納米材料是什麼?
納米材料是指至少有一個外部尺寸為100納米或更小，或內部結構為100納米或更小的材料。與已知的塊狀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。
與宏觀尺度相比，納米尺度的材料會突然表現出非常不同的性質。例如，不透明的物質變成透明的(銅);惰性材料成為催化劑(鉑);穩定的材料變成可燃的(鋁);固體在室溫下變成液體(黃金);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。製造不同尺寸的納米材料有幾種方法，可分為“自上而下”和“自下而上”。
納米材料可以通過自頂向下技術，用大塊的材料製造非常小的結構，例如通過蝕刻在矽微芯片表麵製造電路。
它們也可以由自底向上技術，一個原子一個原子或一個分子一個分子。其中一種方法是自組裝，在這種方法中，原子或分子根據它們的自然屬性將自己排列成一種結構。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“位置裝配”提供了對施工的更大控製，但目前它非常費力，不適合工業應用。
查看我們關於納米粒子是如何形成的．
ISO對納米物體的定義。作為納米物體包括納米顆粒(所有三維的納米級)、納米纖維(二維的納米級)和包括石墨烯和MXenes的納米片或納米層(一維的納米級)。(©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，您可以探索納米技術和納米材料目前使用的許多領域。所以我們不需要在這裏重複。可以說，納米技術已經通過商品產品在日常生活中無處不在，而且增長速度強勁。
下圖顯示了涉及納米材料和納米技術的產品在不同行業的分布情況:
全球納米技術市場的行業分支。(來源:doi: 10.1021 / acsnano.1c03992)
按部門分析納米技術收入顯示，材料和製造業對納米技術總收入的貢獻最大。考慮到在創造任何通用技術的發展的第一階段包括基礎的跨學科研究，這種趨勢是意料之中的。就納米技術而言，這轉化為發現材料特性和納米級組件的合成。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，因為納米設備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)。按行業部門和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
如果一種材料在數量大小分布中50%或以上的組成粒子具有一個或多個外部尺寸在1納米到100納米的尺寸範圍內，則該材料為納米材料。應該注意的是，一個或多個外部尺寸在1納米到100納米之間的數字尺寸分布中的50%的部分，在任何其他常用的尺寸分布度量中，如表麵積、體積、質量或散射光強，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納米材料，產品本身也不是納米材料，除非它本身是符合顆粒大小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來表示一種材料是納米材料。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米2/厘米3.可能是一種材料是納米材料的可靠指標，除非顆粒是多孔的或表麵粗糙，但許多納米材料(根據基於主要尺寸的標準)的vsa小於60米2/厘米3.．vsa > 60米2/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．如果對樣品的粒徑分布和顆粒形狀有詳細的了解，就可以計算出樣品的vsa。相反(從vsa值計算大小分布)是不可行的。
納米材料的尺寸
這種納米材料的分類是基於材料的維數，在納米尺度(<100 nm)範圍之外。
納米尺度的分類。(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(尺寸均不大於100 nm)。最常見的0D納米材料是納米顆粒。
在一維納米材料(1D)，一維是在納米尺度之外。這類材料包括納米管、納米棒和納米線。
在二維納米材料(二維)，二維是在納米尺度之外的。這類材料呈片狀，包括石墨烯、納米薄膜、納米分子層和納米塗層。
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。這一類可以包含大塊粉末、納米粒子分散體、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的維度分布。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，目前在所有納米產品中占78%。
納米材料在商業化產品中的維數分布。(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，旨在了解其特性。正如我們將看到的，一些納米材料的行為已經很好理解，而另一些則麵臨更大的挑戰。
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，許多器件的工作依賴薄膜，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就是石墨烯。
這些層的形成和性質可以從原子層麵上很好地理解，甚至在相當複雜的層(如潤滑劑)和nanocoatings．在控製表麵的成分和光滑度以及薄膜的生長方麵取得了進展。
具有定製特性的工程表麵，如大表麵積或比反應活性，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的自組裝能力，可以在所有這些應用中使用。
雖然它們代表著漸進的發展，但具有增強性能的表麵應該在整個化學和能源部門得到應用。
其好處可能超過在反應器和分離過程中提高活性和提高選擇性所取得的明顯的經濟和資源節約，從而實現小規模分布式處理(使化學品盡可能接近使用點)。化工行業已經在朝著這個方向發展。
另一個用途可能是小規模、現場生產高價值化學品，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級蜂窩狀晶格。石墨烯無疑是最有前途的納米材料之一，因為它獨特的結合了高超的性能，這為它在從電子到光學、傳感器和生物設備的廣泛應用開辟了道路。
例如，石墨烯基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:石墨烯提高了充電電池的能量容量和充放電率;活化石墨烯可製成超級電容器用於儲能;石墨烯電極可能會帶來一種有前途的方法，使太陽能電池便宜、輕、靈活;多功能石墨烯墊是催化係統的有前途的襯底。能源領域的石墨烯納米技術)．
