什么是納米

納米材料

什么是納米材料

納米是一種長度計量單位，1納米等于10^-9m，其尺度非常的小，通俗的講，這個長

度僅相當于頭發直徑的萬分之一。當物質到達了納米的尺度的時候，就是在1—100納米之

間時，物質的性質會發生突變，甚至出現特殊性能，而像這種不同于原來組成的原子、分子，

也不同于宏觀的物質性能而所具有特殊性能的材料，即為納米材料。

過去，人們一直都只是重視原子分子或宏觀物質等方面，而忽略了納米這個夾在中間的

領域，其實這個領域大量存在于我們的世界，只是人們沒有認識到，比如安徽出產的墨均勻

飽滿，實際上就是納米材料。最早提出納米尺度上科學與技術問題的人是美國物理學家理查

德.費曼，他曾在一次演講中提出了未來也許人類能按照自身的意愿安排一個個原子和分子

的展望，而上個世紀90年代發明的掃描隧道顯微鏡讓這個設想變為了現實，掃描隧道顯微

鏡以它極高的分辨率，放大倍數揭示出了原子分子的世界，也為操縱原子分子提供了強而有

力的工具，為人類進入納米的世界打開一扇大門，也使得納米材料學這個學科得到了長遠的

發展。

納米材料的性質

納米材料因為它所不同于宏觀物質材料的性質而又價值，實際上就算材料在尺度上達到

了納米的尺度，但如果并沒有特殊的性質也不能稱為納米材料。

當人們將宏觀物體細分為超細的納米級顆粒時，它將呈現許多不同常理的特性，在光學、

熱血、電磁學等方面的性質會大為不同。

1、表面效應

表面效應是指納米超微粒子的表面原子數與總原子數之比會隨之粒子尺寸的減小而大

幅度增加，例如，當粒子直徑為10nm時，這個比值為20%；而當直徑變為1nm時，比值

飆升至99%，隨之增加的是粒子的表面能與表面張力，從而引起粒子性能的變化。納米粒子

的表面原子所處的晶體場環境及結合能與內部原子是有所不同的，存在許多懸空鍵，并且具

有不飽和性因此極易與其他原子相結合而趨于穩定，因此表現出很高的化學活性。利用這一

特性，可以制作高催化活性與產物選擇性的催化劑，也可以制作高效率的燃料或炸藥，比如

用納米粉體做成的火箭固體燃料會擁有更大的推力。

2、小尺寸效應

隨著顆粒尺寸的變化，在一定條件下就會引起顆粒性質的質變，而所引起的宏觀物理性

質的變化稱為小尺寸效應。這些變化表現在光學、熱學、磁學，力學的方面的性質。

例如光學方面，比如黃金粒子被分到小于光波長的尺寸時，就會不再是金黃色而是黑色，

事實上，所有金屬在超微顆粒狀態時都會變為黑色，而且尺寸越小，顏色越黑，因為金屬顆

粒越小顆粒對光的折射率就越小，甚至低于1%，利用這個特性可以作為高效光熱、光電轉

換材料。

有比如在熱學方面，納米微粒的熔點比常規粉體低很多，這是由于納米微粒表面能高，

表面原子多，這些原子近鄰配位不全，微粒之間是一種非共價相互作用，納米粒子熔化所需

要的內能小很多，使得物質熔點急劇下降。比如金的熔點高達1000多攝氏度，而尺寸為3

納米的金微粒熔點僅為其的一半。

3、量子尺寸效應

微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為分立能級，吸收

光譜向短波方向移動，這種現象就稱為量子尺寸效應。這導致納米微粒磁、光、電以及超導

性方面有很大變化，當溫度為1K時，直徑小于14nm的銀納米顆粒就成了絕緣體。

4、宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化

強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘產

生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁

性等。

納米材料的應用

正是因為納米材料的種種特殊性質，使得其在多個領域擁有廣泛的應用與光明的前景。

以下列舉一些納米材料的實際應用。

催化劑方面：納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍，如用納

米粒子做光解水催化劑，比常規催化劑產率提高2-3個數量級。納米材料在光催化方面應用

廣泛，通過光可以形成強氧化性粒子，將表面的物質氧化分解。納米粒子也對催化氧化、裂

解反應都具有很高的活性和選擇性，對光解水制氫和一些有機合成反應有明顯的光催化活

性。

醫學生物學方面：21世紀醫療技術飛速發展，大量先進技術開始應用于醫療或有

廣闊的應用前景，納米技術就是其中很重要的一個，現在在醫學中的主要應用是利用納米材

料包裹藥物是藥物能高效準確的作用于該作用的部位，比如利用某種金銅合金納米晶體能定

向殺死癌細胞。使用納米技術的新型診斷儀只需利用少量血液就能通過血液中的成分檢測出

各種疾病。更長遠來說，設想中的醫療納米機器人更是可是引起整個人類醫療技術的革命，

使得現在的許多疑難雜癥得到解決。

軍事方面：納米微粒因為小尺寸效應使得其具有常規材料不具備的光學性質。利用

這點，由于納米微粒尺寸遠小于雷達波長，使得其對這種波的透過率大大降低，從而極大的

減少了波的反射率，又因為納米材料的比表面積比常規材料高出幾個數量級，對紅外光和電

磁波的吸收率也比常規材料高很多，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，

因此納米材料能作為軍事上的隱身技術材料，應用于各種先進武器上，如f-22戰斗機。

納米材料的展望

納米科學是新興的一門科學，正處于不斷的完善中，大量有關方面的研究在不斷的進行。

所以雖然應用不算特別廣泛，但發展應用前景十分光明。納米材料接下來的發展可能在如下

幾個方面：（1）大規模生產納米結構物質，如碳納米管，使得此類具有極其優良性質的材

料能夠實用化（2）造出納米計算機。納米磁膜技術將大大提高磁記錄密度，新的加工技術

將會使納米級光盤成為可能，它的信息儲存量能達到現在光盤的100萬倍（3）納米級別的

動力源和自動化元件裝置。使得超微型機器，納米機器人成為可能。

雖然納米材料的前景光明，但它的發展道路不會輕松而會是充滿了荊棘和挑戰。不少革

命性的技術離實用化和成熟化還要很長的時間，納米技術的應用也還是要有一個認識過程和

產品的升級配套問題，它要像信息技術一樣對我們的生活產生深刻的影響可能還需要幾十

年。但無論如何，納米的時代已經來臨，它遲早會如同前幾次工業革命一樣徹底改變人類的

生活，帶領人類走上更美好的道路