与界面效应引起的。

比如：大块的pb的熔点600k，而20nm球形pb微粒熔点降低288k，纳米Ag微粒在低于373k时开始融化，常规Ag的熔点远高于1173k。还有，纳米TiO2在773k加热出现明显致密化，而大晶粒样品要出现同样的致密化需要再升温873k才能达到，这和烧结温度有很大关系。

（2）光学特性

宽频带强吸收

当尺寸减小到纳米颗粒时，几乎成黑色，对可见光反射率急剧下降。

有些纳米颗粒如同氮化硅，SiC及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。而ZnO、三氧化二铁和二氧化钛纳米颗粒对紫外线有一个宽频带强吸收谱。

蓝移

和红移

和大块材料相比，纳米微粒普遍吸收带存在蓝移，即吸收带移向短波长方向；而在某些条件下粒径减小至纳米级时吸收带向长波方向转移，即红移。

（3）化学性质

由于表面效应，可以做催化剂，提高反应活力。

结构表征

纳米粉体颗粒一般指一次颗粒（含有气孔率低的一种独立粒子），可以是晶态，非晶和准晶态，可以是多晶体也可以是单晶体。

对于球形颗粒来说颗粒尺寸即指其直径。则对规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径，摄影面积直径等。

下面介绍两种主要的测量方法：

透射电镜（TEM）法：拍摄多张纳米微粒图片，测量其等当半径，然后画出不同晶粒尺寸下的晶粒数分布图，将分布曲线中峰值的颗粒尺寸作为平均粒径。

X射线衍射线线宽法：测定的是晶粒尺寸而不是颗粒尺寸，由于晶粒的细小可以引起衍射线的宽化，其衍射线半强度的宽化度B与晶粒尺寸D关系可以用下式来表示：

B=0.89λ/D*角度的余弦 其中B=Bm-Bs，B只是晶粒细化引起的宽化

制备

(1)

气相法

，是指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理或化学的反应，最后冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。

具体有惰性气体冷凝法、溅射法、流动液面上真空蒸镀法、通电加热法、爆炸丝法、化学气相反应法等

（2）

液相法

，液相法制备纳米微粒的共同特点是该法均以均相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定的形状和大小的颗粒，得到所需粉末样品的前躯体，热解后得到纳米微粒。

主要的制备方法有沉淀法、水解法、喷雾法、溶胶凝胶等等

（3）

固相法

，固相法是通过从固相到固相的转变来制造粉体，对于气象和液相，分子具有大的易动度，所以集合状态是均匀的，对于外界条件来讲，反应很敏感。而固相法分子扩散很迟缓，集合状态时多种多样的。比较稳定。

主要方法有热分解法、固相反映法、火花放电法、溶出法、球磨法等

应用

由于纳米粉体材料可以压制成纳米固体。所以纳米粉体是纳米固体的基础。

（1）纳米涂层

纳米涂层是运用表面技术，将部分或全部含有纳米粉的材料涂于基体，由于纳米粉体的独特表面性质，从而赋予材料新的各种性质。

① 可以做成表面涂料从而改变物质表面的光学性质，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输等。纳米颗粒在灯泡工业上有很好的应用。对于高压钠灯，碘弧灯有69%的电能转化为红外线，只有少量的光能是可见光，并且灯管发热也会减少灯管的寿命，纳米颗粒给其提供了新的解决方案，人们利用SiO2和TiO2的纳米颗粒制成了多层干涉薄膜总厚度为微米级衬在灯管的内部不仅透光率好而且又很强的红外线反射能力。可以节省电15%.

②纳米红外涂层，也受到很多人的研究，利用二氧化硅和三氧化二铁、三氧化二铝的纳米粉末复合后就可以很强的吸收红外线，可以做成军人的衣服，既可以保暖又可以躲避敌人热频段的探测，并且重量减少30%.

③纳米紫外涂层，是利用了纳米颗粒的蓝移现象，可作为半导体紫外线过滤器。还有可以涂在塑料表面可以减缓塑料的老化，甚至可以做成防晒霜保护皮肤。

④纳米隐身技术，随着各种探测手段越来越先进，雷达发射电磁波，利用红外探测器可以探测发热体等在以后的军事斗争中，纳米隐身技术就显得很重要了。一方面由于纳米颗粒尺寸远小于红外及其雷达波的波长，因此纳米颗粒的透射率就比常规的材料要大得多，从而减少了反射率，避开了探测；另一方面，纳米微粒的表面能比常规材料要多得多，这就使纳米微粒对电磁波的吸收很强，使反射回去的电磁波轻度大大减小从而很难被发现。纳米级的硼化物，碳化物以及纳米碳管在这方面很有发展前途。

（2）

在环境保护方面的应用

矿物能源的短缺，环境污染困扰着人们，纳米材料在环境保护，环境治理和减少污染方面的应用，已经呈现出欣欣向荣的景象。纳米颗粒可以抗菌、防腐、除臭、净化空气、优化环境，便于降解等，此外还可以吸附重金属离子净化水质，吸附细菌，病毒，有毒离子等。

（3）

纳米粒子光催化

光催化可以用于环保，降解农药，有机物等。由于纳米粒子粒径小，比表面积大，光催化效率高；另外纳米粒子生成的电子、空穴在达到表面大部分不会重新结合，因此空穴低，化学反应活性高。

纳米碳管

纳米粉体材料之星纳米碳管

纳米碳管，管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形平面的圆柱面。

纳米碳管

纳米碳管由1991年日本科学家发现，具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管，储氢材料。我国自制的碳管储氢能力达到4%，据世界领先水平。1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。

当前，我国科学家不仅在世界上合成出最长的碳纳米管，而且加紧了碳纳米管的应用研究，研制出具备良好储氢性能的碳纳米管和具备初步显示功能的碳纳米管显示器，并在利用其电子发射性能研制发光器件。