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0.奈米材料是一群原子和分子的組合,其研究主要是針對尺度在1~100nm材料的製造技術和新材料性質的研究,奈米材料是現今奈米科技領域當中相當重要的一支,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,提出相當著名的久保理論,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。 大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、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。
1.奈米材料的種類
(1) 奈米粉末(Nano Powder)
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;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與布線材料;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;抗癌制劑等。
(2) 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。
(3) 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。(4) 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。對奈米材料的認識才剛剛開始,目前還知之甚少。從個別實驗中所看到的種種奇異性質,說明這是一個非常誘人的領域,對奈米材料的開發,將會為人類提供前所未有的有用材料。
2.奈米材料的特性
(1) 特殊的光學性質當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。由此可見,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。微粒尺寸縮小時,光吸收度或微波吸收度都顯著增加,並且產生吸收峰等離子的共振頻移,產生新的光學特性,如對紅外線有吸收和發射作用,但對紫外線有遮蔽作用等,不同粒徑材料的遮蔽力將隨光波長大小而有所不同。
(2) 特殊的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。例如,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;銀的常規熔點為670度C,而超微銀顆粒的熔點可低於100度C。因此,超細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結,此時元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑膠。奈米材料表面原子的振幅約為內部原子的1倍,著粒徑逐漸減小,表面原子的比例也逐漸日增,奈米材料的熔點將會降低。奈米微粒在低溫時,其熱阻很小,熱導性極佳,可做為低溫導熱材料。
(3) 特殊的磁學性質人們發現鴿子、海豚、蝴蠂、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物中存在奈米微的磁性顆粒,這生物在地磁場導航下能辨別方法,使這類生物在地磁場導笐下能辨別方向,具有回歸的本領。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。由於奈米材料的小尺寸效應,使得磁有序態轉變成磁無序態,超導相轉變為正常相,因而產生新的磁學特性。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。
(4) 特殊的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。由於奈米材料表面原子的配位不足,再加上極強的凡得瓦力的作用下,使得奈米複合材料的強度、耐磨性、韌性、耐壓性、抗老化性、緻密性與防水性等特性大為增加和改善。
3.奈米材料的物理效應
(1) 小尺寸效應指當材料隨奈米化,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。
(2) 表面效應指當材料隨奈米化,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。
(3) 量子尺寸效應指當材料隨奈米化,大小趨向奈米尺寸,一材料如金屬和半導體其價帶(valence band)和能帶(energy band)的帶隙會為之變寬的效應,向展現絕緣性。
(4) 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。
(5) 庫倫堵塞效應指當材料隨奈米化,大小趨向奈米尺寸,一些材料如金屬和半導體呈現充放電和放電過程是不連續的效應。換言之,電流隨電壓的上升不再呈現直線上升,而階梯式上升。
