什么是纳米材料?

纳米材料是指由尺寸小于100nm(1-100nm)的超精细颗粒构成的材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有突出的表面效应、小尺寸效应和量子限域效应,因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。 如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。

根据物理形态划分,纳米材料大致可分为纳米粉末(纳米颗粒)、纳米纤维(纳米管、纳米线)、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。 三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料,纳米纤维为一维纳米材料,而纳米膜(片、层)可以称为二维纳米材料,而有纳米结构的材料可以称为三维纳米材料。目前碳纳米管(carbon nanotube)是纳米科技的研究热点之一。

目前只有纳米粉末实现了工业化生产(如碳酸钙、白炭黑、氧化锌等),其它纳米材料基本上还处于实验室研究阶段。

纳米的特性描述

随着尺寸的减小,一系列的物理现象显现出来。这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。一个典型的例子是材料的表面体积比。纳米技术可以视作在传统学科上对这些性质详尽描述的发展。进一步讲,传统的学科可以被从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和制造新材料新器械方向上的推演和应用。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。

和这些系统的定性研究相关的领域是物理、化学和生物,以及机械工程和电子工程。但是,由于纳米科技的多学科和学科交叉的特性,物理化学、材料科学和生物医学工程的学科也被视作纳米技术重要和不可缺少的组成部分。纳米工程师们住眼观新材料的设计,合成,定性描述和应用。例如在分子结构上的聚合物制造,在表面科学基础上的电脑晶片分布设计,都是纳米科技在当代的应用例子。在纳米科技中,胶状悬浮也有很重要的地位。

材料在纳米尺度下会突然显现出与它们在宏观情况下很不相同的特性,这样可以使一些独特的应用成为可能。例如,不透明的物质变为透明(铜);惰性材料变成催化剂(铂);稳定的材料变得易燃(铝);在室温下的固体变成液体(金);绝缘体变成导体(硅)。物质在纳米尺度的独特量子和表面现象造就了纳米科技的许多分支。