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    從尺寸大小來說,通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下(注1米=100釐米,1釐米=10000微米,1微米=1000奈米,1奈米=10埃),即100奈米以下。因此,顆粒尺寸在1~100奈米的微粒稱為超微粒材料,也是一種奈米材料。

    奈米金屬材料是20世紀80年代中期研製成功的,後來相繼問世的有奈米半導體薄膜、奈米陶瓷、奈米瓷性材料和奈米生物醫學材料等。

    奈米級結構材料簡稱為奈米材料(nano material),是指其結構單元的尺寸介於1奈米~100奈米範圍之間。由於它的尺寸已經接近電子的相干長度,它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且,其尺度已接近光的波長,加上其具有大表面的特殊效應,因此其所表現的特性,例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等,往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。

    奈米顆粒材料又稱為超微顆粒材料,由奈米粒子(nano particle)組成。奈米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在1~100nm間的粒子,是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域,從通常的關於微觀和宏觀的觀點看,這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統,是一種典型的介觀系統,它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒(奈米級)後,它將顯示出許多奇異的特性,即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。

    奈米技術的廣義範圍可包括奈米材料技術及奈米加工技術、奈米測量技術、奈米應用技術等方面。其中奈米材料技術著重於奈米功能性材料的生產(超微粉、鍍膜、奈米改性材料等),效能檢測技術(化學組成、微結構、表面形態、物、化、電、磁、熱及光學等效能)。奈米加工技術包含精密加工技術(能量束加工等)及掃描探針技術。

    奈米材料具有一定的獨特性,當物質尺度小到一定程度時,則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為,當粉末粒子尺寸由10微米降至10奈米時,其粒徑雖改變為1000倍,但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨,所以二者行為上將產生明顯的差異。

    奈米粒子異於大塊物質的理由是在其表面積相對增大,也就是超微粒子的表面佈滿了階梯狀結構,此結構代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結,同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。

    就熔點來說,奈米粉末中由於每一粒子組成原子少,表面原子處於不安定狀態,使其表面晶格震動的振幅較大,所以具有較高的表面能量,造成超微粒子特有的熱性質,也就是造成熔點下降,同時奈米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結,而成為良好的燒結促進材料。

    一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體,當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時,即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料製作成超微粒子或薄膜時,將成為優異的磁性材料。

    奈米粒子的粒徑(10奈米~100奈米)小於光波的長,因此將與入射光產生複雜的互動作用。金屬在適當的蒸發沉積條件下,可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子,稱為金屬黑,這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。奈米材料因其光吸收率大的特色,可應用於紅外線感測器材料。

    奈米技術在世界各國尚處於萌芽階段,美、日、德等少數國家,雖然已經初具基礎,但是尚在研究之中,新理論和技術的出現仍然方興未艾。中國已努力趕上先進國家水平,研究隊伍也在日漸壯大。

    奈米材料分類

    奈米材料大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米膜、奈米塊體等四類。其中奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟,是生產其他三類產品的基礎。

    奈米粉末:又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒,是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與佈線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用於陶瓷發動機等);人體修復材料;抗癌製劑等。

    奈米纖維: 指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於:微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料;新型鐳射或發光二極體材料等。

    奈米膜: 奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起,中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。

    奈米塊體: 是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智慧金屬材料等。

    奈米材料的用途很廣,主要用途有:

    醫藥使用奈米技術能使藥品生產過程越來越精細,並在奈米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布製造具有特定功能的藥品。奈米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便,用數層奈米粒子包裹的智慧藥物進入人體後可主動搜尋並攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用奈米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液,就能透過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。

    家電 用奈米材料製成的奈米材料多功能塑膠,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用,可用處作電冰霜、空調外殼裡的抗菌除味塑膠。

    電子計算機和電子工業 可以從閱讀硬碟上讀卡機以及儲存容量為目前晶片上千倍的奈米材料級儲存器晶片都已投入生產。計算機在普遍採用奈米材料後,可以縮小成為“掌上電腦”。

    環境保護 環境科學領域將出現功能獨特的奈米膜。這種膜能夠探測到由化學和生物製劑造成的汙染,並能夠對這些製劑進行過濾,從而消除汙染。

    紡織工業 在合成纖維樹脂中新增奈米SiO2、奈米ZnO、奈米SiO2復配粉體材料,經抽絲、織布,可製成殺菌、防黴、除臭和抗紫外線輻射的內衣和服裝,可用於製造抗菌內衣、用品,可製得滿足國防工業要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

    機械工業 採用奈米材料技術對機械關鍵零部件進行金屬表面奈米粉塗層處理,可以提高機械裝置的耐磨性、硬度和使用壽命。

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