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纳 米 材 料

 

  1984年,德国著名学者格莱特把6纳米的金属粉末压制成纳米块,制出了世界上第一块纳米材料,开纳米材料学之先河。1990年7月,在美国召开了第一届国际纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支。
  所谓纳米材料,是指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米。众所周知,原子的半径在10-10米这一量级,而1纳米等于10-9米,因此在纳米量级内物质颗粒的尺度已经很接近原子的大小。此时,"量子效应"开始影响到物质的性能和结构。由纳米颗粒最后制成的材料与普通材料相比,在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同,由此人们可制造出各种性能优良的特殊材料。

纳米金属与陶瓷
  纳米铁材料由6纳米的铁晶体压制而成,较之普通钢铁强度提高12倍,硬度提高 2~3个数量级。利用纳米铁材料,可以制成高强度、高韧性的特殊钢材。
  随着纳米颗粒尺寸的减少,纳米材料的熔点会随着降低。例如,金的熔点在一般情况下是1064℃,加工成10纳米左右的粉末之后,熔点降至940℃,如果将其进一步加工至2纳米左右,金在33℃就能够被熔化。这种性质对于加工某些高熔点难成形的陶瓷,非常有用。只要将陶瓷加工成纳米粉末,便只需用不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。这对研制新一代高速发动机来说是一大个福音,因为要提高发动机的效率需要提高燃气的温度,而这需要能承受超高温的材料。
  纳米材料中的另一大类是纳米陶瓷。普通陶瓷具有高强度,但却没有足够的韧性。而纳米陶瓷则很好地解决了这一问题,在适当的条件下,纳米陶瓷甚至能够具有超塑性质。这大大拓宽了陶瓷的应用领域。

纳米催化剂
  纳米材料由众多尺度很小的微粒构成的,因此其表面积大大增加,表面结构也发生很大的变化。因此,与表面状态有关的吸附、催化以及扩散等物理化学性质,纳米材料与宏观材料有显著的区别。纳米材料的表面积大、表面活性强,在催化领域中前景良好。
  将纳米微粒用做催化剂,是纳米材料大显身手的一个领域。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂;超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂;超细银粉可以为乙烯氧化的催化剂;用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温(270~300℃) 下将CO2分解为碳和水;在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成倍地提高燃烧的效率。

纳米碳管
  纳米碳管是纳米技术研究的一大热点。这种管子直径只有1.4纳米,仅为计算机微处理器芯片上最细电路线宽的1%。5万个这种碳管并排起来只有一根头发丝那么粗,其质量是同体积纲的1/6,强度却是钢的100倍。纳米碳管将成为未来高能纤维的首选材料,并广泛用于制造超微导线、开关以及纳米级电子线路。

量子元件
  制造量子元件,首先要开发量子箱。量子箱是直径约10纳米的微小构造,当把电子“关”在这样的箱里,就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现,利用这一现象便可制成量子元件。量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作,从而它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外,量子元件还可以使元件的体积大大缩小,使电路大为简化,因此,量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。人们期待着利用量子元件在21世纪初制造出16GB的DRAM,这样的存储器芯片足以存放10亿个汉字的信息。
 

摘自《新科技启蒙》

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