材料化学教案：第2讲 纳米化学

第 2 讲 纳米化学 1. 纳米化学的基本概念和内涵 纳米是一种长度单位， 1 纳米（ nm）等于 10 － 9 m， 即百万分之一毫米、 十亿分之一米。 1nm 相当于头发丝直径的十万分之一。纳米科技是研究由尺 寸在 0.1~100 nm 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实 际应用中的技术问题的科学技术。 纳米科技（ Nano-Science and Technolongy）诞生于 20 世纪 80 年代，它使 人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米科技的最终 目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学 和生物学特性制造出具有特定功能的产品。最早提出纳米尺度上科学和技术 问题的专家是著名的物理学家、 诺贝尔奖获得者理查德· 费曼 （ R． P． Feynman， 1918~1988）。 1959 年 12 月 29 日，他在加利福尼亚举行的美国物理学会年会 上发表演讲时就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖上 并能移动原子，那么就将给科学带来什么！”这正是对纳米科学技术的预言 , 也就是人们常说的小尺寸大世界。他还预言，化学将变成根据人们的意愿逐 个地准确放置原子的问题。在那次演讲中，他还提到，当 2000 年人们回顾历 史的时候，他们会为直到 1960 年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而 感到惊讶。 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在 20 世纪 70 年代用蒸发法做了超微粒子，并通过研究它的性能发现；一个导电、 导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导 电、也不导热。 纳米科技的迅速发展是在 20 世纪 80 年代末、 90 年代初。 80 年代初出现 的纳米科技研究的重要工具扫描隧道显微镜（ STM）、原子力显微镜（ AFM） 等微观表征和操纵技术，对纳米科技的发展产生了积极的促进作用。 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国 际 STM学术会议同时举办 （实际上是一个会议有两个名称） ，《 Nanotechnology》 · 298· 第 8 章 现代化学的研究进展 和《 Nanobiology》两种国际性专业期刊也在同年相继问世。这标志着纳米科 学技术的正式诞生。 纳米科技是 21 世纪科技产业革命的重要内容之一， 它是包括物理、 化学、 生物学、材料科学和电子学等多门学科的高度交叉的综合性学科。它不仅包 含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为 主线的技术科学，所以纳米科技是一个融科学前沿和先进技术于一体的完整 体系。 纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品， 因此研究单原子、分子的特性和相互作用以及揭示在纳米尺度上的新现象、 新效应是纳米科技研究的重要前沿方向。 纳米科技的研究范围主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、 纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。这些学科为纳米 材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某 一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当 代尖端高新技术的结晶。并且主要以物理、化学等的微观研究理论为基础， 以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个原理深奥、科技顶 尖和内容极广的多学科群。在纳米科技的这些门类中，纳米化学是很重要的 一门，也可以说是其它各门纳米分支学科的基础。 从化学的的角度看，纳米结构是原子数目在 10 3 到 10 9 之间的聚集体。化 学家们对小分子的合成已经积累了相当丰富的经验，而这个尺度的东西对化 学家来说，是个“庞然大物”，是一种新的挑战。 传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分子，例如， 1g 水包 含了约 3.346× 10 22 个水分子。因此通常所测得的体系的各种物理化学性质都 是大量粒子的平均行为。实际上，热力学规律成立的前提条件就是由大量粒 子组成的体系。那么，当研究对象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的微观世 界，变成一个原子或一个分子时，是否还会遵循我们从课本上学到的传统理 论和规律呢？而且，如何检测，如何评价这种纳米体系的化学性质呢？这是 化学家遇到的新问题。 显而易见，纳米科技的发展给化学家提出了许多新的课题，同时也为化 第 2 讲 纳米化学 · 299· 学自身的发展提供了新的机遇。纳米化学就是在这样的背景下，作为化学的 一个新的分支诞生的。作为发展中的新学科，现阶段还很难给纳米化学下一 个严格的定义，考虑到物质特性发生显著变化的尺寸基本是在 100nm 以下， 我们不妨说，纳米化学是研究原子以上， 100nm 以下的纳米世界中的各种化 学问题的科学。 