浅谈纳米材料的分类及其物理性能

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  [摘 要]自从上世纪八十年代后期出现纳米材料这一新兴材料以来,各国学者均对其表示了极大的关注,先后有众多研究学者投身于有关纳米材料的研究中,并已经取得了一定的研究成果。在这一背景下,本文将通过利用文献研究法,在结合国内外学者的相关研究成果下,着重围绕纳米材料的分类及其物理性能进行简要分析研究,希望能够有效帮助人们加深对纳米材料的理解和正确认知。
  [关键词]纳米材料;分类;物理性能
  中图分类号:TP963 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)38-0170-02
  引言:纳米材料进行几十年的发展,其目前已经演变成一门具有极强综合性与交叉性的学科,并且有专家指出在21世纪下,纳米技术的科研前途无可限量。为了使得人们能够更加深入地了解纳米材料,并将其灵活运用于实际中,需要充分了解纳米材料的具体类型以及物理性能。基于此,本文将通过以纳米材料作为主要研究对象,对其分类以及物理性能进行初步探究,以期为相关研究人员提供必要参考帮助。
  一、纳米材料的基本内涵
  纳米材料这一概念最早出现于上世纪八十年代后期,目前绝大多数研究学者认为,所谓的纳米材料指的就是由纳米颗粒以及由纳米颗粒构成的纳米薄膜与固体。其结构单元尺寸通常在1nm到100nm之间,并且拥有许多其他普通材料无法具备的优势特点。从宏观角度上来看,纳米材料在至少有一维与纳米尺度范围相符合。而经过多年的发展研究,当前与纳米材料有关的科学技术同其他众多学科之间的关系愈发紧密,在和众多学科相互交叉下,其自身的综合性愈发加强。随着研究领域的不断拓展和研究程度的进一步加深,先后出现了众多不同类型的纳米技术,包括纳米材料科学、纳米电子学与生物学等等,其中以纳米材料科学最为关键和基础。
  二、纳米材料的分类探究
  (一)维度基本单元分类
  立足于纳米材料维度基本单元,对纳米材料进行分类,其可以被细分为三种类型,分别为零维纳米材料、一维纳米材料以及二维纳米材料。其中零维纳米材料的空间三维尺度均与纳米尺度相符合,例如纳米尺度颗粒以及原子团簇。而同样站在空间三维尺度的角度,一维纳米有两维与纳米尺度相符合,一维纳米材料中比较具有代表性的纳米材料有纳米管、纳米棒等等。而二维纳米材料有一维与纳米尺度相符合,在这一类纳米材料当中,最具代表性的便是超薄膜。根据魏思怡(2016)对纳米材料的相关论述可知,在英国有学者通过长期研究发明了一种超级薄膜,这一纳米薄膜的厚度仅有0.35nm,其在重叠20万层之后厚度才能与人类的一根头发丝的厚度相接近[1]。
  (二)基于化学成分分类
  基于纳米材料化学成分的角度对其进行分类,则通常情况下可以将纳米材料细分为包括纳米金属、纳米晶体和纳米陶瓷等在内的众多不同类型的纳米材料。特别是在近些年来有关纳米材料的科学研究不断深入下,目前在纳米材料领域当中还出现了众多类型多样化的纳米高分子以及纳米复合材料。事实上,绝大多数的纳米材料为人工制备而成,因此从这一点来说纳米材料也应当归属于人工材料的范畴中。但由于自然界很早便已经有纳米微粒以及纳米固体存在,譬如人畜的牙齿的组成成分便是纳米微粒,而天体陨石碎片等也是纳米材料中的一种,因此纳米固体的存在历史已经相当漫长。
  (三)基于纳米特性分类
  基于纳米材料物理特性的角度对其进行分类,则一般可以将纳米材料细分为包括纳米半导体与铁电体、纳米热点材料等在内的众多不同类型的纳米材料。从现阶段纳米材料的发展和应用来看,在纳米材料领域当中还拥有包括纳米电子材料和光电子材料以及纳米敏感与储能材料等在内的众多纳米材料。鉴于这一材料本身具有一定的特殊性,因此当物质尺度过小的情况下,需要使用量子力学代替传统力学的观点对其行为进行描述。如果粉末粒子尺寸从原来的10μm迅速下降至10nm,虽然其粒径已经变化了1000倍,但如果进行体积换算,则仍然存在着巨大差异。眼下在电声器件、阻尼器件以及部分导航仪器和传感器当中均使用了包括纳米磁性材料、天然纳米材料等在内的众多纳米材料。
