納米材料的制備方法與應(yīng)用領(lǐng)域研究

劉姝君

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能受到了人們的密切關(guān)注。通過(guò)化學(xué)、物理、生物等多學(xué)科的知識(shí)和方法制備出來(lái)的納米材料也應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，如改造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件、制造微型化的軍事武器等，因此起到了減少能源消耗和提高使用性能的作用。然而，納米材料制備和實(shí)際應(yīng)用尚存在著許多的問(wèn)題，如制備方法不夠全面、應(yīng)用范圍較為狹窄等。這些都給納米材料的應(yīng)用發(fā)展帶來(lái)了較大的影響，因此迫切需要對(duì)納米材料進(jìn)行更加深入的研究，并結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需要，采用更加有效方法進(jìn)行制備，以促進(jìn)社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展。鑒于此，筆者對(duì)納米材料的制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究與分析。

2 納米材料及其特性

納米材料作為一種新型材料，指的是在三維空間中至少有一堆處于納米尺寸或由其作為基本單元所構(gòu)成的材料。

納米材料的特性主要表現(xiàn)為以下幾方面：

（1）表面效應(yīng)

納米微粒的尺寸比較小，表面能較高，位于表面的原子則占據(jù)了較大的比例，并且隨著粒徑的不斷減小，表面原子數(shù)呈現(xiàn)出迅速增加的狀態(tài)。因此，納米材料的表面效應(yīng)就是納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑變小而急劇變大后所引發(fā)的性質(zhì)變化。尤其是在粒徑降低至1 nm 后，表面原子數(shù)的比例可以達(dá)到90%以上，此時(shí)原子基本都集中在納米粒子表面，這也從側(cè)面反映出納米材料具有較好的化學(xué)活性。

（2）小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件就會(huì)被破壞，使得納米微粒的光學(xué)和熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。例如：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著不同，并展現(xiàn)出超順磁性的特點(diǎn)[1]。

（3）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降至某一固定值后，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)會(huì)出現(xiàn)離散能級(jí)的現(xiàn)象，使得所占據(jù)的分子軌道能隙變寬。通過(guò)納米材料的量子尺寸效應(yīng)，還可以對(duì)納米粒子的熱能、靜電能、光子能量等特性作出更直接的解釋。

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子所具備的可以貫穿勢(shì)壘的能力，被稱之為隧道效應(yīng)。作為未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ)，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，就必須對(duì)宏觀量子隧道效應(yīng)進(jìn)行充分考慮。

3 納米材料的制備方法

3.1 物理法

3.1.1 氣體冷凝法

氣體冷凝法是在低壓He 或Ar 等惰性氣體中，對(duì)金屬、合金和陶瓷等進(jìn)行加熱，促使其蒸發(fā)氣化，再與惰性氣體碰撞而冷凝形成超微粒的方法。整個(gè)制備過(guò)程不僅要在超高真空室內(nèi)進(jìn)行，還要采用分子渦輪的方式使材料達(dá)到0.1 Pa 以上的真空度，先充入約2 kPa 的純凈惰性氣體，再將待蒸發(fā)物質(zhì)置于坩堝內(nèi)，然后通過(guò)石墨加熱器逐漸加熱蒸發(fā)，而在惰性氣體的對(duì)流影響下，煙霧會(huì)不斷向上移動(dòng)，當(dāng)原物質(zhì)發(fā)出的原子與惰性氣體碰撞后會(huì)迅速損失能量完成冷卻，最終形成單個(gè)納米微粒。該制備方法主要用于Ag、Cu和Au 等低熔點(diǎn)金屬納米粒子的合成，具有十分明顯的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和粒度齊整等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2 等離子體加熱蒸發(fā)法

等離子體是由大量自由電子和離子的氣體分子和原子所組成的，整體上表現(xiàn)為近似于電中性的電離氣體。當(dāng)高溫等離子體以100～500 m/s的速度到達(dá)金屬或化合物原料表面后，可迅速溶解于金屬溶體，并形成溶解的超飽和區(qū)、過(guò)飽和區(qū)和飽和區(qū)，當(dāng)原子或離子進(jìn)行重新組合后，再?gòu)慕饘偃荏w表面溢出，所蒸發(fā)出的金屬原子蒸汽受到遭遇周圍氣體影響后，就會(huì)快速冷卻或者發(fā)生反應(yīng)，最終形成納米粒子。該制備方法幾乎可以制取任何金屬的微粒，并且急冷形成原物質(zhì)的納米離子為純粹的物理過(guò)程。當(dāng)然，該法也存在不足，如等離子體噴射的射流容易將金屬熔融物質(zhì)吹飛。

