由于STM能够直接观察到原子在物质表面的排列状态和跟表面电子行为有关系的物理化学性质，因此，STM对表面科学、材料科学、生命科学和微电子科学技术的研究都有着重大的意义和广阔的应用前景。如图3-53为各种纳米材料的SPM图像，利用仪器的软件分析，可得到纳米材料的粒径分布等信息。在纳米尺度上进一步研究材料的特性，相位成像技术不可缺少。图3-54为利用STM对Fe原子与CO分子逐步进行反应的实时观察过程。......
2023-06-20
纳米材料及其应用-自然科学基础
【摘要】：纳米材料是当今材料科学研究中的热点之一。正是因为纳米材料具有这些奇特的性质，与宏观物体迥然不同，由此，人们可以制造出各种性能优良的特性材料。（二）纳米材料的应用纳米材料显示了广阔的应用前景。纳米膜材料可除去水中小于100 nm的颗粒污染物。纳米材料还可以用于医学和生物工程。纳米材料在能源和环境等方面的应用、开发也已在我国兴起。
纳米材料是当今材料科学研究中的热点之一。我国著名科学家钱学森曾预言，纳米将是下一阶段科学发展的重点，是一次技术革命，也将是21世纪又一次产业革命。
（一）纳米材料的特性
纳米（nm）是“nanometer”的译名，即为毫微米，它是长度的度量单位，用符号nm表示，1 nm=10-9m，纳米是一个非常小的空间尺度，以氢原子为例，1 nm长度范围内，只能排列10个氢原子。纳米材料就是用特殊的方法将材料颗粒加工到纳米级，再用这种超细微粒子制造人们需要的材料。目前，纳米材料有四种类型：纳米颗粒、纳米碳管和纳米线、纳米薄膜、纳米块材。
纳米材料表现出奇异的热、光、力、电和化学等性能，这与它的特殊结构有关，其奇异的性质主要有：
1.特殊的光学性质
金属超微颗粒对光的反射率很低（低于1%），而吸收率很高。利用这一性质，可作为高效率光热、光电转换材料，制作太阳能电池、红外敏感器、隐身元件。
2.特殊的热学性质
超微颗粒的熔点将显著降低。例如，普通金的熔点为1064℃，但当金的颗粒为2 nm时，其熔点仅为327℃左右，熔点下降达700℃之多。纳米银粉的熔点也可从常规熔点670℃下降至100℃，这意味着纳米银粉可以在沸水中“熔化”。纳米金属的这一优点，有利于在低温条件下，将不同的纳米金属烧结成用于高技术领域的、“超一流”的特种合金。
3.特殊的磁学性质
磁性超微颗粒实质上就是一个生物磁罗盘。通过电子显微镜观察表明，生活在水中的趋磁细菌体内通常含有直径约为微米级的磁性氧化物颗粒，趋磁细菌就依靠它而游向营养丰富的水底。人们发现小尺寸磁性超微颗粒与大块磁性材料有显著的不同，随着超微颗粒尺寸减小，它会呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒的这个特性，已制成高储存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
4.优良的力学性质
纳米陶瓷材料具有良好的韧性。例如，纳米金属固体的硬度比传统金属材料硬3～5倍，纳米铁的断裂应力比一般铁高12倍，纳米铜比普通铜热扩散性能高1倍。
5.特殊的电学性质
金属材料中的原子间距会随颗粒减小而变小，因此，当金属晶粒处于纳米范畴时，其密度随之增加。这样，金属中自由电子移动的路程将会变小，使电导率降低。因此，原来的金属良导体就转变为绝缘体，这种现象称为尺寸诱导的金属绝缘体转变。
正是因为纳米材料具有这些奇特的性质，与宏观物体迥然不同，由此，人们可以制造出各种性能优良的特性材料。
（二）纳米材料的应用
纳米材料显示了广阔的应用前景。例如，利用纳米材料制成磁记录介质材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度高，广泛应用于电声器件、阻尼器件等。纳米金属颗粒还是一种极好的催化剂。例如，纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应的温度从600℃降到室温；镍或铜-锌化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应的催化能力大大提高；超细Fe、Ni、γ-Fe2O3的混合物烧结体，可用作汽车尾气净化的催化剂。这种超细微粒催化剂可能在工业应用中产生革命性的变革。又如纳米半导体材料的电导率显著降低，可在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件等应用领域发挥重要的作用。纳米膜材料可除去水中小于100 nm的颗粒污染物。纳米材料还可以用于医学和生物工程。例如，利用纳米微粒进行细胞分离，用纳米微粒制成的药物可方便地在人体内传输，进行局部治疗和组织修补。纳米探针和纳米传感器的应用，也可能带来诊断技术的革命。纳米科技的发展对能源、环境和医学等方面都将产生显著的影响。
我国科学家在纳米科技领域屡创佳绩，让世界为之瞩目。早在1993年，中科院北京真空物理实验室，用原子成功地写出“中国”二字。1998年，清华大学研究人员首次在国际上，把氮化镓制备成一维纳米晶体。同年，中国科学家又用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉。1999年上半年，北京大学首次用纳米技术组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。同年，中科院金属研究所合成高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。后来，我国科学家制造出直径为0.6 nm的有机材料，其信息超高密度存储容量要比现有的光盘高100倍，用此材料，在一块方糖大小的盘上，就可以将美国国会图书馆的全部信息存放。迄今为止，我国已建立十多条纳米技术的生产线。纳米材料在能源和环境等方面的应用、开发也已在我国兴起。可以预见，纳米技术的研究和应用不仅能引发一场新的工业革命，而且还会带来人类认知革命，产生观念上的变革，对未来科学技术的发展产生重大的促进作用。
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