什麼是納米材料？
納米材料是具有至少一個外部尺寸的材料，可測量100納米（NM）或更少或具有100 nm或更少的內部結構。具有與已知材料相同組成的納米材料可能具有不同的物理化學特性。
與宏觀上顯示的材料相比，還原為納米級的材料突然顯示出非常不同的特性。例如，不透明的物質變得透明（銅）；惰性材料成為催化劑（鉑）；穩定的材料可燃（鋁）；固體在室溫下變成液體（黃金）；絕緣體成為導體（矽）。
納米材料不僅僅是材料或顆粒微型化的又一步。他們通常需要非常不同的生產方法。有幾個過程可以創建各種尺寸的納米材料，這些納米材料被歸類為“自上而下”和“自下而上”。
納米材料可以由自頂向下技術，從較大的材料中產生非常小的結構，例如通過蝕刻來在矽微芯片的表麵上產生電路。
它們也可能是由自下而上技術，原子原子或分子分子。一種做到這一點的方法是自組裝，其中原子或分子由於其自然特性而排列成一個結構。為半導體行業生長的晶體提供了一個自組裝的例子，大分子的化學合成也是如此。
盡管這種“位置組裝”可提供更大的控製，但目前非常費力，不適合工業應用。
查看我們有關的詳細文章如何製作納米顆粒。
納米對象的ISO定義。包括納米對象包括納米顆粒（所有三個維度中的納米級），納米纖維（二維中的納米級），納米片或納米層（納米層）（納米級（納米級）（僅在一個維度中），包括石墨烯和mxenes。（©John Wiley＆Sons）（單擊放大）
納米材料的應用
如果您在此頁麵的右欄中檢查我們的鏈接，則可以探索許多目前使用納米技術和納米材料的區域。因此，我們不必在這裏重複一次。可以說，通過商品產品和增長率很高，納米技術已經在日常生活中變得無處不在。
下圖顯示了涉及納米材料和納米技術的產品如何分布在行業中：
按行業分支機構按全球納米技術市場。（來源：doi：10.1021/acsnano.1C03992）
分析部門的納米技術收入表明，材料和製造業對納米技術總收入的貢獻最大。考慮到創建任何通用技術的開發的第一階段的第一階段，預計這種趨勢包括基本的跨學科研究，如果納米技術在納米技術的情況下轉化為發現材料特性和納米級成分的合成。但是，在接下來的幾年中，我們可以預期，隨著現有技術將納米式設備合並，這種趨勢會更向應用領域轉向應用領域。
納米技術產生的收入概述（數十億美元）。由行業部門和2010 - 2018年期間分組的納米技術產品產生的總收入。（來源：doi：10.1021/acsnano.1C03992）
納米材料的定義
如果數量分布中的材料的組成粒子中有50％或更多的組成粒子在1 nm至100 nm的尺寸範圍內具有一個或多個外部尺寸，則材料為納米材料。應該注意的是，在任何其他常用尺寸分布度量指標，例如表麵積，體積，體積，體積，體積，數量分布中，有一個或多個外部尺寸在1 nm至100 nm之間的50％的比例始終小於50％。質量或散射的光強度。實際上，這可能是材料總質量的一小部分。
即使產品含有納米材料，或者在使用或衰老過程中釋放納米材料時，該產品本身也不是納米材料，除非它是符合粒度和分數標準的顆粒物材料本身。
體積比表麵積（VSSA）可在特定條件下使用，以表明材料是納米材料。VSSA等於所有顆粒的表麵積之和除以所有顆粒的體積之和。VSSA> 60 m2/厘米3除非顆粒是多孔或粗糙的表麵，否則材料是納米材料的可靠指標，但是許多納米材料（根據基於主要大小的標準）的VSSA小於60 m2/厘米3。VSSA> 60 m2/厘米3因此，標準隻能用於表明材料是納米材料，而不是反之亦然。如果詳細已知粒度分布和粒子形狀，則可以計算樣品的VSSA。反向（計算VSSA值的尺寸分布）是不可行的。
納米材料的尺寸
該納米材料分類基於材料的尺寸數量，該材料的尺寸不在納米級（<100 nm）範圍之外。
納米級維度的分類。（資料來源：塔林技術大學）
因此，在零維（0D）納米材料所有尺寸均在納米級內測量（沒有尺寸大於100 nm）。最常見的是，0D納米材料是納米顆粒。
在一維納米材料（1D），一維在納米級外。該類包括納米管，納米棒和納米線。
在二維納米材料（2D），兩個維度在納米級之外。該類表現出板狀形狀，包括石墨烯，納米膜，納米層和納米塗料。
三維納米材料（3D）是在任何維度上不局限於納米級的材料。該類可以包含散裝粉末，納米顆粒的分散體，納米線束，納米管以及多納米層。
