纳米材料是什么？结构与性质如何？生活中常见吗？

纳米材料这一听起来仿若科幻电影之中所呈现的高科技产物之物，实际上却就在我们身旁。贝壳那坚硬的外壳从其自身而言，牙齿的微观结构从其自身而言，这种尺度处于1到100纳米之间的特殊材料，正凭借着你所难以预料到的方式，改变着日常生活以及前沿科技。

藏在身边的小尺寸大作用

我们每日所接触的诸多天然材料，从本质上讲，皆是纳米材料的杰出成果。就拿餐桌上的贝壳来讲，其坚硬并非源于单一物质，而是通过无数纳米级的碳酸钙颗粒如同搭积木那般有序排列而形成的。这样的结构使得贝壳既具备轻便的特点，又拥有耐摔的特性，科学家从中获取了不少材料强化的诀窍。人体的骨骼以及牙齿同样蕴含着类似的奥秘，骨骼里的纳米羟基磷灰石赋予了骨头既坚韧又不会过于沉重的特质。蛋白质分子表面的纳米微孔，则是生命体实现高效运输物质的关键通道。

人工合成的纳米材料同样在各处都是。添加于防晒霜中的纳米二氧化钛，既能阻拦紫外线，又不会在皮肤上留下白色印记。自洁玻璃表面的纳米涂层，在让水滴带走灰尘之际达成自我清洁。这些应用得以实现的原因，在于纳米尺度下物质性质出现的根本改变。当材料尺寸小到一定程度，原本稳定的物理化学性质就会产生突变，生出宏观材料全然不具备的新特性。

四大效应决定纳米材料特性

纳米材料具备的特殊性能，主要是源自四种基本效应，小尺寸效应所指的是，当颗粒直径跟光的波长、磁单畴尺寸等物理特征尺度相当的时候，材料的磁性、光学、热容等性质会产生明显变化，比如说原本不发光的那种金属，在纳米尺度的情况下可能会变得透明或者出现发光现象，量子尺寸效应是跟电子运动相关的，当颗粒小到一定尺寸时，电子能级从持续变为离散，这对材料的光电性能有着直接影响。

表明效应关键，边界效应重要且关键。纳米颗粒的表面积和体积比例极大，存在这样一种情况，直径为10纳米的粒子，其表面原子占比达到了高达20%左右的水平。这些表面原子处于高度不饱和的状态，活性非常强，极易与其他物质发生反应。边界效应涉及晶体结构里的位错以及滑移，致使纳米材料在受力时展现出超乎寻常的塑性。这些效应共同发挥作用，使得纳米材料拥有了比热大、硬度高、导电率优异等宏观材料难以同时达成的综合性能。

从抗菌到催化改变医疗和环保

在医疗领域，正从纳米材料所具备的特性当中获取益处，传统的抗生素治疗面临着耐药性这一难题，然而银、氧化锌等纳米颗粒却提供了全新的解决思路，这些纳米抗菌剂借助多种机制来杀灭细菌，像是利用其锋利的边缘直接去切割细菌细胞壁，又或者诱导产生氧化应激反应进而破坏细菌代谢，研究已经证实，通过溶胶 - 凝胶法把银或氧化锌纳米颗粒植入牙科材料，可在植入的早期有效抑制变形链球菌，与此同时促进骨组织愈合。

纳米材料对于环境污染治理而言，也是有着不可或缺的参与的。工业废水中存在着难以被传统方法降解的有机染料。不过，纳米半导体材料在光照的情况下能够高效地分解这些污染物。当两种不同的半导体纳米材料构成类似p-n结的结构之时，光吸收能力会得到大幅度的提升。比如说，把硫化镉纳米粒子附着在氧化镍晶板的表面，在可见光进行照射的时候就能高效分解刚果红染料。这种以粉末形式进行投加的催化剂，使用起来是比较方便的，而且是无需额外载体的，从而为染料废水处理提供了经济可行的技术方案。

光催化技术开启清洁能源新路

在能源领域当中，纳米材料的应用同样是能够让人感到振奋不已的，将太阳能加以利用从而分解水来制作氢气，这被看作是获取清洁能源的理想途径里的其中之一，纳米尺度的二维材料像是氧化石墨烯、二硫化钼等，因为其具有巨大的比表面积以及独特的电子结构，所以成为了光催化制氢的明星材料，斯坦福大学的研究团队运用水热法在把二硫化钼纳米颗粒沉积在氧化石墨烯上，通过利用二硫化钼的边缘催化效应以及石墨烯的导电性，使得制氢效率得到了显著的提升。

那些台岛地区的学者所开展的研究，进一步证实了这类材料具备的潜力，他们于p型硅片之上沉积单层二硫化钼薄膜，太阳能转换效率达到了每平方厘米20毫安这般的水平，存在由二氧化钛与氧化锌所共同组成的复合涂层，同样是凭借优良的光吸收性能而受到广泛关注，这些研究成果一旦得以实现工业化应用，将会有力去推动氢能经济的发展。

航空航天迎来轻量化革命

航空航天地域针对材料存有残酷需要，既要存在充符强度，又要追逐极度轻量化。纳米碳复合材料刚好契合了这般需要。借由将碳纳米管或者石墨烯匀称散布于基体材料当中，既能够留存纳米碳的出色性能，又能够施展复合材料的协同效应。美国佐治亚理工学院的钻研显现，把单壁碳纳米管增添至聚丙烯腈前驱体，历经碳化处置后获取的碳纤维，拉伸强度比传统产品高出50%。

在航天器方面，这种性能提升有着重要价值。况且卫星天线对于热变形极为敏感，然而碳纳米管复合材料具备低热膨胀系数，可有效地较少因为高低温环境致使的尺寸变化。不仅如此，国内学者所提出的石墨烯纳米带海绵结构，与此同时达成了强度、模量与韧性的提升，并且相关技术已被运用到碳纤维复合材料改进上，进而在运载火箭技术领域受到关注。

复合材料制备技术取得突破

纳米碳材料具备容易团聚的特性，这长期给复合材料研究者带来困扰。对于纳米材料来讲，要想真正发挥作用，关键所在是要怎样把它们均匀进行分散到基体材料里，受药物在水中分散技术所启发，科研人员研发出石墨烯多孔骨架复合技术，此技术有效解决了纳米碳在树脂中的分散这一难题，这项技术不但提升了复合材料的剪切以及压缩性能，而且还成功被应用到碳纤维复合材料的生产当中。