纳米材料在社会各个领域的应用和详情

2020-08-17 11:52:12 湖南赛西 15



纳米材料在当今社会的各个领域,信息技术、生物工程技术、能源安全技术、环境保护技术、先进的纳米制造技术及国防安全和防御技术等快速、安全的发展,必然对材料科学提出新的要求。各种各样的具有小型化、智能化、高集成度、高密度存储和超快传输等性能的元件对材料的尺寸、性能的要求越来越严格、精确。航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能的要求越来越高。



新材料的创新和创造,以及在此基础上诱发的新技术和新科学将对未来的社会发展、经济振兴、国力增强具有影响力。其中,具有特殊结构和性能的纳米材料将是发挥重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中富有活力、对未来经济和社会发展有重要影响的研究对象,也是纳米科技中最活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来,纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如,在建筑领域中使用纳米技术可以使结果相差很大举例来说,在环保项目中看到的新智能材料与纳米二氧化钛粒子混合,应用于窗户、建筑物和道路的自我清洁上。



在米兰,有7000m2的道路应用了这些新型纳米材料,从而减少了60%的二氧化氮。又如,当把物质细化到纳米级时,制造出来的纳米材料的性质特殊,用途极大。将纳米材料使用于飞机中,可以吸收雷达波,于是隐形飞机问世了;用纳米材料制成的刀具,比钻石刀具还硬;将计算机芯片和光盘加工到纳米级,其运算速度和记录密度高于常态的各个数量级。因此,人们肉眼基本上看不见的具有纳米尺度的纳米材料将给各个领域带来新的革命。纳米材料和纳米结构的应用将为调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。



所谓纳米材料,是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料也就是说,纳米材料必须同时满足两个基本条件:第一,在三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1~100nm)或以它们作为“基本单元”(Building Blocks)构建第二,与块体材料( Bulk Materials)相比,在性能上有突变或大幅度变化。如果仅在尺度上满足上述条件,但是不具有尺寸减小产生的奇异特性,那就不是纳米材料,因此纳米材料的本质就是,当材料进入纳米尺度调制范围时,材料会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应67。也就是说,由于纳米结构单元的尺度(1~100nm)与物质中的许多特征长度(如电子的德布罗意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸)相当,从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子,又不同于宏观物体,从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。



在纳米领域发现新现象,认识新规律提出新概念,建立新理论,为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础,也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。总体来说,随着尺寸的减小,一系列新奇的物理现象显现出来,其中包括统计力学效应和量子力学效应。并且同宏观系统相比,许多物理性质会改变,如材料的比表面积。纳米技术可以视为在传统学科上对这些性质进行详尽描述的发展技术。



进一步讲,传统的学科可以被重新理解为纳米技术的具体应用。这种想法和概念上的互动对这个领域的发展起到了推动作用。广义上讲,纳米技术是科学和技术在理解与制造新材料、新器械方向上的推演及应用。这些新材料和技术大体上就是物理性质在微尺度上的应用。依照纳米材料的尺度在空间的周期性,可以将纳米材料分为三类:第一类,空间三维尺度均在纳米尺度范围内的零维纳米材料,如纳米颗粒、纳米团簇,图2.1所示为常见纳米颗粒和富勒烯的结构示意图,而图2.2所示为几种典型的金团簇及聚合物的结构示意图;第二类,空间二维尺度均在纳米尺度范围内的一维纳米材料,如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝、纳米纤维等,图2.3所示为它们的扫描电子显微镜(se, Scanning Electron Microscope)示意图;第三类,空间有一维处于纳米尺度范围内的二维纳米材料,如纳米膜、纳米盘、超晶格等,如图2.4所示。



作为纳米科学的基本单元,纳米团簇(简称团簇)在纳米材料中占据重要且不可替代的地位4正如著名的物理学家、诺贝尔奖获得者 RichardP. Feynman预言的:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制,就能使物体得到大量的异乎寻常的性质,就会看到材料的性能产生丰富的变化。目前,团簇科学已经成为原子分子物理、凝聚态物理、材料科学、量子化学、表面物理、核物理、环境与大气科学和生命科学等学科相互交叉的一门新兴学科8-10如图2.5所示。


可燃气体探测器

如图2.5


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