納米結構材料

《納米結構材料(導讀版)》立足於納米材料及其功能。納米材料包括金屬、陶瓷、聚合物以及複合材料等。《納米結構材料(導讀版)》重點介紹了納米材料的功能，特別是短期內有應用前景的功能，例如催化、能量採集、能源存儲，光學性質以及通過自組裝實現的表面功能化。

此外，《納米結構材料(導讀版)》還討論了納米晶態材料和納米複合物，其內容涵蓋了這類新型工程材料的基本性質和要求。其中，穩定性、可靠性和機械性能是這類材料值得特別關注的問題。

《納米結構材料(導讀版)》比較了合成上述納米材料的各種方法。

1．納米功能材料——微觀結構、熱力學穩定性和原子遷移率

2．納米材料的可靠性

3．納米複合物材料的力學性能

4．用於低溫燃料電池的負載型納米催化劑

5．納米晶太陽能電池

6．用於氫氣和能源存儲的納米材料

7．具有多級結構的材料及其光學應用

8．納米顆粒在界面組裝形成高度有序的圖案化結構

索引

什麼是納米？

我們要了解納粹結構材料先得知道什麼是納米。什麼是納米？納米是尺寸或大小的度量單位，是一米的十億分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→納米）, 4倍原子大小，萬分之一頭髮粗細。納米技術是是指製造體積不超過數百個納米的物體，其寬度相當於幾十個原子聚集在一起。

納米材料：材料科學領域的前沿

納米科技發展中，納米材料是它的前導，因為納米材料集中體現了小尺寸、複雜結構、高集成度和強相互作用以及高比表面積等現代科學技術發展的特點，其中最應該指出的是納米材料是將量子力學效應工程化或技術化的最好場合之一，可能會產生全新的物理、化學現象。現在可以用物理、化學及生物學的方法製備出只包含幾百個或兒千個原子、分子的 "顆粒"。這些"顆粒"的尺寸只有幾個納米，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發生反應，也就是說十分活潑。實驗上發現如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒，發生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學反應過程，大大地提高化工合成的產率。

如果把金屬納米材料顆粒粉體製成塊狀金屬材料，它會變得十分結實，強度比普通金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富於彈性。人們幻想有一天會使用這樣的納米鋼材或納米鋁材製造出汽車、飛機或輪船，使它們的重量減少到原來的1/10。不僅如此，汽車或飛機的發動機由具有塑性的納米陶瓷材料製成，可在更高的溫度下運作，汽車跑得更快，飛機飛得更高。

半導體納米材料的最大用處是可以發出各種顏色的光，可以做成超小型激光的光源。它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能，這種技術一旦實現，太陽能汽車、太陽能住宅就會成為現實。利用特種半導體納米材料使海水淡化已得到應用；半導體納米材料做成的各種感測器，可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環境保護士已得到應用。

目前科學家正在致力於研究的碳納米管材料，是一種非常獨特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀"纖維"，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十個納米。這種材料的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的l00倍。用這樣輕而柔軟，又非常結實的材料做防彈背心是最好不過的。如果用碳納米管作繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索，如果用它做成地球月球乘人的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細尖極易發射電子，用於做電子槍，可以做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視製造業新的方向。

利用納米技術還可以以新原理和新結構在納米層次上構築特定性質的材料或自然界不存在的材料，製作生物材料和仿生材料，並能在材料破壞過程中進行納米級損傷的診斷和修復。

納米科技的另一主要研究領域是設計、製備新型納米結構和納米器件。就像30年前，微電子器件取代真空電子管器件給信息技術帶來革命一樣，納米結構將再次給信息技術帶來革命。

把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內，或者在一根非常細的短金屬線內，線的寬度只有幾個納米，會發生十分奇妙的事情。由於顆粒內的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續具有任意動量的電子狀態，變成只能具有某動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接的結果表現在：當在金屬顆粒的兩端加上合適電壓，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在宏觀世界內奉為經典的歐姆定律在納米世界內就不再成立了。還有一種奇怪的現象，當金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內，從而切斷了電流的連續性。這使得人們想到是否可以發展用一個電子來控制的電子器件，即所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來做成電腦晶元，電腦的容量和計算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是人們想像的那麼簡單。實際上，被囚禁的電子可不那麼"老實"，按照量子力學的規律，有時它可以穿過"監獄"的"牆壁"逃逸出來，這會使晶元的動作不可控制，同時還需要新的設計使單電子器件變成集成電路。所以儘管電子器件已經在實驗室里得以實現，但是真要用在工業上還需要時間。

被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻，是會使材料發出強的光。"量子點列激光器"或"級聯激光器"的尺寸極小，但發光的強度很高，用很低的電壓就可以驅動它們發生藍光或綠光，用來讀寫光碟可使光碟的存貯密度提高几倍。如果用"囚禁"原子的小顆粒量子點來存貯數據，製成量子磁碟，存貯度可提高成千上萬倍，會給信息存貯的技術帶來一場革命。