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，比如金屬碳化物和氮化物．
一個特別有趣的石墨烯類似物是二維矽silicene——因為它可以用成熟的半導體技術合成和加工，而且比目前的石墨烯更容易集成到現有的電子設備中。
二維的納米尺度
近年來，像管和線這樣的二維納米材料在科學界引起了極大的興趣。特別是它們新穎的電學和力學性能是人們激烈研究的課題。
碳納米管
碳納米管(CNTs)首次由Sumio Iijima在1991年發現。碳納米管是石墨烯片的延伸管。碳納米管有兩種類型:單壁(一個管)或多壁(幾個同心管)。這兩種物質的直徑通常都是幾納米，長則是幾微米到厘米。
由於碳納米管具有新穎的化學和物理性質，在納米材料中扮演著重要的角色。它們在機械上非常強(其楊氏模量超過1太帕斯卡，使碳納米管像鑽石一樣堅硬)、柔韌(圍繞其軸)，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使碳納米管具有一係列潛在的應用: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
基於層狀化合物(如二硫化鉬)的無機納米管和無機富勒烯類材料在碳納米管之後不久被發現。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，高容量的氫和鋰存儲，這表明一係列有前途的應用。基於氧化物的納米管(如二氧化鈦)正在探索其在催化、光催化和能量儲存方麵的應用。
納米線
納米線是由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表現出了顯著的光學、電子和磁性特性(例如，二氧化矽納米線可以使光彎曲到非常緊密的角落)。
納米線在高密度數據存儲中具有潛在的應用前景，無論是作為磁性讀頭還是作為圖形存儲介質，以及作為量子器件和納米器件的金屬互連的電子和光電納米器件。
這些納米線的製備依賴於複雜的生長技術，包括自組裝過程，其中原子在階梯表麵自然排列，化學氣相沉積(CVD)到有圖形的基底，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線納米結構的自組織形成更複雜的圖案提供了廣泛的機會。例如，DNA骨幹可能會被金屬包裹。它們還提供了將納米技術和生物技術聯係起來的機會，例如，生物兼容傳感器和小型、簡單的馬達。
有機骨架納米結構的這種自組裝通常受到弱相互作用的控製，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等截然不同的合成策略。
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。
三維的納米尺度
納米粒子
納米粒子通常定義為直徑小於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。
納米粒子廣泛存在於自然界:例如光化學和火山活動的產物，以及由植物和藻類產生的。它們也有幾千年的曆史，是燃燒和食物烹飪的產物，最近則是汽車尾氣的產物。相比之下，有意製造的納米顆粒，如金屬氧化物，是少數。
納米顆粒之所以令人感興趣，是因為與相同材料的大顆粒相比，它們表現出了新的特性(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。
納米顆粒有廣泛的潛在應用:短期內可用於新型化妝品、紡織品和塗料;從長遠來看，在靶向藥物輸送方法中它們可以將藥物輸送到身體的特定部位。
納米顆粒還可以在表麵排列成層，提供了大的表麵積，因此增強了活性，與一係列潛在的應用有關，如催化劑。
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。
納米顆粒目前在一些消費品中，如化妝品，它們的增強或新特性可能會影響它們的毒性。
對於大多數應用，納米顆粒將是固定的(例如，附著在表麵或在複合材料內部)，盡管在其他應用中，它們將是自由的或懸浮在液體中。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。
富勒烯的碳60)
C60“巴基球”富勒烯
20世紀80年代中期，一種新的碳材料被發現，稱為碳60 (C60)．實驗化學家哈裏·克羅托和理查德·斯莫利發現了C60命名為“巴克敏斯特富勒烯”，以紀念建築師巴克敏斯特富勒，他以建造測地圓頂而聞名，富勒烯一詞被用來指代任何封閉的碳籠。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是通過在氦氣中電阻加熱石墨棒而開發的。
富勒烯的幾種應用被設想，例如用於潤滑表麵、藥物輸送工具和電子電路的微型“球軸承”。
樹枝狀分子
樹狀大分子是球形聚合物分子，通過納米級的層次自組裝過程形成。樹狀大分子有很多種;最小的尺寸隻有幾納米。樹狀大分子通常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，這些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，從而輔助環境清理。
量子點
半導體納米粒子(量子點)在20世紀70年代提出了理論，並在80年代初最初創建。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特性可以根據其大小進行精細調整。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，這些材料都使用了小顆粒尺寸和可調節的能級。
近年來，隨著化學技術的發展，製備出了單層保護、高質量、單分散、直徑小至2nm的結晶量子點，可以方便地作為典型的化學試劑進行處理和加工。
納米材料與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:相對表麵積的增加和量子效應。這些因素可以改變或增強諸如反應性、強度和電特性等性能。
當粒子變小時，表麵的原子比粒子內部的原子多。例如，一個粒徑為30納米的粒子，其表麵有5%的原子，10納米處有20%的原子，3納米處有50%的原子。
因此，與較大的顆粒相比，納米顆粒單位質量的表麵積要大得多。由於生長和催化化學反應發生在表麵上，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反應性強得多。
要了解顆粒大小對表麵積的影響，可以考慮一枚美國銀鷹硬幣。這枚銀幣含31克銀幣銀，總表麵積約為3000平方毫米。如果把同樣數量的銀幣銀分成直徑為10納米的微粒，這些微粒的總表麵積將達到7000平方米(相當於一個足球場的大小)，或者比白宮的麵積還要大，白宮的麵積為5100平方米。換句話說:當一枚銀元中所含的銀幣銀被渲染成10納米的粒子時，這些粒子的表麵積比銀元的表麵積大200多萬倍!