  三、纳米材料的物理性能
  在纳米粒子当中,由于原子、分子的数量相对较少,因此导致从热力学的角度来看,纳米粒子本身缺乏足够的稳定性,其物理状态始终处于一种中间状态,这也与宏观物质以及微观原子状态有着本质上的差异。进而使得纳米材料的物理性能存在着明显的特殊性。
  (一)物理性能
  如果材料组成尺寸已经处于纳米量级,则在纳米尺度范围内,原子和分子之间形成的相互作用将会对物质的宏观性质包括电学、光学等产生相应的变化影响。比如说铜的纳米晶体硬度超过纳米尺度五倍,脆性陶瓷比较容易成为具有易于变形特點的纳米材料,相比于体材料性能,半导体量子线等器件则拥有更加优越的性能。而如果晶体比纳米尺寸要小,则因受到边界限制的影响使得位错滑移会形成由于体材料的硬度。
  根据姜雪锋(2016)的相关研究可知,纳米粒子的平均粒径在10nm到100nm之间时,其比表面积区间通常在10m?/g到70m?/g这一范围内。研究人员通过利用相关专业仪器测试纳米粒子的内部结构压力,发现随着纳米粒子内部压力的不断增大,其表面张力也会随之相应增加,但内部原子间距基本保持不变[2]。学者陈娜(2014)则通过将研究重点放置在低维半导体纳米材料上,在对其结构特性以及物理性能进行分析的过程中,指出平均粒径为2nm的纳米材料,熔点大约为300℃。而块快金的熔点更高,其熔点在760℃以上[3]。由此可见,通过对纳米状态金这一特性进行灵活运用可以有效完善熔融工艺。此外还有部分研究学者通过对纳米材料及其物理性质进行研究,发现当部分物质处于晶粒纳米等级的情况下,物质磁性极有可能发生变化。比如说从原本的抗磁性变化成顺磁性。以金属锑为例,该金属本身为银白色,具有良好的光泽度,质地硬且脆,在正常情况下金属锑具有抗磁性,而通过将其转变为纳米状态,此时金属锑将会出现顺磁性,在将金属锑进行纳米化处理之后,还同时会伴随出现部分磁效应变化现象。   基本上大部分金属纳米粉末呈黑色或是其他相对较深的颜色,处于纳米粉末状态下的金属纳米粒子普遍具有较强的吸光能力。隋刚等人(2015)通过对金属纳米材料进行反复实验,发现当金属纳米颗粒在50nm以内的情况下,金属强度会有所增强。而粒径在5nm到7nm之间的纳米粒子,其铜固体硬度以及弹性强度均远远优于其他普通金属。在其研究当中同样指出,在多晶粉末以及纳米状态下,单晶基片的离子导电率有一个数量级的差别。相比于纳米单晶基片离子导电率,单晶基片要少两个数量级。另外也有研究人员指出,在低温条件下,纳米粒子能够保持良好的热导性,若将其作为催化剂则有助于提高催化效率。随着纳米粒子粒度越来越小,超导临界温度反而会越来越高。
  (二)光学性能
  一般材料反射和吸收太阳光的能力将决定其自身的光学性能。譬如说绿色树叶便是通过吸收其他波长的光,从而反射出绿色特征波。而有尺寸在一纳米到十几纳米之间尺寸极为微小的纳米微粒,同样也会出现相应的表面界面效应以及小尺寸效应。进而使得纳米材料的光学性能有别于普通块体以及粗颗粒材料。周湘文、梁吉等人(2015)通过研究发现纳米金属粉末可以有效吸收电磁波,通过利用纳米材料的这一特性,目前在我国军事领域当中已经将纳米材料经过特殊加工处理使其作为一种具有较高性能的毫米波隐形材料和红外线隐形材料,而华为等手机企业也积极尝试将纳米材料作为手机辐射屏蔽材料[4]。周湘文等人通过利用玻璃这一绝缘体,在证明其正常状态下无法释放吸收到的电磁波后,通过对其进行重金属汽化处理使之成为纳米状态,此时发现纳米状态下的玻璃具有较强的导电性能,在与防护屏上地线进行有效连接后即可将玻璃自身吸收得到的静电全部导出,以此有效防止静电对人体造成伤害。此外,考虑到电脑屏幕所发射的电磁波频度通常缺乏良好的均匀性,因而在将纳米材料整涂在玻璃表面的过程中也基本不采用均匀蒸涂的方式,而是立足电磁波发射频度变化规律进行相应蒸涂处理,从而有效防止因不断变化的电磁波频度影响纳米材料的吸收性能,在有效提高画面清晰度的同时,将屏幕光亮闪烁对人眼的伤害度降至最低。