2. 纳米效应 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、 短程有序的“气体状” (gas-like)固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中 间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第 三态晶体材料”。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应， 从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和 化学特性。 2.1 小尺寸效应 庄子曾经说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。用现代科学语言 来说，或许可以理解为物质的无限可分性。即是说局部具有和整体相同的性 质。然而，实际上，当对这个“棰”不断分割到达一定程度时，其性质将会 发生根本性的变化。例如，假如这个“棰”是由铜制成的，当把它截成 10nm 以下时，就会失去金属光泽，变成黑糊糊的东西。如果对它进行加热，可以 发现它在远低于铜的熔点时就会熔化。测量一下硬度、导电性等诸多理化性 质，就会发现它已经完全不同于原来的“铜棰”了。实际上，这是纳米尺度 的物质所具有的共同性质。 当金属或非金属被制备成小于一定尺度的粉末时，其物理性质就发生了 根本的变化，具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率及对电磁 波具有强吸收性等性质。 · 300· 第 8 章 现代化学的研究进展 纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高 12 倍，气体在纳米材料中的扩散 速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性 材料提高 10 倍，纳米颗粒材料与生物细胞结合力很强等等。 “量变引起质变” 这个哲学原理，在纳米世界里得到了充分的体现。 纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺度 的强磁性颗粒（ Fe-Co 合金、氧化铁等），当颗粒尺寸为单磁畴（ magnetic domain）临界尺寸时，即把它做成大约 20— 30 nm 大小，它的磁性要比原来 高 1000 倍。可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液 体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。纳米 微粒的熔点可远低于块状金属。 例如 2nm 的金颗粒熔点为 600K， 随粒径增加， 熔点迅速上升，块状金为 1337K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。利 用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变尺寸，控制吸收峰 的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形 飞机等。 2.2 表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。 并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。 表 1 给出了纳米粒子的尺寸与表面原子 数的关系。 表1 表面原子数与粒子大小的关系 粒径大小 (nm) 粒子中的原子数 表面原子比例 (%) 20 2.5× 10 5 10 10 3.5× 10 4 20 5 4.0× 10 3 40 2 2.5× 10 2 80 1 3.0× 10 1 90 表面原子数的增加导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随纳米粒子 尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。纳米级结构 尺寸减小，表面原子数迅速增加，比表面积、表面积及表面结合能迅速增大。 第 2 讲 纳米化学 · 301· 由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺 陷。从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很 大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米材料具有极高的表面活性，很容 易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性，纳米粒子 易于团聚等均与此有关。 2.3 量子尺寸效应 理解量子尺寸效应需要量子力学和固体能带理论知识。原子是由原子核 和核外电子构成的，电子在一定的轨道 (或能级 )上绕核高速运动。单个原子 的电子能级是离散的，这是微观粒子（电子、质子等）普遍具有的量子化的 特点。而当众多原子聚集到一起形成固体时，原子之间的相互作用导致能级 发生分裂，最后形成能带。大块物质由于含有几乎无限多的原子，其能带基 本上是连续的，这就好象一个圆锥体的麦堆，当你从远处观察时，其边缘线 是一条圆滑的连续曲线，而当你走近时却发现并不是连续的，而是一个个的 麦粒。