1984年，隨著德國薩爾蘭大學(xué)Gleiter教授成功得到納米級的金屬鐵粉，人類正式拉開了納米材料的帷幕。其中金屬納米粉體是指三維空間中一維或多維處在1-100nm之間的超細(xì)粒子，在表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及介電限域效應(yīng)的影響下，這種尺寸的金屬材料會表現(xiàn)出許多宏觀材料所不具有的性能，并可根據(jù)不同需求支撐球形、角形、中空結(jié)構(gòu)等不同形貌。這些獨特的光學(xué)和電子性質(zhì)在電化學(xué)、生物醫(yī)藥、電子信息、光學(xué)等領(lǐng)域中有極大的潛在應(yīng)用價值。

金-鉑中空納米材料

納米之星

金納米三角片

一、金屬納米粉體材料的制備

1.化學(xué)方法

目前廣泛應(yīng)用的化學(xué)方法制備納米粉體材料包括化學(xué)還原法、光化學(xué)法、溶膠-凝膠法、輻射還原法、沉淀法等[1]。

1.1化學(xué)還原法：目前是實驗室和工業(yè)上較為常用的制備方法。選擇利用合適的可溶性金屬鹽前驅(qū)體與適當(dāng)?shù)倪€原劑如NaBH4、檸檬酸鈉等在液相中進行反應(yīng)，還原，成核生長為金屬單質(zhì)。

1.2光化學(xué)法：鹵化銀的光化學(xué)分解可以被認(rèn)為是一個簡單的光化學(xué)制備單質(zhì)銀的過程，人們也將它應(yīng)用到貴金屬納米材料的合成當(dāng)中，類似的方法也被廣泛應(yīng)用于金屬納米粉體材料的綠色合成和結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

1.3溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是用金屬化合物的可溶性鹽溶液，在某種溶劑中形成均質(zhì)溶液, 溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)并生成納米級的粒子從而形成膠體，經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z, 再經(jīng)干燥、燒結(jié)等后處理得到所需的納米金屬粉體。

1.4輻射還原法：輻射還原法中最常見的為γ-射線輻射還原法。由于γ-射線輻射法在制備納米金屬材料中具有不引入雜質(zhì)元素等特點，在綠色環(huán)保制備方面具有一定的優(yōu)勢。通過使用不同的表面活性劑能改變納米金屬材料形貌和結(jié)構(gòu)，為工業(yè)應(yīng)用發(fā)展中提供更多選擇性。

1.5沉淀法：沉淀法主要包括直接沉淀法、共沉淀法和均勻沉淀法。其原理主要根據(jù)難容化合物的溶度積不同，通過改變溫度、表面活性劑種類、轉(zhuǎn)化劑濃度等方面來對納米粉體的制備進行控制。

用化學(xué)方法制備得到的金屬納米粉體可以根據(jù)不同品種和形貌要求選擇不同方法，具有選擇性強，產(chǎn)物純度高等優(yōu)點。

2.物理方法

物理法制備納米金屬粉體材料主要有磁控濺射法、蒸發(fā)冷凝法、離子注入法和高能機械球磨法[2]。其中高能球磨法是近年來快速發(fā)展起來的一種制備納米粉體材料的方法，該方法在制備合金納米粉末方面有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

2.1磁控濺射法：磁控濺射法是指在電場的作用下, 電子在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，形成氬離子和新的電子，氬離子在電場作用下以高能量加速飛向陰極，轟擊靶表面, 使得靶材料發(fā)生濺射，促使靶材料表層的一些粒子依靠動能飛出材料表面，在基片形成一層納米薄膜體。

2.2蒸發(fā)冷凝法：在高真空蒸發(fā)室內(nèi)通入低壓惰性氣體，使金屬材料生成蒸汽，霧化為原子霧與惰性原子發(fā)生碰撞而失去能量，從而凝聚形成納米尺寸的團簇并在液氮冷阱上聚集起來，最后得到納米粉體。

2.3離子注入法：即把要注入的分子、原子離子化,進而以數(shù)千電子伏特乃至數(shù)兆電子伏特的加速能,將離子注入基體中,經(jīng)熱處理而得金屬納米粒子。

2.4高能機械球磨法：高能機械球磨法主要依靠高速率的振動、旋轉(zhuǎn)讓球磨機里面的硬球和原材料產(chǎn)生不斷碰撞，讓合金、金屬得以粉碎并產(chǎn)生納米粉體材料。

