纳米材料学
纳米是一种长度单位 ，一纳米相当于十亿分之一米 ，大约相当于几十个原子的长度。人类对纳米的研究是在高技术领域或继信息技术和生命科学之后的又一个里程碑。由于物质组成的精细度达到纳米级时 ，就能表现出一些奇特的物理、化学的性能，从而为新材料的产生创造条件。纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质，创造和制备优异性能的材料。因此 ，纳米技术是一项引领时代潮流的前沿技术，是科技之峰颠。
1、纳米材料特性
（1）小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。
（2）表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。
（3）量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应直接解释了纳米粒子特别的热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量以及超导态的凝聚能等一系列的与宏观特性有着显著不同的特性。
（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。 量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微化的极限。
2、纳米材料应用 （1）纳米磁性材料
从应用的角度纳米磁性材料大致分为纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁记录材料、纳米磁性液体、颗粒膜磁性材料及磁电阻材料等。
（2）纳米超导材料
超导材料是21世纪的一种新材料，它工作速度快、耗能少、被认为是最有希望的下一代智能机的基础元件。纳米超导材料的发展不断应用的温度，为超导材料的实用提供了可能。
（3）纳米陶瓷
纳米陶瓷是指显微结构具有纳米数量级水平的陶瓷材料。纳米陶瓷晶粒细化，有助于晶间的滑移，从而导致了超塑性；材料中的气孔和其他缺陷尺寸减小，可获得少缺陷甚至无缺陷的陶瓷，其力学性能高出一筹。
（4）纳米塑料
纳米塑料也称为工程塑料，是一种质量轻、高强度、不老化的新型塑料。它的硬度比炭钢强4－6倍，比重仅为钢铁的四分之一，不发生变性情况。从而它在各种高性能管材、汽车、电器等领域在广阔的前景。
3、纳米材料的制备 （1）物理制备方法
①蒸发冷凝法
在高真空蒸发室内通入低压惰性气体，使样品（如金属或氧化物）加热，其所生成蒸汽雾化为原子雾并与惰性原子发生碰撞而失去能量，从而凝聚形成纳米尺寸的团簇并在液氮冷阱上聚集起来，最后得到纳米粉体。
②机械球磨法
在没有外部供热情况下，通过介质和物料之间相互碰撞研磨以达到微粒的超细化。此法，除用来制备单质金属纳米粉体外，还可通过颗粒间固相反应直接合成化合物粉体。如金属碳化物、金属氮化物和金属氧化物等复合粉体。但该法难于获得粒径小的粉体。
（2）化学制备方法
①固相法
固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒，但其粉末易固结，还需再次粉碎，成本较高。物理粉碎是通过机械粉碎、电火花爆炸等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击，以达到微粒的超细化 ，但很难使粒径小于 100 纳米。故固相法还有待继续深入研究。
②气相法
气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位。利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过控制气氛 ，可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒。
在高纯惰性气氛下(Ar、 He) ，对蒸发物质进行真空加热蒸发 ，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。在 1987 年，Biegles等采用此法又成功制备了纳米级 TiO2陶瓷材料。这就是真空蒸发—冷凝法。
③液相法
沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法。均匀沉淀法通过控制生成沉淀的速度 ，减少晶粒凝聚 ，制得高纯度的纳米材料。共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属溶液中 ，然后加热分解获得超微粒。
4、纳米材料的个人体会
随着纳米科技的发展，纳米制备已日渐成熟，纳米的广泛应用使得纳米逐渐走进了我们日常生活的各个方面。纳米科学也将成为21世纪一个令人瞩目的学科。世界各国政府也逐渐重视纳米科技的发展：美国政府制定了“国家纳米技术计划”，日本政府制定了“纳米材料工程计划”，欧盟各国也制定了相应的纳米科技发展计划，我国 “八五”、“九五”计划都有关于纳米发展的重点项目，“十五”计划更是明确地提出了新材料发展的重要任务，这为我国21世纪初材料科学与技术的快速发展奠定了重要基础，也为我国纳米技术的迅速发展提供物质和财力保障。
参考文献
[1] GuoZhongCao， Nanostructures and Nanomaterials Synthesis，Properties and Applications， Imperial College Press， 2004：41-448
[2] 蔡元霸 ，梁玉.仓 纳米材料的概述、制备及其结构表征,结 构 化 学， 2001.11.，20(6)
[3]倪永红，葛学武，徐相凌，陈家富，张志成，无机材料学报，Vol .15，No.1,Feb。，2007:9-15
[4] 郭永、巩雄、杨宏秀。纳米粒子的制备方法及其进展.化学通报, 2006（3）：1-4
[5] 盖柯,李锡恩,刘文君. 纳米材料制备方法简介.甘肃教育学院学报（自然科学版）2009（1）
[6]杜彦良,张光磊.现代材料概论.重庆大学出版社.2009(2)
