纳米材料的特性及与新能源的关系.docx

纳米材料的特性及与新能源的关系摘要：理论上介绍了纳米技术所特有的应用价值，分析了纳米技术在能源利用方 面的应用范围，概述了纳米技术在这方面的综合利用前景与发展方向关键词：纳米技术，纳米材料，能源利用，纳米技术：即是在纳米尺度（1 —10 0 n m ）范围内研究物质的特性，及其 内部原子、分子的运动规律，并用单个纳米技术包括纳米材料和纳米结构两 部分当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇 异的特性：2纳米材料的特殊性质2 . 1表面效应纳米级的超微颗粒的表面与普通大块物质的表面是截然不同的，其表 面原子如“沸腾”般剧烈运动由此导致用电子显微镜对其进行观察发现， 这些超微颗粒没有固定形态，其形状随时间的变化而变化，这样便形成了一种 既非固态又非液态的准固态；只有当物质微粒直径大于1 0 r i m后才具有稳 定结构状态2 . 2小尺寸效应对纳米颗粒而言，随着其直径的减小，同时其比表面积亦显著增加，从而 产生一系列新奇的性质2 . 2 . 1热学特性超微颗粒的熔点与大尺寸固态物质相比熔点会显著下降，当物质直径小于 1 0 n m时更加明显这正是由于纳米材料具有普遍的超强原子扩散能力，纳米材 料在加工时将大幅降低能源消耗，提高工作效率。

2 . 2 . 2力学特性大量实验表明纳米材料的硬度变化呈现以下特点：（1 ）、硬度随 颗粒 直径 的缩 小而 增大；（1 ）、当颗 粒 直径 很小时，硬度 又随颗粒直 径 的 缩小而减小；（3 ）、对纳米材料进行热处理，使颗粒长大，硬度高于同样大 小未经处理的颗粒，这种呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3〜5 倍陶瓷材料通常因缺乏韧性而使其实际用途大受限制最近研究表明：通 过将陶瓷晶粒尺寸降至纳米级，延展性达到很好程度，这是由于纳米陶瓷材料 具有两个条件：（1 ）、较小的晶粒；（2 ）、快速的扩散途径（增强的晶 格、晶界扩散能力），这使得原子在外力作用下很容易迁移，表现出较 好的韧性2 . 2 . 3光学特性所有超微颗粒外观都呈黑色，物质颗粒越小，颜色越黑如表面光洁的铁 块呈银白色，而铁粉则呈黑色如果材料颗粒的直径小于光波的波长，材料 对光的反射率就很低，通常低于1 %，大约几微米的厚度就可以完全消光 利用纳米材料这一特性可以制造高效率的光热、光电转化材料纳米材料对 电磁波也会发生同样作用2 . 2 . 4电学特性纳米材料，由于具有极高的原子扩散和自扩散能力，很容易在一种材料中嵌 人另一种材料或将两种物质喷于基片上而形成纳米膜；改变膜中组份的比例就 可以改变膜中的颗粒大小与形态，从而控制膜的性质。

2 . 2 . 5磁学特性超微颗粒的磁性与大块物质存在明显差异，大块铁的矫顽力为8 0 A / m ,而当物质体积减小时矫顽力迅速增加；当颗粒尺寸减小到2 x l O 微米 以下时，其矫顽力可增加1干倍，若进一步减小其尺寸，当物质直径小于 6 x l O微米时其矫顽力突然降至零，呈超顺磁性超微颗粒的小尺寸效 应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面2 . 3量子尺寸效应对纳米材料而言，其尺寸小，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空 间，电子运动限制、电子平均自由程短、电子的局域性和相干性增强尺 度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观大块材料中固定的连续能带 将分裂为对立的能级，能级间距随材料颗粒缩小而增大当热能、光能、电 场能、磁场能比平均能级间距还要小时，就呈现出诸多与大块材料完全不 同的性质而称为量子尺寸效应2 . 4宏观量子隧道效应电子具有粒子性和波动性，因此微观粒子具有贯穿能级势垒的能力称为隧道 效应近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干 器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变 化，称之为宏观的量子隧道效应M Q T ( M a c r o s c o p i c Q u a n —t u m T u n n e l i n g )。

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微 电子、光 电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限讨论：从太阳能的吸收来看，目前的太阳能电池的光电转化效率并不 高，由于纳米材料良好的吸收辐射的特性，纳米技术的进步将会在提高太阳能 吸收效率上起到很大作用，而且将改善不同波长范围内光线的吸收效率，从 而使总的吸收效率达到最高，进而促进太阳能光热、光电方面的利用而与太阳 能同性质的电磁波目前广泛分布于地球表面开发太阳能的设备通过适当改 造也是可以用于电磁波能源的利用氢气作为未来最方便使用的“绿色”能源，其储存目前存在许多问题， 如投入高昂、使用危险等由于纳米材料的超活性表面能很好地吸附氢原子，它 在常温下也能很好地储氢能有效解决清的储存难题，这将利有于现有储能系统的改 进由于纳米技术使产品微型化，可使产品在使用过程节省大量能源可以预见， 纳米技术制造“低能耗，高性能”的机械将会取代现有的“傻大黑粗”的能 源消耗严重且效率低下的传统机械，从而把能耗和污染降到最低限度相信在不久的将来，应用纳米材料的产品将不断问世，它对传统产品的改 造、产业结构的调整将起到不可估量的作用参考文献l 李正孝，龚岩.纳米技术在环境保护方面的应用(J ).节能与环保，2 0 0 1 . ( 7 )2王宏志，高濂，郭景坤.纳米结构材料.硅酸盐通报(J )，1 9 9 9 . ( 9 )3徐任学.纳米技术和太阳能.太阳能(J )， 2 0 0 0 . ( 8 )4中国科学院固体物理研究所纳米材料和纳米技术应用发展中心.纳米材料及其应用.中国科学院纳米科技网5 白春礼.纳米科技及其发展前景[J ].中国工程咨询，2 0 0 0， ( 4 )6夏秦海.纳米技术与环境保护[J ].环境保护，2 0 0 1， ( 3 )7丘星林，徐安武.纳米级T i O 光催化净化大气的环保涂料[J]. 新型建筑材料，2 0 0 1 , ( 5 )8杨文斌，魏永平，何世文.西部首例纳米材料技术获国家发明 专利[J ].化学建材，2 0 0 19高德财，刘瑜.聚合物一纳米粒子复合材料的应用研究[J ].化学建材，2 0 0 1， ( 5 )l O 张立德.纳米材料研究的进展与我国的对策[J ].科技导 报，2 0 0 0， ( 1 0 )。