二、金屬納米粉體材料的應(yīng)用及前景

金屬納米材料自出現(xiàn)以來，在各個領(lǐng)域已展現(xiàn)出驚人的影響力，這主要歸根于其本身的特殊性質(zhì)。現(xiàn)列出一些金屬納米粉體材料的主要用途：

1.催化劑材料中的應(yīng)用

納米級別的金屬粉體由于尺寸微小，但比表面積迅速增加，表面的活性位置增加，增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。如納米級鎳、銅鋅合金所制成的合金，比現(xiàn)有的雷尼鎳（Raney Ni）高出5倍左右[3]。且可以降低貴金屬的占用量，降低工業(yè)成本，廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化催化、石油催化、高能燃料電池等領(lǐng)域。

新型納米電池

2.光學(xué)材料中的應(yīng)用

金屬納米材料由于小尺寸效應(yīng)，具有特殊的光學(xué)性質(zhì)，例如表面等離子共振效應(yīng)，對一些特殊波長的光有特殊的吸收作用。例如鐵、鈷、氧化鋅粉末可以作為軍事用的隱形材料，納米氧化鋁粉體可以與稀土熒光粉混合，吸收有害的紫外光，而不降低熒光粉的發(fā)光效率。

納米金屬的表面等離子共振現(xiàn)象

3.醫(yī)藥學(xué)材料中的應(yīng)用

納米材料在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括金納米材料、磁性氧化鐵、銀納米粒等。由于其本身活性較弱且對細(xì)胞無損傷，不易引起其他不良反應(yīng)，常用作藥物載體。用于特殊藥物或抗體進行的靶向治療。此外，納米銀具有抗菌的作用，在涂料、醫(yī)藥、凈水系統(tǒng)、紡織品以及塑料行業(yè)中的成功應(yīng)用案例[4]。

貴金屬納米保健品

納米機器人載體在血管中

4.電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于金屬納米粒子表面積大，表面活性高，對周圍環(huán)境敏感，可以制成敏感度高、能耗低的傳感器。并且隨著粉末粒徑的減小，其物理性質(zhì)例如熔點會發(fā)生改變。因此，納米級的金屬可以大大提高芯片的成品率，降低損耗率。在導(dǎo)電材料中，使用納米材料可不必采用耐高溫的特定金屬，可節(jié)省一些貴金屬的用量，解決產(chǎn)生的靜電問題，增加安全性，降低生產(chǎn)成本。

納米級芯片

5.信息存儲領(lǐng)域中的應(yīng)用

一些特殊的金屬例如鈷（Co）作為磁存儲介質(zhì)材料，具有高密度的記錄材料，而納米級別的鈷，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力高的特性。故其記錄密度更高，且信噪比增強，具有抗氧化性的優(yōu)點，大幅度改善軟硬磁盤的性能。

金屬納米粉體材料的應(yīng)用還有很多，例如在航天領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等。我國納米材料的市場銷售額約為40億元，市場需求量迅速增長，正如錢學(xué)森院士所說的那樣：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點，將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命”。而納米金屬粉體材料的制備方法也從普通的化學(xué)法、PVD法發(fā)展到綠色的激光法、超聲法、等離子法等，但這些方法均存在著產(chǎn)量低、成本高的問題，嚴(yán)重阻礙了其工業(yè)方面的應(yīng)用和推廣。不難看出：推動金屬納米材料的真正實現(xiàn)主要是解決其兼容性，穩(wěn)定性，可重復(fù)性的問題，實現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)一體化，大力發(fā)展納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)在工業(yè)發(fā)展上的應(yīng)用，將實驗室成果快速轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用中。

參考文獻：

[1] 趙志強. 納米材料的化學(xué)制備研究. 設(shè)備管理. 2014年8月: 165.

[2] 費金喜，朱維婷，吳紅玉. 納米材料的物理制備方法. 麗水師范?？茖W(xué)校學(xué)報. 2001, 23: 29-31.

[3] 熊靜芳. 熱解前驅(qū)物法制備多孔納米材料及其性能研究. 南京大學(xué). 2012.

[4] 葉偉杰，陳楷航，蔡少齡，陳利科，鐘同蘇，王小英. 納米銀的合成及其抗菌應(yīng)用研究進展. Journal of Materials Engineering. 2017, 9: 22-30.

作者：Avlon