纳米材料学
纳米是一种长度单位 ，一纳米相当于十亿分之一米 ，大约相当于几十个原子的长度。人类对纳米的研究是在高技术领域或继信息技术和生命科学之后的又一个里程碑。由于物质组成的精细度达到纳米级时 ，就能表现出一些奇特的物理、化学的性能，从而为新材料的产生创造条件。纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质，创造和制备优异性能的材料。因此 ，纳米技术是一项引领时代潮流的前沿技术，是科技之峰颠。
1、纳米材料特性
（1）小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。
（2）表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。
（3）量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应直接解释了纳米粒子特别的热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量以及超导态的凝聚能等一系列的与宏观特性有着显著不同的特性。
（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。 量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微化的极限。
2、纳米材料应用 （1）纳米磁性材料
从应用的角度纳米磁性材料大致分为纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁记录材料、纳米磁性液体、颗粒膜磁性材料及磁电阻材料等。
（2）纳米超导材料
超导材料是21世纪的一种新材料，它工作速度快、耗能少、被认为是最有希望的下一代智能机的基础元件。纳米超导材料的发展不断应用的温度，为超导材料的实用提供了可能。
（3）纳米陶瓷
纳米陶瓷是指显微结构具有纳米数量级水平的陶瓷材料。纳米陶瓷晶粒细化，有助于晶间的滑移，从而导致了超塑性；材料中的气孔和其他缺陷尺寸减小，可获得少缺陷甚至无缺陷的陶瓷，其力学性能高出一筹。
（4）纳米塑料
纳米塑料也称为工程塑料，是一种质量轻、高强度、不老化的新型塑料。它的硬度比炭钢强4－6倍，比重仅为钢铁的四分之一，不发生变性情况。从而它在各种高性能管材、汽车、电器等领域在广阔的前景。
3、纳米材料的制备 （1）物理制备方法
①蒸发冷凝法
在高真空蒸发室内通入低压惰性气体，使样品（如金属或氧化物）加热，其所生成蒸汽雾化为原子雾并与惰性原子发生碰撞而失去能量，从而凝聚形成纳米尺寸的团簇并在液氮冷阱上聚集起来，最后得到纳米粉体。
②机械球磨法
在没有外部供热情况下，通过介质和物料之间相互碰撞研磨以达到微粒的超细化。此法，除用来制备单质金属纳米粉体外，还可通过颗粒间固相反应直接合成化合物粉体。如金属碳化物、金属氮化物和金属氧化物等复合粉体。但该法难于获得粒径小的粉体。
（2）化学制备方法
①固相法
固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒，但其粉末易固结，还需再次粉碎，成本较高。物理粉碎是通过机械粉碎、电火花爆炸等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击，以达到微粒的超细化 ，但很难使粒径小于 100 纳米。故固相法还有待继续深入研究。
②气相法
气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位。利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过控制气氛 ，可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒。
在高纯惰性气氛下(Ar、 He) ，对蒸发物质进行真空加热蒸发 ，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。在 1987 年，Biegles等采用此法又成功制备了纳米级 TiO2陶瓷材料。这就是真空蒸发—冷凝法。
③液相法
沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法。均匀沉淀法通过控制生成沉淀的速度 ，减少晶粒凝聚 ，制得高纯度的纳米材料。共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属溶液中 ，然后加热分解获得超微粒。
4、纳米材料的个人体会
随着纳米科技的发展，纳米制备已日渐成熟，纳米的广泛应用使得纳米逐渐走进了我们日常生活的各个方面。纳米科学也将成为21世纪一个令人瞩目的学科。世界各国政府也逐渐重视纳米科技的发展：美国政府制定了“国家纳米技术计划”，日本政府制定了“纳米材料工程计划”，欧盟各国也制定了相应的纳米科技发展计划，我国 “八五”、“九五”计划都有关于纳米发展的重点项目，“十五”计划更是明确地提出了新材料发展的重要任务，这为我国21世纪初材料科学与技术的快速发展奠定了重要基础，也为我国纳米技术的迅速发展提供物质和财力保障。
参考文献
[1] GuoZhongCao， Nanostructures and Nanomaterials Synthesis，Properties and Applications， Imperial College Press， 2004：41-448
[2] 蔡元霸 ，梁玉.仓 纳米材料的概述、制备及其结构表征,结 构 化 学， 2001.11.，20(6)
[3]倪永红，葛学武，徐相凌，陈家富，张志成，无机材料学报，Vol .15，No.1,Feb。，2007:9-15
[4] 郭永、巩雄、杨宏秀。纳米粒子的制备方法及其进展.化学通报, 2006（3）：1-4
[5] 盖柯,李锡恩,刘文君. 纳米材料制备方法简介.甘肃教育学院学报（自然科学版）2009（1）
[6]杜彦良,张光磊.现代材料概论.重庆大学出版社.2009(2)