纳米材料的制备方法与应用领域研究

刘姝君

（吉林工业职业技术学院化学工程学院，吉林 吉林 132013）

1 引言

随着现代科学技术的不断发展，纳米材料以其独特的结构和性能受到了人们的密切关注。通过化学、物理、生物等多学科的知识和方法制备出来的纳米材料也应用到社会生产的各个领域当中，如改造汽车发动机部件、制造微型化的军事武器等，因此起到了减少能源消耗和提高使用性能的作用。然而，纳米材料制备和实际应用尚存在着许多的问题，如制备方法不够全面、应用范围较为狭窄等。这些都给纳米材料的应用发展带来了较大的影响，因此迫切需要对纳米材料进行更加深入的研究，并结合应用领域的实际需要，采用更加有效方法进行制备，以促进社会各领域的发展。鉴于此，笔者对纳米材料的制备方法和应用领域进行研究与分析。

2 纳米材料及其特性

纳米材料作为一种新型材料，指的是在三维空间中至少有一堆处于纳米尺寸或由其作为基本单元所构成的材料。

纳米材料的特性主要表现为以下几方面：

（1）表面效应

纳米微粒的尺寸比较小，表面能较高，位于表面的原子则占据了较大的比例，并且随着粒径的不断减小，表面原子数呈现出迅速增加的状态。因此，纳米材料的表面效应就是纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着粒径变小而急剧变大后所引发的性质变化。尤其是在粒径降低至1 nm 后，表面原子数的比例可以达到90%以上，此时原子基本都集中在纳米粒子表面，这也从侧面反映出纳米材料具有较好的化学活性。

（2）小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长以及超导态的相干长度相当或更小时，晶体周期性的边界条件就会被破坏，使得纳米微粒的光学和热力学等特性呈现出新的小尺寸效应。例如：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同，并展现出超顺磁性的特点[1]。

（3）量子尺寸效应

当粒子尺寸下降至某一固定值后，金属费米能级附近的电子能级会出现离散能级的现象，使得所占据的分子轨道能隙变宽。通过纳米材料的量子尺寸效应，还可以对纳米粒子的热能、静电能、光子能量等特性作出更直接的解释。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子所具备的可以贯穿势垒的能力，被称之为隧道效应。作为未来微电子器件的基础，当微电子器件进一步细微化时，就必须对宏观量子隧道效应进行充分考虑。

3 纳米材料的制备方法

3.1 物理法

3.1.1 气体冷凝法

气体冷凝法是在低压He 或Ar 等惰性气体中，对金属、合金和陶瓷等进行加热，促使其蒸发气化，再与惰性气体碰撞而冷凝形成超微粒的方法。整个制备过程不仅要在超高真空室内进行，还要采用分子涡轮的方式使材料达到0.1 Pa 以上的真空度，先充入约2 kPa 的纯净惰性气体，再将待蒸发物质置于坩埚内，然后通过石墨加热器逐渐加热蒸发，而在惰性气体的对流影响下，烟雾会不断向上移动，当原物质发出的原子与惰性气体碰撞后会迅速损失能量完成冷却，最终形成单个纳米微粒。该制备方法主要用于Ag、Cu和Au 等低熔点金属纳米粒子的合成，具有十分明显的设备简单、操作方便和粒度齐整等优点。

3.1.2 等离子体加热蒸发法

等离子体是由大量自由电子和离子的气体分子和原子所组成的，整体上表现为近似于电中性的电离气体。当高温等离子体以100～500 m/s的速度到达金属或化合物原料表面后，可迅速溶解于金属溶体，并形成溶解的超饱和区、过饱和区和饱和区，当原子或离子进行重新组合后，再从金属溶体表面溢出，所蒸发出的金属原子蒸汽受到遭遇周围气体影响后，就会快速冷却或者发生反应，最终形成纳米粒子。该制备方法几乎可以制取任何金属的微粒，并且急冷形成原物质的纳米离子为纯粹的物理过程。当然，该法也存在不足，如等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质吹飞。

3.1.3 溅射法

采用溅射法制备纳米微粒主要是用两块金属板分别作为阳极和阴极，其中阴极是蒸发用的材料，通过在两电极间充入40～250 Pa 的Ar 气，并施加0.3～1.5 kV 的电压，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从表面蒸发而形成超微粒子，最终在附着面上进行沉积。整个过程中粒子大小和尺寸的分布主要取决于两电极间的电压、电流和气体压力，并且靶材的表面积越大，原子的蒸发速度就越高，最后获得的超微粒也就越多。该制备方法具有实际应用不需要使用坩埚、粒子收率高等优点[2]。

3.2 化学法

3.2.1 溶胶-凝胶法

作为湿化学反应方法之一，无论初始原料使用的是金属醇盐还是无机盐，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂形成均匀的溶液后，先在溶质与溶剂发生醇解反应，生成物聚集成1 nm 左右的粒子，再经过蒸发干燥后转变为凝胶。该制备方法具有反应温度低、过程易于控制和制品纯度高等优势，但是由于操作过程所使用原料多为有机化学物，不仅需要投入较多的成本，处理过程时间还比较长。

3.2.2 化学气相沉积法

气相沉积是利用气态或蒸汽态物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。化学气相沉积则是近年发展起来的制备无机材料的新技术，在提纯物质、研制新晶体和沉积各种单晶等材料中的应用较多。采用化学气相沉积法制备纳米微粒主要是在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应使反应产物蒸汽形成较高过饱和蒸气压，并自动凝聚形成大量晶核，随着这些晶核的不断长大，会聚集成颗粒并跟随气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体[3]。该制备方法具有可得到单一无机合成物质、沉积生成纳米尺度的微粒等优势。