下圖顯示了商業化產品中納米材料維度的分布。數據表明，3D納米材料是最豐富的（占所有材料的85％），特別是納米顆粒，目前在所有納米藥物的78％中都存在。
商業化產品中納米材料維度的分布。（來源：doi：10.1021/acsnano.1C03992）
納米材料的性質
下麵我們概述了一些旨在理解其特性的納米材料的例子。正如我們將看到的那樣，一些納米材料的行為是充分理解的，而另一些納米材料的行為提出了更大的挑戰。
納米級
薄膜，層和表麵
數十年來，在電子設備製造，化學和工程等領域已經開發並使用了一維納米材料，例如薄膜和工程表麵。
例如，在矽綜合電路行業中，許多設備依靠薄膜進行操作，並且對接近原子水平的膜厚度的控製是常規的。
單層（一個原子或分子深的層）也常規製成並用於化學中。這種新材料的最重要例子是石墨烯。
這些層的形成和特性也從原子水平上向上理解，即使在相當複雜的層（例如潤滑劑）和納米塗料。在控製表麵的組成和光滑度以及膜的生長方麵正在取得進步。
具有量身定製的特性（例如較大的表麵積或特定反應性）的工程表麵通常在燃料電池和催化劑等一係列應用中使用。納米顆粒提供的大型表麵積，以及它們在支撐麵上自我組裝的能力，可以在所有這些應用中使用。
盡管它們代表了增量發展，但具有增強性能的表麵應在化學和能量部門中找到應用。
這些好處可能會超越反應堆和分離過程中更高的活動和更高的選擇性所獲得的明顯經濟和資源節省，從而實現小規模的分布式加工（使化學品盡可能接近使用點）。化學工業已經朝著這一行動有所進展。
另一種用途可能是高價值化學物質（例如藥物）的小型現場生產。
石墨烯和其他單層和幾層材料
石墨烯是由碳原子製成的原子尺度蜂窩狀晶格。毫無疑問，石墨烯是最有前途的納米材料之一，因為它具有獨特的精美特性組合，這為其在從電子設備到光學，傳感器和生物視頻的廣泛應用中開辟了一種方法。
例如，基於石墨烯的納米材料在能源相關區域中具有許多有希望的應用。隻是最近的一些例子：石墨烯可提高可充電電池的能源容量和充電率；活性石墨烯使能源儲能的優越超電離烯。石墨烯電極可能導致一種有前途的方法，用於製造廉價，輕巧和柔韌性的太陽能電池。和多功能石墨烯墊是催化係統的有希望的底物（閱讀更多：石墨烯納米技術）。
我們還編譯了一個底漆石墨烯應用程序和使用。而且不要忘記閱讀我們更廣泛的解釋器什麼是石墨烯？
從石墨烯開始的對原子層材料的迷戀使研究人員刺激了其他2D結構，例如金屬碳化物和硝酸鹽。
一個特別有趣的對石墨烯的類似物是2D矽 -矽- 因為它可以使用成熟的半導體技術合成和處理，並且比目前更容易集成到現有電子產品中。
感興趣的另一個材料是2D硼，具有未開發潛力的世界。還有另一種新的二維材料 - 由晶體層，稱為鉬氧化物- 具有獨特的特性，可鼓勵以超高速度自由流動。
二維的納米級
近年來，二維納米材料（例如管和電線）引起了科學界的極大興趣。特別是，它們的新型電氣和機械性能是激烈研究的主題。
碳納米管
碳納米管（CNT）首先是由Sumio Iijima在1991年觀察到的。CNT是滾動石墨烯片的擴展管。CNT有兩種類型：單壁（一根管）或多壁（幾根同心管）。這兩者通常都是直徑的幾納米，幾毫米可長。
CNT由於具有新穎的化學和物理性能而在納米材料的背景下發揮了重要作用。They are mechanically very strong (their Young’s modulus is over 1 terapascal, making CNTs as stiff as diamond), flexible (about their axis), and can conduct electricity extremely well (the helicity of the graphene sheet determines whether the CNT is a semiconductor or metallic). All of these remarkable properties give CNTs a range of potential applications: for example, in reinforced composites, sensors, nanoelectronics and display devices.
