什麼是納米材料?
納米材料是指至少有一個外部尺寸為100納米(nm)或內部結構為100納米或更小的材料。與已知的大塊材料具有相同成分的納米材料可能具有不同的物理化學性質。
降低到納米尺度的材料可以突然顯示出與它們在宏觀尺度上表現出的完全不同的性質。例如，不透明的物質變得透明(銅);惰性材料變成催化劑(鉑);穩定材料變為可燃材料(鋁);固體在室溫下會變成液體(金);絕緣體變成導體(矽)。
納米材料不僅僅是材料或粒子小型化的又一步。它們通常需要非常不同的生產方法。製造各種大小的納米材料有幾個過程，分為“自上而下”和“自下而上”。
納米材料可以由自頂向下技術，從較大的材料塊生產非常小的結構，例如通過蝕刻在矽微芯片表麵創建電路。
它們也可以由自底向上技術，一個原子一個原子，一個分子一個分子。其中一種方法是自組裝，即原子或分子根據其自然性質自行排列成一種結構。為半導體工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。
雖然這種“定位組裝”對施工提供了更好的控製，但目前非常費力，不適合工業應用。
查看我們關於納米顆粒是如何形成的．
納米物體的ISO定義。納米物體包括納米粒子(所有三維的納米尺度)，納米纖維(二維的納米尺度)，以及納米片或納米層(僅一維的納米尺度)，包括石墨烯和MXenes。(©John Wiley & Sons)(點擊放大)
納米材料的應用
如果您查看本頁右欄的鏈接，您可以探索目前使用納米技術和納米材料的許多領域。所以我們不需要在這裏重複。隻要說納米技術已經通過商品產品在日常生活中無處不在，並且增長速度強勁就足夠了。
下圖顯示了涉及納米材料和納米技術的產品在各個行業的分布情況:
全球納米技術市場按行業劃分。(來源:doi: 10.1021 / acsnano.1c03992)
按部門分析納米技術收入表明，材料和製造業對納米技術總收入的貢獻最大。考慮到創造任何通用技術的發展的第一階段包括基礎跨學科研究，在納米技術的情況下，這轉化為材料特性的發現和納米級組件的合成，這種趨勢是預期的。然而，在未來的幾年裏，我們可以預期這一趨勢將更多地轉向應用領域，因為納米器件將與現有技術相結合。
納米技術產生的收入概述(數十億美元)。納米技術產品產生的毛收入，按行業部門分組，2010-2018年期間。(來源:doi: 10.1021 / acsnano.1c03992)
納米材料的定義
如果一種材料在數量尺寸分布中有50%或以上的組成粒子具有一個或多個尺寸在1nm至100nm範圍內的外部尺寸，則該材料是納米材料。應該注意的是，在數字尺寸分布中，一個或多個外部尺寸在1 nm到100 nm之間的50%的分數，在任何其他常用的尺寸分布指標(如表麵積、體積、質量或散射光強)中總是小於50%。事實上，它可能隻是物質總質量的一小部分。
即使產品中含有納米材料，或者在使用或老化過程中釋放出納米材料，產品本身也不是納米材料，除非它本身是符合粒徑和分數標準的顆粒材料。
體積比表麵積(vsa)可以在特定條件下用於表明材料是納米材料。vsa等於所有粒子的表麵積之和除以所有粒子的體積之和。vsa > 60 m2/厘米3.可能是材料是納米材料的可靠指標，除非顆粒是多孔的或具有粗糙的表麵，但許多納米材料(根據主要的基於尺寸的標準)的vsa將小於60米2/厘米3.．vsa > 60m2/厘米3.因此，標準隻能用來表明一種材料是納米材料，而不是反之亦然．如果詳細地知道樣品的粒徑分布和顆粒形狀，則可以計算樣品的vsa。相反(從vsa值計算大小分布)是不可行的。
