5.3奈米材料 基礎化學第五章 生活中的化學 2007.01.04

奈米材料 奈米材料的定義 奈米材料的歷史 奈米材料的結構 奈米材料的種類 奈米材料的特性 實例：奈米金粒子、碳奈管、光觸媒

奈米材料定義 原子和分子的組合，奈米材料是指固體顆粒小到奈米(1奈米=10-9米)尺度的奈米微粒子(也稱之為奈米粉)和晶粒尺寸小到奈米量級的固體和薄膜。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；又一般材料稱為塊材。奈米材料具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。

奈米材料歷史 最早利用奈米材料來命名材料開始於20世紀的80年代，此時也將奈米材料的顆粒尺寸定義為1~100nm，然而奈米材料的發展則更早於此時。 1962年，日本久保等人對金屬超微粒子進行研究，即是超微顆粒的量子限域理論，開啟探索奈米尺度超微顆粒的大門。

奈米材料的結構 1.顆粒狀(代表零維奈米材料，0D) ：零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。如圖一

奈米材料種類 奈米粉末(Nano Powder) 奈米纖維(Nano Fiber) 奈米薄膜(Nano Film) 奈米塊體(Nano Bulk)

奈米粉末Nano Powder 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。吸波隱身材料；防輻射材料；光電子材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；人體修復材料等。實例:奈米金粒子

奈米纖維(Nano Fiber) 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管材料等。如奈米碳管；奈米纖維；奈米柱等。

奈米薄膜(Nano Film) 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；氣體感測材料；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(Nano Bulk) 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。

奈米材料的特性

光學性質 黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在奈米微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑 。 金屬奈米微顆粒對光的反射率很低，通常可低於1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。 奈米金粒子水溶液50ppm 奈米金粒子水溶液500ppm

磁學性質 磁性奈米微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它遊向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為20奈米的磁性氧化物顆粒。 磁有序態轉變成磁無序態，鐵－鈷－鎳合金這樣的強磁性材料的奈米微粒，當顆粒粒徑減小時，其磁化率隨溫度降低而逐漸減少。像是鐵－鈷－鎳合金這樣的強磁性材料的奈米微粒，其信號雜訊比極高，可供做為記錄器使用。

熱學性質 固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10奈米量級時尤為顯著。 金的常規熔點為1064度C，當顆粒尺寸減小到10奈米尺寸時，則降低27度C，2奈米尺寸時的熔點僅為327度C左右。

力學性質 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由奈米微顆粒壓製成的奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。

小尺寸效應 材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，導致其對光、電磁、熱力學、聲等物性展現跟其塊材(bulk materials)時不同的效應。諸如大多數的金屬材料為之光吸收顯著增加、矯頑力(coercive force)增加、熔點下降。

表面效應 材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，其表面原子數隨之增多，比表面積隨之增加，為之表面能亦增加而活性提高的效應。諸如一些金屬或金屬氧化物為之很容易跟其他原子結合，曝露在空氣中會吸附氣體，並進行反應，甚而自燃。

量子穿隧效應 指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一些材料的奈米粒子而具有貫穿能障(barrier)能力的效應。

奈米材料化學製備 氣相沉積法 沉澱法 水熱合成法 溶膠\凝膠法 微乳液法

氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成奈米材料。其特點產品純度高，粒度分佈窄。

沉澱法 把沈澱劑加入到鹽溶液中反應後，將沈澱熱處理得到奈米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。

水熱合成法 高溫高壓下在溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得奈米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。

溶膠凝膠法 金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成奈米粒子。其特點反應物種多，產物顆粒均一，過程易控制，適於氧化物和II~VI族化合物的制備。

微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性的作用下形成乳液，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理後得奈米粒子。其特點粒子的單分散和介面性好，II~VI族半導體奈米粒子多用此法制備。

特性及用途

市場需求

1~100nm間的粒子(SARS病毒) 100NM

圖一 基板上成長薄膜、奈米顆粒、奈米柱等結構

圖二 奈米碳管

圖三

奈米金粒子 1987年，日本的春田正毅（Masatake Haruta）博士發現把奈米級的金粒子承載到金屬氧化物上，所製得的觸媒即使在攝氏零下73度仍可催化一氧化碳的氧化反應。顯示奈米金利子有良好的催化效果。可應用於防毒面具或是其他材料。

碳奈管

奈米光觸媒