对于只有有限个原子的纳米颗粒来说，当粒径小到一定程度时，能带 变得不再连续。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的 凝聚能时，就会出现所谓的量子尺寸效应，导致纳米颗粒的光、电、磁、声、 热等性质与宏观特性有着显著的差异。例如，温度为 1Ｋ时，直径小于 14 nm 的银纳米颗粒会变成绝缘体。 2.4 宏观量子隧道效应 电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在穿透势垒的隧道效应。近年 来人们发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量 等也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应对基础研究 及实用都有重要意义。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，或者说它确定了现存微 电子器件进一步微型化的极限。 · 302· 第 8 章 现代化学的研究进展 需要指出的是，只有当纳米粒子的尺寸小到一定程度时，物质的性质才 会发生突变，出现特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也 不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。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。过去，人们只注意 原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量 存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。其次，不同类型 的纳米粒子发生这种突变的临界尺寸是不同的，并且即使是同一种纳米粒子， 呈现纳米材料的某些不同的特异性能所需要的临界尺寸也可能是不同的。 3. 纳米材料的基本物理和化学性质 3.1 电学性能 金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性； 纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势，而相应的常 规半导体材料的介电常数较低，在低频范围内介电常数的上升趋势远远低于 纳米半导体材料；并且在低频范围，纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效 应，即粒径很小时，其介电常数较低，随粒径增大，介电常数先增加然后下 降，在某一临界尺寸呈极大值。 3.2 熔点与烧结性能 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于 颗粒小，纳米微粒表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全， 纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，纳米粒子熔化时所增加的内能 小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。例如，大块的铅的熔点为 600K， 而 20 nm 球形铅微粒熔点低于 288K；纳米银微粒在低于 373K 开始熔化，常 规银的熔点高于 1233K。这对金属的冶炼具有重要意义。 常规氮化硅的烧结温度高于 2073 K，而纳米级氮化硅烧结温度可降低 300~400K，实验表明，烧结温度的降低是纳米结构材料的普遍现象。 第 2 讲 纳米化学 · 303· 3.3 力学性能 由于纳米物质的巨大表面，纳米物质的力学性能也表现出许多特点。例 如纳米陶瓷材料是近年来受到重视的一个领域，其特点是在一般陶瓷中添加 少量纳米陶瓷粉，经烧结后其力学性能会有成倍的增加。例如在 Al 2 O 3 陶瓷 材料中加入少量纳米 SiC，其性能得到显著提高：抗弯强度由原来的 300~ 400 MPa 提高到 1000~1500 MPa；断裂韧性也提高了 40%，因此这一类材料将具 有很好的应用前景。对这种材料断裂后的显微观察结果表明，主要发生的是 穿晶断裂，因此可以认为加入纳米粉后，晶粒界面显著加强，有利于力学性 能的提高。在 Si 3 N 4 中加入纳米 SiC 粉后，也可以产生超塑性，其高温抗氧化 性能和高温抗蠕变性也都大大优于一般的 Si 3 N 4 陶瓷材料。还有人发现， SiC 纳米棒的强度比纳米碳管更高，因此是极好的增强填料。有人甚至认为，这 可能是世界上已发现的材料中力学性能最强的材料。 3.4 光学性质 由于表面效应，使得纳米微粒的表面与内部原子的化学键的振动频率不 同，结果使吸收峰变宽；并且粒径减小，粒子的折合质量减小，使吸收峰出 现“蓝移”现象；再者，随着粒径的减小，对光的反射大大降低，当减小到 纳米量级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。 3.5 催化性能 化学家研究纳米物质一开始就把注意力放在催化方面。纳米颗粒的巨大 表面积和表面原子占很大比例这些特点；以及由于量子尺寸效应，固体费米 能级 (固体中电子的化学势 )附近的准连续的能级成为分立的能级，并且禁带 间距加大， 从而赋予纳米粒子一系列奇异的光催化性能。 目前， 人们对在 TiO 2 纳米粒子上进行的光催化反应研究得较多， 这是由于 TiO 2 具有稳定的化学性 质，强的氧化还原性，抗光阳极腐蚀性，难溶、无毒、低成本等。