  鉴于纳米颗粒同时存在量子尺寸效应以及表面效应,因此纳米粒子粒径同包括波尔半径、超导相干波长等基本相同,并且位于纳米颗粒表面的原子和电子同其内部的原子及电子行为之间差异较大,因而也会在一定程度上影响着纳米微粒的光学性能。例如大块金属拥有各种颜色的光泽,这也意味着其反射和吸收可见光范围内各波长的性能之间存在明显差异,当尺寸减小至纳米级时,各种金属纳米微粒基本上都将变为黑色,此时其对可见光的反射性能非常微弱。
  四、纳米材料的应用及发展前景
  由于纳米微粒尺寸通常比红外和雷达波长要小,因此相比于常规材料,纳米材料对此种波的透过率更高,可以有效控制波的反射率,由此使得红外探测器与雷达只能接收极其微弱的反射信号,加之纳米微粒材料本身比表面积较大,因此也可以有效降低红外探测器以及雷达接收到的反射信号,形成一种良好的隐身效果。现阶段在我国许多型号的歼击机当中,便是通过在机体结构上使用纳米复合材料以及具有良好电磁波吸收、屏蔽等性能的涂料,进而获得隐身飞机。而林志丹、麦堪成(2013)也通过对国内外有关纳米材料的研究进行综述分析,发现在美国、日本等发达国家已经通过充分利用纳米材料吸波特性良好且具有宽频带、质量轻等优势特点,将其作为新一代隐身材料进行研究。还有研究学者通过将纳米材料与金属汽车涂料进行相互融合,研發了一种纳米金属汽车面漆,在依托不同类型纳米金属粉体材料,借助世界上先进的纳米金属汽车面漆制作工艺,使得新研发而成的汽车面漆具有较强的附着力和耐腐蚀性、抗氧化性。表现出了良好的随角异色效应,在抗磨和防刮、防碰撞方面也表现良好,在这一纳米金属汽车面漆的使用下,对大量有害辐射进行吸收,避免底漆对人体产生辐射而影响其机体健康[5]。
  随着纳米粒子等纳米材料的不断发展,先后有包括纳米半导体、纳米传感器等在内的众多器件出现,并为人类的工作、学习生活以及自身发展提供了重要的帮助作用。现阶段在医学领域当中便已经开始运用RNA蛋白及其纳米颗粒,此种纳米颗粒的粒径只有15nm到20nm,当将其粒径减小至10nm以内时,这一纳米颗粒将可以自由进入人体病变部位,用于帮助医生进行疾病的诊断和检测。而我国也正在尝试将石墨作为生产碳纳米管的材料,利用其强大的导电和导热性以及较高的强度和极小电阻的特性,达到缓解我国电力资源不足的效果。
  结束语
  通过本文的分析研究可知从纳米材料维度基本单元、化学成分以及物理特性等不同角度出发,可以将其分为不同类型。而由于纳米材料具有熔点较低、比表面积与表面张力相对较大,可以发生磁性和物理性质变化等性能,因此其也在隐形涂料、金属面漆等领域中得到了广泛使用。相信随着我国科学技术水平的进一步提高,未来纳米材料的性能还将得到深入发展,其应用领域与应用范围也将得到持续拓展。
  参考文献
  [1]魏思怡. 载银纳米TiO_2抗菌剂对藻酸盐印模材料抗菌性能及其物理性能的影响[D].佳木斯大学,2016.
  [2]姜雪锋. 纳米材料对293t细胞DNA及细胞生物物理性能影响的研究[D].天津大学,2016.
  [3]陈娜. 低维半导体纳米材料结构特性与物理性能的预测[D].上海师范大学,2014.
  [4]隋刚,周湘文,梁吉,朱跃峰.碳纳米管/天然橡胶复合材料的物理性能[J].清华大学学报(自然科学版),2015(02):151-154+169.
  [5]林志丹,麦堪成.聚丙烯基纳米复合材料的物理性能[J].高分子材料科学与工程,2013(05):19-23.
  作者简介
  陈泽宇(2000.7-),男,汉族,湖北武汉人,湖北省武汉市东湖中学高三(十)班,研究方向:物理学。
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