3.1.3 濺射法

采用濺射法制備納米微粒主要是用兩塊金屬板分別作為陽(yáng)極和陰極，其中陰極是蒸發(fā)用的材料，通過(guò)在兩電極間充入40～250 Pa 的Ar 氣，并施加0.3～1.5 kV 的電壓，在電場(chǎng)的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從表面蒸發(fā)而形成超微粒子，最終在附著面上進(jìn)行沉積。整個(gè)過(guò)程中粒子大小和尺寸的分布主要取決于兩電極間的電壓、電流和氣體壓力，并且靶材的表面積越大，原子的蒸發(fā)速度就越高，最后獲得的超微粒也就越多。該制備方法具有實(shí)際應(yīng)用不需要使用坩堝、粒子收率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3.2 化學(xué)法

3.2.1 溶膠-凝膠法

作為濕化學(xué)反應(yīng)方法之一，無(wú)論初始原料使用的是金屬醇鹽還是無(wú)機(jī)鹽，其主要反應(yīng)步驟都是前驅(qū)物溶于溶劑形成均勻的溶液后，先在溶質(zhì)與溶劑發(fā)生醇解反應(yīng)，生成物聚集成1 nm 左右的粒子，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)干燥后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。該制備方法具有反應(yīng)溫度低、過(guò)程易于控制和制品純度高等優(yōu)勢(shì)，但是由于操作過(guò)程所使用原料多為有機(jī)化學(xué)物，不僅需要投入較多的成本，處理過(guò)程時(shí)間還比較長(zhǎng)。

3.2.2 化學(xué)氣相沉積法

氣相沉積是利用氣態(tài)或蒸汽態(tài)物質(zhì)在氣相或氣固界面上生成固態(tài)沉積物的技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積則是近年發(fā)展起來(lái)的制備無(wú)機(jī)材料的新技術(shù)，在提純物質(zhì)、研制新晶體和沉積各種單晶等材料中的應(yīng)用較多。采用化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒主要是在遠(yuǎn)高于臨界反應(yīng)溫度的條件下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使反應(yīng)產(chǎn)物蒸汽形成較高過(guò)飽和蒸氣壓，并自動(dòng)凝聚形成大量晶核，隨著這些晶核的不斷長(zhǎng)大，會(huì)聚集成顆粒并跟隨氣流進(jìn)入低溫區(qū)，最終在收集室內(nèi)得到納米粉體[3]。該制備方法具有可得到單一無(wú)機(jī)合成物質(zhì)、沉積生成納米尺度的微粒等優(yōu)勢(shì)。

3.2.3 水熱合成法

在水熱條件下，水可以作為一種化學(xué)組分起作用并參加反應(yīng)。在這過(guò)程中，水既是溶劑又是礦化劑，同時(shí)還可以作為壓力傳遞介質(zhì)，在參加滲析反應(yīng)和控制物理化學(xué)因素中，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)化合物的改性與形成。該制備方法具有粉末達(dá)到納米級(jí)、分散性較好、形狀可控等優(yōu)勢(shì)。

4 納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 催化領(lǐng)域

由于納米粒子的活性中心比較多，將其應(yīng)用于催化領(lǐng)域，可以起到降低能耗和節(jié)約成本的作用。例如：與普通材料相比，納米鎳粉作為火箭的固體燃燒原料，其燃燒效率可以提高100 倍，與常規(guī)催化液相比則提高了2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)一步提升了火箭的發(fā)射速度，減少了整個(gè)過(guò)程的能源消耗量。另外，在將納米材料作為催化劑時(shí)，要選擇粒徑為30 nm 的生成環(huán)辛烯反應(yīng)催化劑，只有這樣才能充分發(fā)揮納米材料的催化作用[4]。

4.2 陶瓷領(lǐng)域

納米材料在陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，特別是在精細(xì)陶瓷制作方面。由于精細(xì)陶瓷主要以人工合成為主，在將高純度納米粉末應(yīng)用至其中后，可以通過(guò)對(duì)納米粉末進(jìn)行燒結(jié)、加工等處理，得到更為精細(xì)的陶瓷制品。在精細(xì)陶瓷制作過(guò)程中，應(yīng)用納米粉末就可以充分發(fā)揮其高堅(jiān)韌性和耐腐蝕性等特征，從而更好地滿足精細(xì)陶瓷行業(yè)發(fā)展的最新需求[5]。另外，在常溫條件下，納米陶瓷TiO2和CaF2擁有更好的延展功能，這也為新時(shí)期陶瓷行業(yè)獲得縱深發(fā)展提供了有力支持，促使人們?cè)谠O(shè)計(jì)和制作陶瓷產(chǎn)品時(shí)，注重以更加科學(xué)合理的方式將納米粉末融入其中。