所以它是 · 304· 第 8 章 现代化学的研究进展 一种高效的、高选择性的半导体光催化剂。在催化光解水制氢气方面发挥重 要作用。 4. 纳米粒子的表征 4. 1 化学成分的表征 化学组成是决定纳米粒子及其制品性质的最基本因素，除了主要成分外， 添加剂、杂质对其烧结及其制品的性能往往也有很大影响，因而对粉体的化 学组分的种类、含量，特别是添加剂、杂质的含量级别及分布进行检测是十 分必要的。化学组成的表征方法可分为化学方法和仪器分析法。相比之下， 仪器分析有独特的优越性，如采用等离子体光谱仪 (ICPS)、原子发射光谱 (AES)、原子吸收光谱 (AAS) 对粉体的化学成分进行定性及定量分析。此外， 还可应用Ｘ射线荧光 (XRFS)和电子探针微区分析法（可对粉的整体及微区的 化学成分进行测试），而且与扫描电镜 (SEM)配合，得到微区相对应的形态 图象及成分分析图象；采用Ｘ光电子能谱 (XPS)分析粉体的化学组成和结构、 原子价态等与化学键有关的性质。 4.2 晶态表征 Ｘ射线衍射分析 (XRD)是目前应用最广、最为成熟的关于粉体晶态面貌 的测试方法。除此之外，电子衍射（ ED）法能够用于纳米粉体的物相、纳米 纳米粉体中个别颗粒、甚至纳米颗粒中某一微区的结构分析；高分辨率电子 显微分析 (HREM )、 扫描隧道显微镜 (STM )可用于分析纳米粉体的空间结构 和表面微观结构。 4.3 颗粒度的表征 透射电子显微镜 (TEM )是最常用、最直观的测试手段。但是粉体的颗粒 不规则或选区受局限等均可造成较大误差。常见的粉体颗粒测试手段还有Ｘ 第 2 讲 纳米化学 · 305· 射线离心沉降法 (测量范围 0.01～ 5μｍ )，气体吸附法 (0.01～ 10μｍ )、Ｘ射 线小角散射法 (0.001～ 0.2μｍ )、激光散射法 (0.002～ 2μｍ )。 5. 纳米材料的应用 5.1 在陶瓷领域的应用 纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是其 晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布，缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。 所以许多纳米陶瓷在室温下就可发生塑性变形。纳米晶 TiO 2 在 180℃时的塑 性变形率可达 100%，带预裂纹的试样在 180℃弯曲时不发生裂纹扩展。纳米 陶瓷塑性高，烧结温度低，但仍具有类似于普通陶瓷的硬度。这些特征提供 了在常温和次高温下加工纳米陶瓷的可能性。纳米陶瓷复合材料通过有效的 分散、复合而使异质相纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中，这大大 改善了陶瓷材料强韧性和高温力学性能。虽然目前纳米陶瓷还有许多关键的 问题需要解决，但其优良的室温力学性能、抗弯强度、断裂韧性使其在切削 刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有了广泛的应用，并在许多超高 温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其它材料不可替代的作用，具有广阔的应用 前景。 5.2 在电子领域的应用 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要的思想是基于纳米粒子 的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序 (无序 )排列体系、 纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。开发单电子晶体管是 其中一项重要的应用，电子晶体管只要控制一个电子的行为即可完成特定的 功能 ,可使功耗降低到原来的1/100 ,从根本上解决了日益严重的集成电路功 耗问题。 量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，而主要是通过控制电子波动 的相位来实现一种功能，具有更高的响应速度和更低的功耗，而且集成度大 · 306· 第 8 章 现代化学的研究进展 幅度提高，有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点。因而纳米电子 学发展，可能会在电子学领域引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业 技术推向一个更高的发展阶段。在这方面，后面将会说到的碳纳米管将发挥 重要作用。 5.3 在化工领域的应用 由于纳米材料的化学活性和大的比表面积，被广泛用作催化剂材料。纳 米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，使燃烧效率提高 100 倍。 Fe-Co-Ni 等 纳米粒子可取代贵金属做汽车尾气净化的催化剂。纳米贵金属催化剂提高了 催化效能，扩大了应用领域，而原来不具有催化性能的 Cu-Zn 等合金在纳米 量级也具有了催化活性。工业上利用纳米 TiO 2 -Fe 2 O 3 作光催化剂，用于废水 处理，已取得了很好的效果。纳米多功能抗菌塑料不仅具有抗菌功能，而且 具有抗老化、增韧和增强作用。这一新型塑料的研制开发成功开辟了高分子 材料的新领域，具有广泛的应用前景。