纳米材料(纳米材料的概念)

出品:科普中国

张自力出品

监制:计算机网络信息中心

纳米材料是支撑现代科技发展的决定性因素之一。是指三维空中至少有一个尺寸在纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元组成的材料，大约相当于紧密排列在一起的10-100原子的尺度。其广泛的应用几乎涉及医疗、食品、住房和交通的各个方面，包括纳米电子材料、纳米光电材料、纳米生物医学材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。液相合成是制备纳米材料的有效方法。该方法简单，条件温和，成本低，污染小，可实现产品的纯度、形貌和粒径。

图片来自网络。

水热法是地质学家在19世纪中期通过模拟自然界的矿化作用而研究出来的。1900年后，科学家建立了水热合成理论，然后开始转向功能材料的研究。水热法又称水热法，属于液体化学法的范畴。它是指在特殊的密闭反应器(高压釜)中，以水溶液为反应体系，控制反应体系的温度，使反应器内产生高温高压环境，从而制备和合成无机材料的有效方法。水热反应可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。其中，水热结晶法应用最为广泛。水热技术有两个特点，一是其温度相对较低，二是反应在密闭容器中进行，避免了组分的挥发。水热法中，由于高温高压，溶剂水处于临界或超临界状态，反应活性提高。水在合成反应中起两种作用:压力介质和化学反应介质。在高压下，大部分反应物可以完全(或部分)溶于水，这可以使反应在接近均相的状态下进行，从而加快反应速度。在这个过程中，温度、压力、溶液浓度等参数相互影响、相互制约，对最终的样品形貌影响很大。因此，只有严格准确地控制样品制备过程中的条件，才能制备出特定形貌的纳米样品。

图片来自网络。

水热法受人关注的主要原因有:(1)水热法由中温液相控制，能耗相对较低，适用性广。它可用于制备超细颗粒、较大尺寸的单晶和无机陶瓷膜。(2)原料相对廉价易得，反应在液相快速对流中进行，产率高，相均一，纯度高，结晶好，形貌尺寸可控。(3)在水热法中，通过调节反应温度、压力、热处理时间、溶液组成、pH值、前驱体和矿化剂的类型等，可以有效地控制反应和晶体生长特性。(4)反应在密闭容器中进行，可以控制反应气氛，形成适宜的氧化还原反应条件，可以得到一些特殊相，特别有利于有毒体系中的合成反应，尽可能减少环境污染。因为水热法制备的纳米粒子通常具有物相均一、纯度高、晶形好、单分散、形状和尺寸可控等特点。水热技术已广泛应用于纳米材料的制备。然而，水热法也有其严重的局限性。一个最明显的缺点是，这种方法往往只适用于制备对水不敏感的氧化物或少数硫化物，而不适用于制备其他对水敏感的化合物。在此背景下，溶剂热技术得到了发展。

原则上，溶剂合成技术与水热法非常相似。用有机溶剂代替水，大大拓宽了水热法的应用范围，是水热法的发展。非水溶剂还起到传递压力、介质和矿化剂的作用。溶剂合成具有其他方法无法替代的独特优势。首先，溶剂热合成可以有效防止前驱体和产物的水解和氧化，有利于合成反应的顺利进行。其次，溶剂热体系是控制材料形状的重要手段。溶剂热体系的低温、高压和溶解条件有利于形成晶型完善、取向规整的晶体，合成的产品纯度高。通过选择和控制反应温度和溶剂，可以制备不同粒径的纳米材料，特别是在溶剂热体系中借助聚合物和表面活性剂，可以有效控制材料的形貌。第三，溶剂热法是实现特殊相合成的重要方法。在溶剂热体系中，反应物处于分子或胶体状态，具有很高的反应活性，可以替代一些固相反应，促进低温和软化化学的发展，实现一些新的化学反应。由于体系的化学环境不同，可能形成常规条件下无法获得的亚稳相产物。

在水热条件下，影响产物形貌的主要因素有:(1)溶剂的性质:主要包括溶剂的粘度、与金属的配位能力、盐和金属的溶解度、酸碱性。结果表明，溶剂的强配位能力是合成一维纳米晶材料的关键。溶剂的配位能力不仅影响产物的形貌，还影响反应的活性和相态。因此，选择合适的溶剂有助于亚稳相的合成。另外，如果没有配位溶剂，但反应物中有一种具有配位能力的物质，也有可能形成一维材料。(2)温度的影响:一般来说，随着温度的升高，纳米颗粒的尺寸会增大。反应温度不仅影响反应动力学，还会导致产物的相变。(3)模板作用:一般来说，模板合成法中的模板属于硬模板，主要是利用基体材料结构中的空能隙来合成纳米材料。结构基质包括玻璃、分子筛、大分子离子交换树脂和聚合物等。，但同时也经常使用软模板。在水热条件下，两种模板都是有效的。例如，多胺被认为是合成一维纳米晶体的软模板。除了上述主要影响因素外，反应时间、pH值、催化剂、反应物配比等其他因素也会影响材料的制备。

因此，水热法和熔融热法在无机纳米晶的合成中具有广泛的适用性。由于反应在密闭容器中进行，避免了反应过程中有毒物质的排放，反应过程简单，重复性好。总之，这项技术是在工业生产的要求下诞生的，随着自身的发展，极大地推动了其他科技的进步。作为一种简单安全的纳米合成技术，它必将得到更大的发展。

“科普中国”是中国科协联合社会各方，以信息技术为手段，开展科学传播的科学权威品牌。

本文由中国科普融合出品。转载请注明出处。