3.2.3 水热合成法

在水热条件下，水可以作为一种化学组分起作用并参加反应。在这过程中，水既是溶剂又是矿化剂，同时还可以作为压力传递介质，在参加渗析反应和控制物理化学因素中，实现对无机化合物的改性与形成。该制备方法具有粉末达到纳米级、分散性较好、形状可控等优势。

4 纳米材料的应用领域

4.1 催化领域

由于纳米粒子的活性中心比较多，将其应用于催化领域，可以起到降低能耗和节约成本的作用。例如：与普通材料相比，纳米镍粉作为火箭的固体燃烧原料，其燃烧效率可以提高100 倍，与常规催化液相比则提高了2～3 个数量级，进一步提升了火箭的发射速度，减少了整个过程的能源消耗量。另外，在将纳米材料作为催化剂时，要选择粒径为30 nm 的生成环辛烯反应催化剂，只有这样才能充分发挥纳米材料的催化作用[4]。

4.2 陶瓷领域

纳米材料在陶瓷领域应用较为广泛，特别是在精细陶瓷制作方面。由于精细陶瓷主要以人工合成为主，在将高纯度纳米粉末应用至其中后，可以通过对纳米粉末进行烧结、加工等处理，得到更为精细的陶瓷制品。在精细陶瓷制作过程中，应用纳米粉末就可以充分发挥其高坚韧性和耐腐蚀性等特征，从而更好地满足精细陶瓷行业发展的最新需求[5]。另外，在常温条件下，纳米陶瓷TiO2和CaF2拥有更好的延展功能，这也为新时期陶瓷行业获得纵深发展提供了有力支持，促使人们在设计和制作陶瓷产品时，注重以更加科学合理的方式将纳米粉末融入其中。

4.3 纺织领域

纳米粒子所具备的微观结构和光谱特性，决定了其在纺织领域具有较高的应用价值。将纳米材料应用纺织物生产制作中，不仅可以制作出具有更多功能的纺织物；还可以在制作过程中，通过对纳米材料进行处理和分解，使纳米粒子与粘胶纤维更为有效地混合，最终制作出纺织物的质量也能得到了明显的提高。同时，采用纳米材料制作纺织物，还可以起到提高纺织物性能的作用。在具体操作中，只需对纳米材料的微观结构和光谱特性加以利用，就可以使制作纺织物具备抗紫外线和抗电磁波等功能。

4.4 军事领域

在军事领域进行应用纳米材料可以制造出更加先进的武器设备。与传统武器相比，应用纳米材料所制作的军用武器具备超微型化特征，并且在武器重量和体积方面呈现出急剧降低的特点。因此，在训练和作战中应用超微型化的武器装备，不仅减轻了军人的身体负担，还能提升队伍的整体作战能力。同时，应用纳米材料制作的军事武器还具备高度智能化特征，尤其是在工作速度方面，比传统武器快速了千倍以上，而体积则缩小近千分之一，还支持同一时间获取更多信息，为国防现代化建设发展创造了无限价值[6]。

4.5 磁记录领域

作为信息储存与处理的重要手段，磁记录在社会进步发展中发挥着至关重要的作用。随着信息网络技术的不断发展，人们对磁记录应用的重视程度也在逐渐提升。将纳米材料应用到该领域当中，就可以充分发挥纳米微粒尺寸较小、韧性较强和单磁结构等优势，使新时期磁记录功能更加完善和强大，从而切实解决噪音、图像质量偏低等问题。在实际操作中，通常会采用超细针磁粉作为磁记录的主要材料，这样磁记录密度就可以提高十倍及以上。

4.6 传感器领域

凭借纳米微粒所具有活性较高、表面积大的特征可以制作气敏、光敏等不同形式的传感器。有了纳米材料的加持，使所制作的传感器具有灵敏度高的特点，还可以利用纳米微粒的热电效应制作红外线传感器。只有这样才能在有效发挥纳米微粒多样化功能的同时，制作出更多的且能够满足不同领域需求的传感器[7]。

4.7 光伏电池领域

纳米材料在光伏电池制作中的应用很早就已经开始了，并且纳米光伏电池的制备也较为简单，只需要借助太阳辐射光源获得光电转换效率即可。在实践中，除了较为常见的TiO2纳米晶光电池以外，还有ZnO、WO3等光伏电池。应用纳米材料制作光伏电池，不仅丰富了光伏电池的种类，还在最大程度上满足了不同电池性能的使用需求。

4.8 医学领域

血液中红血球的大小有6 000～9 000 nm，而纳米粒子则只有几个纳米大小，这从侧面说明纳米粒子可以在血液中自由的活动。如果将各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体中，就可以对病变部位进行检查和治疗。同时，将纳米技术应用到药品生产当中，也可以促进药品生产精细化发展。尤其是在制造特定功能药品时，可以在纳米材料的基础上直接利用原子、分子的排布，这样就凭借纳米粒子的加持使药物在人体内更加方便灵活地传输[8]。

5 结语

纳米材料作为一种新型材料，具有较好的光学和力学性能，并在社会各领域中有较好的应用价值，如利用纳米材料推进武器制作微型化和智能化，利用纳米粒子生产特定药品等。当然，要达到理想效果，就要选用合适的方法对纳米微粒进行制备。因此，应奠定好纳米材料在医学、军事和纺织等领域中的深化应用基础同时，进而促进纳米材料获得更好的发展。