納米材料的尺寸
這種納米材料分類是基於材料的維數，這些維數在納米尺度(<100納米)範圍之外。
納米尺度尺寸分類。(資料來源:塔林工業大學)
因此,在零維(0D)納米材料的所有尺寸都在納米尺度內測量(沒有尺寸大於100nm)。最常見的0D納米材料是納米顆粒。
在一維納米材料(一維)，一維是在納米尺度之外。這類包括納米管、納米棒和納米線。
在二維納米材料(2D)，二維是納米尺度之外的。這類材料呈板狀，包括石墨烯、納米膜、納米層和納米塗層。
三維納米材料(3D)是指在任何維度上都不局限於納米尺度的材料。該類材料可以包含散裝粉末、納米顆粒分散體、納米線束、納米管以及多納米層。
下圖展示了商業化產品中納米材料維數的分布。數據顯示，3D納米材料是最豐富的(占所有材料的85%)，特別是納米顆粒，目前存在於所有納米產品的78%中。
商業化產品中納米材料維數的分布。(來源:doi: 10.1021 / acsnano.1c03992)
納米材料的性質
下麵我們概述了一些納米材料的例子，旨在了解它們的性質。正如我們將看到的，一些納米材料的行為已被很好地理解，而其他納米材料則麵臨更大的挑戰。
一維的納米尺度
薄膜，層和表麵
一維納米材料，如薄膜和工程表麵，已經在電子設備製造、化學和工程等領域開發和使用了幾十年。
例如，在矽集成電路工業中，許多設備依賴於薄膜進行操作，並且控製薄膜厚度接近原子水平是常規的。
單分子層(一個原子或分子深度的層)在化學中也經常被製造和使用。這種新型材料最重要的例子是石墨烯。
這些層的形成和性質從原子水平上已經很好地理解了，即使在相當複雜的層(如潤滑劑)中也是如此nanocoatings．在控製表麵的組成和光潔度以及薄膜的生長方麵正在取得進展。
具有定製特性(如大表麵積或特定反應性)的工程表麵通常用於燃料電池和催化劑等一係列應用。納米顆粒提供的大表麵積，以及它們在支撐表麵上自組裝的能力，可以在所有這些應用中使用。
雖然它們代表了漸進式的發展，但具有增強性能的表麵應該在整個化學和能源領域得到應用。
其好處可能超過反應器和分離過程中更高的活性和更高的選擇性所實現的明顯的經濟和資源節省，從而實現小規模分布式處理(使化學品盡可能接近使用點)。化學工業已經朝著這個方向發展了。
另一種用途可能是現場小規模生產高價值化學品，如藥品。
石墨烯和其他單層和少層材料
石墨烯是由碳原子構成的原子尺度蜂窩狀晶格。石墨烯無疑是最有前途的納米材料之一，因為它具有獨特的性能組合，這為其在電子、光學、傳感器和生物設備等廣泛應用領域的開發開辟了道路。
例如，基於石墨烯的納米材料在能源相關領域有許多有前途的應用。舉幾個最近的例子:石墨烯可以提高可充電電池的能量容量和充電速率;活化石墨烯可製成超級電容器用於能量存儲;石墨烯電極可能為製造廉價、輕便、靈活的太陽能電池提供一種有前途的方法;多功能石墨烯墊是催化係統的有前途的基質(閱讀更多:石墨烯納米技術在能源中的應用)．
從石墨烯開始，人們對原子層材料的迷戀促使研究人員尋找其他二維結構，例如金屬碳化物和氮化物．
石墨烯的一個特別有趣的類似物是二維矽silicene——因為它可以用成熟的半導體技術合成和加工，而且比石墨烯更容易集成到現有的電子產品中。
另一個有趣的材料是2 d硼這是一種具有未開發潛力的元素。還有另一種新的二維材料，由被稱為氧化鉬的晶體層-具有獨特的性質，鼓勵電子在超高速自由流動。