将纳米金属粒子掺杂到化纤制品或纸 张中，可以大大降低静电作用，利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体可 用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩、用于化学成 分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。纳米静电屏蔽材料是纳米技术 的另一重要应用，以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳墨喷涂而成， 但性能并不是特别理想。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe 2 O 3 、 TiO 2 、 ZnO 等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作 用。美、日等国在静电屏蔽突出涂层和绝缘层工艺上都有突破，已进入产业 化阶段。 5.4 在光学方面的应用 纳米晶材料可改变样品的光透性，使其具有优异的吸附功能，这种光透 性可通过控制晶粒尺寸和气孔率的方法来控制，因而使这种材料在感应和过 滤技术中有着广泛的应用。而且由于纳米材料的特异结构，物质的表面、界 第 2 讲 纳米化学 · 307· 面效应和量子效应将十分显著地表现出来，对吸波性能产生重要的影响。纳 米超微粒可制成具有良好的吸波性能的涂层，对电磁波兼具吸收和透过功能， 其吸收性能和透波性取决于超微粒的尺度。直径为 10～ 30 nm 的铬粉吸收太 阳能的效果很好，已成功地用于太阳能接收器上。纳米金属粒子吸收红外的 能力加强，同时吸收率和热容量的比值大，已用为红外线检测器或红外线传 感器，作敏感元件材料。多功能传感器是用几个纳米的金属粒子制备的，它 可以用于检测气体温度和湿度。例如纳米金属粒子对可见光到红外光整个范 围的吸收率都很高，大量的红外线被纳米金属吸收后转变为热，由温差可测 出温差电动势。为了获得兼具有宽频带、多功能、质量小和厚度薄等性质的 材料，正在研究纳米复合隐身材料，可望出现吸收或透过厘米波、毫米波、 红外线、可见光等很宽波段的复合隐身材料，甚至可望研制成与加固技术兼 容的复合隐身材料。 5.5 在电磁学方面的应用 纳米晶材料的磁性来源于尺寸效应。纳米磁性材料包括纳米稀土永磁材 料、纳米微晶软磁材料、纳米磁记录材料、纳米磁膜材料和磁性液体，应用 范围相当广。纳米稀土永磁材料可制备热压永磁体和粘结永磁体。纳米磁记 录材料可提高记录密度和矫顽力，倒如单畴临界尺寸的强磁颗粒 Fe— Co 合金 和氮化铁有很高的矫磁力，因此用它们制成的磁记录介质材料不仅音质、图 象和信噪比好，而且记录密度比目前的γ -Fe 2 O 3 高 10 倍以上，因此是下一代 信息存储系统的首选材料。纳米多层膜材料具有许多奇特性能，广泛用于医 学诊断、信息储存和传感器等。纳米磁性液体可广泛用于传统技术和高新技 术。纳米复合材料的磁热效应能够将热量从一个热储存器传递到另一个热储 存器中。利用该效应可进行磁制冷，例如磁性纳米晶材料 Gd 3 Ga 3.25 Fe 1.75 O 12 在 6Ｋ～ 30Ｋ之间磁制冷效率明显提高，还可以将有效工作温度由 15Ｋ提高 到 30Ｋ以上。用固态磁性物质代替目前使用的压缩空气，不仅可以避免碳的 氟氯化物所造成的对臭氧层的危害，而且可以提高制冷效果，这为新型磁制 · 308· 第 8 章 现代化学的研究进展 冷材料的研究开辟了新的道路。纳米微粒还可以用作导电涂料，用作印刷油 墨，制作固体润滑剂等。 5.6 在生物医学领域的应用 发生在生物体内的各种反应，如 DNA 复制、蛋白质的合成以及各种营养 成份的吸收过程，都发生在纳米水平。所以生物分子是很好的信息处理材料。 每一个生物的大分子本身都是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测 的方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关。利用该特性并结合 纳米技术，可以设计量子计算机。纳米生物学的目的就是在纳米尺度上应用 生物学的原理，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。纳米计算机的 问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃，它将突破传统极限，使单位体 积物质的储存与信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学的又一次革 命。纳米金属粒子已被用来研究肿瘤药物及致癌物的作用机理。而研究纳米 技术在生物医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及 其与功能的关系，获得生命信息，对人类的健康和发展有着不可估量的价值。 5.7 在分子组装方面的应用 所谓自组装一般是指原子在底物上自发地排列成一维、二维、甚至三维 有序的空间结构。由于低维结构材料的物理化学性能与体相材料有明显的不 同，它们与低维材料的大小和形状密切相关，尤其当有至少一维尺寸位于纳 米范围内时，将会有许多独特的性能出现。目前纳米技术深入到了对单原子 的操纵，通过利用软化学与溶体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在 成为组装、剪裁和实现分子手术的主要手段。自组装纳米材料的制备一般都 是多步骤的，且所得产物的结构与反应物和底物的结构有很大关系。总的来 说，大多数自组装纳米材料的制备都需要带有活性官能团的有机单位作为交 联剂。