4.3 紡織領(lǐng)域

納米粒子所具備的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性，決定了其在紡織領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。將納米材料應(yīng)用紡織物生產(chǎn)制作中，不僅可以制作出具有更多功能的紡織物；還可以在制作過(guò)程中，通過(guò)對(duì)納米材料進(jìn)行處理和分解，使納米粒子與粘膠纖維更為有效地混合，最終制作出紡織物的質(zhì)量也能得到了明顯的提高。同時(shí)，采用納米材料制作紡織物，還可以起到提高紡織物性能的作用。在具體操作中，只需對(duì)納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性加以利用，就可以使制作紡織物具備抗紫外線和抗電磁波等功能。

4.4 軍事領(lǐng)域

在軍事領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用納米材料可以制造出更加先進(jìn)的武器設(shè)備。與傳統(tǒng)武器相比，應(yīng)用納米材料所制作的軍用武器具備超微型化特征，并且在武器重量和體積方面呈現(xiàn)出急劇降低的特點(diǎn)。因此，在訓(xùn)練和作戰(zhàn)中應(yīng)用超微型化的武器裝備，不僅減輕了軍人的身體負(fù)擔(dān)，還能提升隊(duì)伍的整體作戰(zhàn)能力。同時(shí)，應(yīng)用納米材料制作的軍事武器還具備高度智能化特征，尤其是在工作速度方面，比傳統(tǒng)武器快速了千倍以上，而體積則縮小近千分之一，還支持同一時(shí)間獲取更多信息，為國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展創(chuàng)造了無(wú)限價(jià)值[6]。

4.5 磁記錄領(lǐng)域

作為信息儲(chǔ)存與處理的重要手段，磁記錄在社會(huì)進(jìn)步發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)磁記錄應(yīng)用的重視程度也在逐漸提升。將納米材料應(yīng)用到該領(lǐng)域當(dāng)中，就可以充分發(fā)揮納米微粒尺寸較小、韌性較強(qiáng)和單磁結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，使新時(shí)期磁記錄功能更加完善和強(qiáng)大，從而切實(shí)解決噪音、圖像質(zhì)量偏低等問(wèn)題。在實(shí)際操作中，通常會(huì)采用超細(xì)針磁粉作為磁記錄的主要材料，這樣磁記錄密度就可以提高十倍及以上。

4.6 傳感器領(lǐng)域

憑借納米微粒所具有活性較高、表面積大的特征可以制作氣敏、光敏等不同形式的傳感器。有了納米材料的加持，使所制作的傳感器具有靈敏度高的特點(diǎn)，還可以利用納米微粒的熱電效應(yīng)制作紅外線傳感器。只有這樣才能在有效發(fā)揮納米微粒多樣化功能的同時(shí)，制作出更多的且能夠滿足不同領(lǐng)域需求的傳感器[7]。

4.7 光伏電池領(lǐng)域

納米材料在光伏電池制作中的應(yīng)用很早就已經(jīng)開始了，并且納米光伏電池的制備也較為簡(jiǎn)單，只需要借助太陽(yáng)輻射光源獲得光電轉(zhuǎn)換效率即可。在實(shí)踐中，除了較為常見(jiàn)的TiO2納米晶光電池以外，還有ZnO、WO3等光伏電池。應(yīng)用納米材料制作光伏電池，不僅豐富了光伏電池的種類，還在最大程度上滿足了不同電池性能的使用需求。

4.8 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

血液中紅血球的大小有6 000～9 000 nm，而納米粒子則只有幾個(gè)納米大小，這從側(cè)面說(shuō)明納米粒子可以在血液中自由的活動(dòng)。如果將各種有治療作用的納米粒子注入到人體中，就可以對(duì)病變部位進(jìn)行檢查和治療。同時(shí)，將納米技術(shù)應(yīng)用到藥品生產(chǎn)當(dāng)中，也可以促進(jìn)藥品生產(chǎn)精細(xì)化發(fā)展。尤其是在制造特定功能藥品時(shí)，可以在納米材料的基礎(chǔ)上直接利用原子、分子的排布，這樣就憑借納米粒子的加持使藥物在人體內(nèi)更加方便靈活地傳輸[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

納米材料作為一種新型材料，具有較好的光學(xué)和力學(xué)性能，并在社會(huì)各領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用價(jià)值，如利用納米材料推進(jìn)武器制作微型化和智能化，利用納米粒子生產(chǎn)特定藥品等。當(dāng)然，要達(dá)到理想效果，就要選用合適的方法對(duì)納米微粒進(jìn)行制備。因此，應(yīng)奠定好納米材料在醫(yī)學(xué)、軍事和紡織等領(lǐng)域中的深化應(yīng)用基礎(chǔ)同時(shí)，進(jìn)而促進(jìn)納米材料獲得更好的發(fā)展。