二維納米尺度
近年來，二維納米材料如管和線在科學界引起了相當大的興趣。特別是，它們新穎的電氣和機械性能是密集研究的主題。
碳納米管
碳納米管(CNTs)由Sumio Iijima於1991年首次發現。碳納米管是軋製的石墨烯薄片的延伸管。碳納米管有兩種類型:單壁(一個管)或多壁(幾個同心管)。它們的直徑通常都隻有幾納米，長度從幾微米到幾厘米不等。
碳納米管由於其新穎的化學和物理性質，在納米材料領域發揮了重要作用。它們的機械強度非常高(楊氏模量超過1兆兆帕，使得碳納米管像鑽石一樣堅硬)、柔性(繞軸)，並且導電性能非常好(石墨烯薄片的螺旋度決定了碳納米管是半導體還是金屬)。所有這些顯著的性能賦予了碳納米管一係列潛在的應用:例如，在增強複合材料、傳感器、納米電子和顯示設備中。
碳納米管現在在商業上有限量供應。它們可以通過幾種技術來生長。然而，具有特定尺寸和物理性能的碳納米管的選擇性和均勻生產尚未實現。碳納米管和石棉纖維之間在尺寸和形狀上的潛在相似性導致了對其安全性的擔憂。
無機納米管
無機納米管和基於層狀化合物(如二硫化鉬)的無機富勒烯類材料在CNTs之後不久被發現。它們具有優異的摩擦學(潤滑)性能，抗衝擊波衝擊，催化反應性，以及高容量的氫和鋰存儲，這表明了一係列有前途的應用。氧化物基納米管(如二氧化鈦)在催化、光催化和儲能方麵的應用正在被探索。
納米線
納米線是通過自組裝形成的超細線或點的線性陣列。它們可以由各種各樣的材料製成。由矽、氮化镓和磷化銦製成的半導體納米線已經表現出顯著的光學、電子和磁特性(例如，二氧化矽納米線可以使光線在非常狹窄的角落彎曲)。
納米線在高密度數據存儲中具有潛在的應用前景，可以作為磁性讀頭或圖像化存儲介質，也可以作為電子和光電納米器件，用於量子器件和納米器件的金屬互連。
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，其中原子自然地排列在階梯狀表麵上，化學氣相沉積(CVD)到有圖案的基片上，電鍍或分子束外延(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(如DNA分子)的可變性和位點識別為金屬絲納米結構自組織成更複雜的模式提供了廣泛的機會。例如，DNA骨架可能會被金屬包裹。它們還提供了將納米和生物技術聯係起來的機會，例如，生物兼容傳感器和小型簡單電機。
有機骨架納米結構的這種自組裝通常由弱相互作用控製，例如氫鍵、疏水或範德華相互作用(通常在水環境中)，因此需要與碳納米管完全不同的合成策略。
由生物聚合物和無機化合物組成的一維納米結構的結合開辟了許多科學和技術機會。
三維納米尺度
納米粒子
納米粒子通常定義為直徑小於100nm的粒子。我們將納米顆粒分類為直徑小於100nm的顆粒，與相同材料的較大顆粒相比，它們表現出新的或增強的尺寸依賴特性。
納米顆粒廣泛存在於自然界中:例如，作為光化學和火山活動的產物，以及由植物和藻類產生。數千年來，它們也是燃燒和烹飪食物的產物，最近則是汽車尾氣的產物。相比之下，故意製造的納米顆粒，如金屬氧化物，隻是少數。
納米顆粒之所以引起人們的興趣，是因為與相同材料的較大顆粒相比，它們表現出了新的性質(如化學反應性和光學行為)。
例如，二氧化鈦和氧化鋅在納米尺度上是透明的，但能夠吸收和反射紫外線，並在防曬霜中得到應用。