科学家利用四硫富瓦烯的独特的氧化还原能力，通过自组装方式合成 了具有电荷传递功能的配合物分子梭。有研究报告称，以六方液晶为模板合 第 2 讲 纳米化学 · 309· 成了 CdS 纳米线，该纳米线生长在表面活性剂分子形成的六方堆积的空隙水 相内，呈平行排列，直径约为 1～ 5nm。利用有机体表面活性剂作为几何构型 模板剂，通过有机 /无机离子间的静电作用，在分子水平上进行自组装，并形 成规则的纳米异质复合结构是实现对材料进行裁剪的有效途径。 5.8 在其它方面的应用 金属氢化物中的氢储量可达标准大气压下氢气密度的千倍以上， LaNi 5 、 FeTi 等都是良好的储氢材料。研究人员发现，纳米 FeTi 合金的储氢能力可比 粗晶材料显著提高，而且其活化处理程序也更加简单。因此纳米材料可能为 进一步提高材料的储氢效率提供一个可行的途径。纳米材料表面活性和表面 能均很高，能有效地活化烧结。如果在 WC 中加入 0.1 %～ 0.5%的纳米粉， 其烧结温度从 3000℃降低到 1800℃，并加速了烧结过程。这种活化烧结已用 于大批量生产大功率半导体元件，可控硅整流元件的散热—热膨胀补偿基底。 在烧结陶瓷中，加入 AlN 纳米粉还可提高烧结密度和热导率。纳米材料还可 以作助燃剂，在火箭燃料推进剂中添加不到 1%的纳米铝粉或镍粉，即可使其 燃烧热提高 2 倍多，将其用作火箭固体燃料，能使燃烧效率提高 100 倍。硬 质合金 WC-Co 刀具材料，当其晶粒度由μ m 量级减小到 nm 量级时，不但硬 度提高 1 倍以上，而且其韧性及抗磨损性能也得以显著改善，从而大大提高 了刀具的性能。此外将纳米粉末掺入润滑剂中，可显著改善润滑剂的性能， 降低机械部件的磨损。随着对纳米材料结构和性能的进一步了解，随着纳米 技术的进一步成熟、完善，更多具有特殊性能及特异用途的纳米材料和纳米 器件将被研究和开发出来。可以预见，纳米材料和纳米技术的应用将具有更 加广阔的前景。 6．足球烯和碳纳米管 1985 年，美国的 Rice 大学的 H.W.Kroto 和 R.E.Smalley 等发现用激光束 使石墨蒸发，用 10 大气压的氦气产生超声波，在喷咀上能生成性质十分稳定 · 310· 第 8 章 现代化学的研究进展 的一种新的碳的同素异形体。 经过 飞行时间质谱证实， 它的确不含其 它元素，其组成主要是 C 60 。 Kroto 等为了纪念前驱研究者 Buckminster Fuller，将这个球形分 子称为 fullerene（富勒烯）或者简 称为 “布克球 ”（ Buckyball）。按照 碳原子价键的要求， 它可能具有球 形结构。它以 60 个碳原子作为顶点，组成一个 32 面体。由于这种特殊结构， 因此现在更形象地称它为足球烯（ footballene， soccerballene）。人们可以利 用其芳香性，在表面镶嵌或修饰上其它原子、原子团和功能分子形成各种衍 生物，也可以利用其特有的中空结构，向笼中注入其它原子或原子团（制成 各种富勒烯包合物）。 碳纳米管是 1991 年日本科学家在用电弧法制备 C 60 时发现的。随后，确 认了碳纳米管的结构，发现了碳纳米管的许多奇特的性质，使得碳纳米管成 为新的一维纳米材料的研究热点。碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格 卷绕而成的、中空的“微管”，分为单层管和多层管。多层管由若干个层间 距约为 0.34 nm 的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径 一般在几纳米到几十纳米；管的内径更小，有的只有 1 nm 左右。而碳纳米管 的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的。因此，碳纳米管被认 为是一种典型的一维纳米材料。 同Ｃ 60 一样，碳纳米管的独特结构 决定了它非常特殊的性质。首先，其密 度只有钢的 1/6，但强度却是钢的 100 倍。其次，由于其特殊的电子结构，电 子在碳纳米管中的径向运动受到限制， 而轴向运动则不受任何限制，因此是很好的一维量子导线。再者，化学家们 更感兴趣的是碳纳米管特有的中空结构和管端的化学活性，使我们有机会制 图 1 笼内嵌有金属原子的Ｃ 60 分子 图 2 单壁碳纳米管的结构模型 第 2 讲 纳米化学 · 311· 造出一系列具有特殊用途的材料，比如，复合纤维、纳米级金属丝、复合吸 波材料，碳纳米管还可以用来制作储氢材料。 结语 纳米科技的发展最终将使我们 能够直接用原子、分子来制造机器， 而化学也将象理查德·费曼预言的 那样“变成根据人们的意愿逐个地 准确放置原子的问题”。 1990 年， 美国 IBM 公司的艾戈勒领导的研究 小组首次实现了人类操纵原子这一梦想。他们用一个一个的氙原子，在镍表 面上排出了“ IBM”字样，可以说是人类的一大创举。纳米技术已成为 21 世 纪一项关键技术，将会带来纳米产业的蓬勃发展，将会带来一次技术革命， 从而引起 21 世纪又一次工业革命。 参考文献： 1．张立德．纳米材料．北京：化学工业出版社， 2000 2．赵华明．化学研究的现状、应用前景及终极目的 [J]．化学研究与应用 ,2001,13(1)： 1-3 3． 张金安等． 纳米材料的性质、 功能及其建构方法 [J]． 齐齐哈尔大学学报 ,1998,14(2)： 77-86 4．朱心昆等．纳米材料及其技术的评述 [J]．云南冶金， 2001， 30(4)： 40-44 5．刘忠范．纳米化学 [J]．大学化学， 2001， 16(5)： 1-10 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