CNT現在以有限的數量在商業上可用。它們可以通過幾種技術來種植。但是，具有特定維度和物理特性的CNT的選擇性和統一生產尚待實現。CNT和石棉纖維之間的大小和形狀的潛在相似性引起了人們對其安全性的擔憂。
無機納米管
CNT後不久，發現了基於分層化合物（如鉬二硫）的無機納米管和無機富勒烯樣材料。它們具有出色的摩擦學（潤滑）特性，對衝擊波撞擊的抵抗力，催化反應性以及氫和鋰儲存的高容量，這表明了一係列有希望的應用。正在探索基於氧化物的納米管（例如二氧化鈦），以探索其在催化，光催化和能量儲存中的應用。
納米線
納米線是由自組裝形成的超細線或線性陣列。它們可以用各種材料製成。由矽，硝酸韌帶和磷化磷脂製成的半導體納米線表現出顯著的光學，電子和磁性特性（例如，二氧化矽納米線可以在非常緊的角周圍彎曲光線）。
納米線在高密度數據存儲中具有潛在的應用，無論是作為磁性讀取頭還是圖案存儲介質，以及電子和光電納米電視，用於量子設備和納米電視的金屬互連。
這些納米線的製備依賴於複雜的生長技術，其中包括自組裝過程，在該過程中，原子自然地將自己排列在階梯表麵，化學蒸氣沉積（CVD）上，將其放在圖案化的底物上，電鍍或分子束外部截止（MBE）。“分子束”通常來自熱蒸發的元素源。
生物聚合物
生物聚合物（例如DNA分子）的可變性和現場識別為將線納米結構的自組織化為更複雜的模式提供了廣泛的機會。然後，DNA骨架可能會塗在金屬中。他們還提供了將納米和生物技術連接起來的機會，例如生物相容性傳感器和小型，簡單的電動機。
這種有機骨幹納米結構的自組裝通常受到弱相互作用的控製，例如氫鍵，疏水或範德華的相互作用（通常在水性環境中），因此需要與CNT的綜合策略完全不同。
由生物聚合物和無機化合物組成的一維納米結構的組合為許多科學和技術機會提供了。
納米級三維
納米顆粒
納米顆粒通常被定義為直徑小於100nm的顆粒。我們將納米顆粒分類為直徑小於100nm的顆粒，與同一材料的較大顆粒相比，納米顆粒具有新的或增強的尺寸依賴性特性。
納米顆粒在自然世界中廣泛存在：例如，作為光化學和火山活動的產物，由植物和藻類創造。它們也被創建了數千年，作為燃燒和食物烹飪產品，最近是從車輛排氣中創建的。相比之下，故意生產的納米顆粒（例如金屬氧化物）是少數族裔的。
納米顆粒具有關注，因為它們與相同材料的較大顆粒相比，它們表現出的新特性（例如化學反應性和光學行為）。
例如，二氧化鈦和氧化鋅在納米級變得透明，但是能夠吸收和反射紫外線，並在防曬霜中發現了應用。
納米顆粒具有一係列潛在的應用：在新化妝品，紡織品和油漆中的短期；從長遠來看，在有針對性的藥物輸送方法中，它們可以使用到體內特定部位的藥物。
納米顆粒也可以在表麵上排列成層，從而提供較大的表麵積，從而增強活性，從而與一係列潛在的應用（如催化劑）相關。
製造的納米顆粒通常不是本身的產品，而是現有產品中的原材料，成分或添加劑。
納米顆粒目前屬於許多消費產品，例如化妝品，其增強或新穎的特性可能對其毒性具有影響。
對於大多數應用，納米顆粒將被固定（例如，在表麵或內部連接到複合材料），盡管在其他情況下它們會自由或懸浮在流體中。無論它們是固定的還是自由的，都會對其潛在的健康，安全和環境影響產生重大影響。