納米顆粒有一係列潛在的應用:短期內用於新型化妝品、紡織品和油漆;從長遠來看，在靶向藥物輸送的方法中它們可以被用於將藥物輸送到體內的特定部位。
納米顆粒還可以在表麵上排列成層，提供大的表麵積，因此增強了活性，與催化劑等一係列潛在應用相關。
人造納米顆粒本身通常不是產品，而是作為現有產品的原材料、成分或添加劑。
納米顆粒目前存在於許多消費品中，如化妝品，其增強或新穎的性質可能會影響其毒性。
對於大多數應用，納米顆粒將是固定的(例如，附著在表麵或複合材料內部)，盡管在其他應用中，它們將是自由的或懸浮在流體中。它們是固定的還是免費的，將對其潛在的健康、安全和環境影響產生重大影響。
富勒烯(碳60)
C60“巴基球”富勒烯
在20世紀80年代中期，一種新的碳材料被發現，稱為碳60 (C60)．哈裏·克羅托和理查德·斯莫利，發現C60它被命名為“巴克敏斯特富勒烯”，以表彰建築師巴克敏斯特富勒，他以建造測地圓頂而聞名，富勒烯一詞隨後被用於任何封閉的碳籠。C60是直徑約1納米的球形分子，由60個碳原子組成，排列成20個六邊形和12個五邊形:足球的結構。
1990年，一種生產大量C60在氦氣氛中電阻加熱石墨棒。
富勒烯的幾種應用被設想為，例如用於潤滑表麵的微型“球軸承”，藥物輸送載體和電子電路。
樹枝狀分子
樹狀大分子是球形聚合物分子，通過納米級層次自組裝過程形成。樹突分子有很多種;最小的隻有幾納米大小。樹狀大分子被用於塗料和油墨等傳統應用，但它們也有一係列有趣的特性，可能會帶來有用的應用。
例如，樹狀大分子可以作為納米級的載體分子，因此可以用於藥物輸送。樹狀大分子可以幫助環境清理，因為它們可以捕獲金屬離子，然後用超濾技術將金屬離子從水中過濾出來。
量子點
半導體納米粒子(量子點)是在20世紀70年代提出的理論，最初是在20世紀80年代初提出的。如果半導體粒子被做得足夠小，量子效應就會發揮作用，它會限製電子和空穴(沒有電子)在粒子中存在的能量。由於能量與波長(或顏色)有關，這意味著粒子的光學性質可以根據其大小進行微調。因此，隻要控製粒子的大小，就可以使粒子發射或吸收特定波長(顏色)的光。
最近，量子點在複合材料、太陽能電池(Grätzel cells)和熒光生物標簽(例如追蹤生物分子)中得到了應用，這些標簽同時使用了小顆粒尺寸和可調諧的能級。
近年來，隨著化學的發展，製備出了直徑小至2nm的單層保護、高質量、單分散的晶體量子點，可以方便地作為典型的化學試劑進行處理和加工。
納米材料和塊狀材料的主要區別
兩個主要因素導致納米材料的性能顯著不同於其他材料:增加的相對表麵積和量子效應。這些因素可以改變或增強反應性、強度和電特性等性能。
當粒子變小時，表麵的原子比內部的原子多。例如，粒徑為30納米的粒子表麵有5%的原子，粒徑為10納米的粒子表麵有20%的原子，粒徑為3納米的粒子表麵有50%的原子。
因此，與較大的顆粒相比，納米顆粒具有更大的單位質量表麵積。由於生長和催化化學反應發生在表麵，這意味著一定質量的納米顆粒形式的材料將比相同質量的由更大顆粒組成的材料更具活性。
為了了解顆粒大小對表麵麵積的影響，考慮一枚美國銀鷹硬幣。這枚銀元含有31克硬幣銀，總表麵積約為3000平方毫米。如果把等量的銀幣分成直徑為10納米的小顆粒，這些顆粒的總表麵積將是7000平方米(相當於一個足球場的大小)，或者比白宮的麵積還大，白宮的麵積是5100平方米。換句話說:當一枚銀元中所含的硬幣銀被渲染成10納米的顆粒時，這些顆粒的表麵積比銀元的表麵積大200多萬倍!