书城科普读物科学探究丛书-新材料
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第15章 材料工程的新突破(2)

非晶态合金所具有的超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质,使其成为了一种十分理想的刀具和轴承材料。

在国际能源危机的情况下,非晶硅太阳能电池闪耀着更加夺目的光辉。由于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源,所以对非晶硅的研究也是热潮连连,遍及全球。在1986年以前的十年中,美国已在非晶硅太阳能电池方面投入15亿美元。著名的物理学家英特在第八届国际非晶态会议的闭幕式上说:“我不能预见未来,不能说明究竟在什么时候,太阳能电池将要取代石油!”各种富有特性的非晶态材料已占领了科学、技术、产业的各个领域,它们已成为重要的新型固体材料的大家族。虽然,非晶态科学从理论到实践,还有许多问题尚未解决,但是,关于非晶态材料的许多特性已被人们认识并且付诸应用,在非晶态材料这个广阔的领域内,人们将会开拓出许多新课题、新性能、新材料和新前景。对于非晶态材料的未来,我们也是充满信心,非晶态材料定会成为新世纪中不可或缺的材料。

纳米材料

1959年,诺贝尔奖获得者,美国物理学家查德·费因曼(Richard Pbillips Feynman)曾经提出:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎么样的奇迹?”或许你会说这是一位科学家的异想天开,但随着纳米材料科学的出现、发展与完善,不久的将来它会变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发展产生深远的影响,有可能从根本上解决人类面临的重大问题,如粮食、健康、能源和环境保护等。

纳米材料是指材料的尺寸处于1~100nm范围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许多奇异的性能,这些性能与通常的大块材料、单个原子状态的特性均不相同。纳米科学领域,包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法,观测它们的奇异特性,各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米固体的新特性与有关的应用。

早在19世纪60年代,人们在胶体溶液中发现了纳米材料,其直径为1~100nm的粒子。科学家指出,直径小于1nm的颗粒是由100个原子构成,称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的H.格利特教授所领导的研究组在1984年制成,他们是用6nm(纳米)铁粉压成纳米固体。H.格利特于1986年宣称,纳米固体是一种具有奇异结构类型的固体,而且指出,在纳米颗粒的直径为2~10nm的颗粒中,其原子数目一般为100~1000个,其中有50%的体积为按不同方位排列的界面原子。这样组合而成的材料,既不同于晶态,也不同于非晶态。在纳米粉末方面,性质上显现出一系列奇异的物理特性,如金属的纳米粒子并不反光而且吸收光,一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质,而呈现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑,不反光,说明具有很强的吸光特性。另外,纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低,如10纳米的铁粉,熔点降低33℃,即从1526.5℃降为1493.5℃。纳米金粉降低27℃,即从1063℃至1036℃。其粒度越细,熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质,即便有同样粒度,也会由于制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。

1982年,G.宾宁格和 H.罗尔发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微分析技术可以直接观察到原子,为开展纳米材料的研究创造了有利条件。到80年代末,扫描隧道显微镜不仅是一种观测的工具,而且,还可用来排布原子。为此,G.宾宁格和H.罗尔在1986年获得诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的1/10,但其放大倍数要比电子显微镜大10倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器,而且它已进入了国内某些实验室。

1989年,美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因,写下了“Stanford university”的字样。1990年,美国IBM公司的埃格勒博士在零下296℃的Ni表面用35个氢原子排出了“IBM”的字样。1991年,日本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”(公司的缩写)。1993年12月,中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子,写下了“中国”的字样。短短几年中,美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳米技术,所写下的字母大小是一个标点符号的 1/500000,这标志着人类按需要排布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现已为期不远了,科技进入多姿多彩的原子、分子世界的时代已经到来。纳米技术的发展,为开发原子级存贮技术,打下了坚实的基础。假如将某种存贮材料的原子一个个地按预想的方式进行排列,几个原子一组组成一个存贮单元,根据设计的功能,进行合理布局,这样就可以使单位面积(或单位体积)的存贮材料的容量提高几个数量级。这样,飞跃发展的计算机技术更将如虎添翼,超高速的计算机也将随之走入千家万户。

伴随纳米技术的发展,纳米材料的发展也是紧追不舍。一旦纳米材料实现了原子级的布局,就会使人类进入一个崭新的天地。目前,在现有的科学水平上,纳米材料的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备,接着是保持这些纳米颗粒在没有受到污染(包括表面氧化)的条件下用 SGPa(G为千兆帕,即 109帕)的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染,纳米颗粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空(10-7 帕)容器中进行。生产纳米颗粒的方法很多,有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制取纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似,都可采用电子束、激光束、高频加热、电阻加热等离子溅射,电子回旋共振等离子溅射等方法,这些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来,然后收集粉末,进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料,而且易于控制,但还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒,粒度比较大,且不均匀,连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有:钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯以及部分金属氧化物。

具有丰富多彩的特色的纳米材料的应用为材料科学史增添了更加奇妙的一页,如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应具有极好的催化作用,代替了昂贵的铂金或钯催化剂,即效果好又节约成本。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层5~20nm的聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,以控制生物反应,在生物技术和酶工程领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、人工肾脏、高级涂料、各种传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突出的,纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包括粉状,而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。有超薄膜材料之称的纳米薄膜,制成10nm磁膜或磁带材料,能使其磁性能得到显著的改善,如铁——硼——硅非晶磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高10倍。