富勒烯（碳60）
c60“ Buckyball” Fullerene
在1980年代中期，發現了一類新的碳材料稱為碳60（C60）。發現C的實驗化學家Harry Kroto和Richard Smalley60為了認可建築師Buckminster Fuller，他以建造測量圓頂而聞名的建築師Buckminster Fuller命名為“ Buckminsterfullerene”，然後將富勒烯一詞授予任何封閉的碳籠。C60是直徑約1nm的球形分子，其中包括60個碳原子，這些碳原子排列為20個六角形和12個五角星：足球的配置。
在1990年，一種生產大量C的技術60通過在氦氣大氣中的電阻加熱石墨棒來開發。
設想有幾種應用用於富勒烯，例如微型“滾珠軸承”，以潤滑表麵，藥物輸送車和電子電路。
樹枝狀聚合物
樹狀聚合物是球形聚合物分子，通過納米級分層自組裝過程形成。樹枝狀大分子有很多類型。最小的是幾納米大小。樹枝狀聚合物用於塗料和墨水等常規應用中，但它們也具有一係列有趣的屬性，可以導致有用的應用。
例如，樹枝狀聚合物可以充當納米級載體分子，因此可以用於藥物遞送。樹木聚合物可以捕獲金屬離子，可以通過超濾光技術從水中過濾出來，可以通過樹枝狀聚合物進行輔助。
量子點
半導體的納米顆粒（量子點）在1970年代被理論化，最初是在1980年代初期創建的。如果半導體顆粒足夠小，量子效應就會發揮作用，這限製了顆粒中可以存在電子和孔（不存在電子）的能量。由於能量與波長（或顏色）有關，因此這意味著粒子的光學特性可以根據其尺寸進行細微調整。因此，僅通過控製其大小，就可以製作顆粒以發射或吸收光（顏色）的特定波長（顏色）。
最近，量子點已經在複合材料，太陽能電池（Grätzel細胞）和熒光生物學標簽（例如追蹤生物分子）中發現了應用，該標簽同時使用小粒徑和可調能量水平。
化學的最新進展導致製備受單層保護的，高質量的，單分散的，結晶量子點的直徑小至2nm，可以方便地處理和處理為典型的化學試劑。
納米材料和散裝材料之間的主要差異
兩個主要因素導致納米材料的性質與其他材料顯著不同：相對表麵積增加和量子效應。這些因素可以改變或增強性能，例如反應性，強度和電特性。
隨著粒子的大小減小，與內部的原子相比，表麵上發現了更大比例的原子。例如，大小30 nm的粒子在其表麵上有5％的原子，其原子的20 nm和其原子的3 nm 50％。
因此，與較大的顆粒相比，納米顆粒的表麵積要大得多。隨著生長和催化化學反應在表麵上發生，這意味著納米含量形式的給定材料比由較大顆粒組成的材料質量要高得多。
要了解粒徑對表麵積的影響，請考慮使用美國銀鷹硬幣。這銀美元包含31克硬幣銀，總表麵積約為3000平方毫米。如果將相同數量的硬幣銀分為微小的顆粒（例如直徑10納米，那麼這些顆粒的總表麵積將為7000平方米（等於足球場的大小，或大於地板空間白宮，為5100平方米）。換句話說：當將銀美元中的硬幣銀數量呈現為10 nm顆粒時，這些顆粒的表麵積比銀美元的表麵積大於200萬倍！