化学与纳米材料摘要：颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料 纳米材料科技是21世纪科技产业革命的最重要内容之一，是可以与产业革命相比拟的，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学．很多实例说明，化学是纳米材料学的基础，而纳米材料的发展，也在不断推动着无机化学、物理化学、有机化学、超分子化学和生物化学等化学分支的进步 关键词：无机纳米粒子；纳米材料结构；纳米材料热力学；碳纳米管 目前世界经济发展已经进人了一个新的历史阶段，即知识经济时代在知识经济时代，高科技产业成为经济增长的第一支柱产业有人曾经预测在21世纪纳米材料技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料而纳米材料的发展离不开化学的支持，同时也促进了化学的发展化学与纳米材料的综合应用创造了科学奇迹，推动了科学发展，便利了日常生活一、 纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化纳米材料科技是21世纪科技产业革命的最重要内容之一。
由于尺寸的改变，其具有独特的结构和性能，与其相关的化学研究也发生了很大改变，进入了一个新的层次 纳米材料与化学紧密关联的性能：1. 热学性能 熔点降低 开始烧结温度降低 晶化温度降低 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能2.光学性能 宽频带强吸收 蓝移现象 纳米微粒发光 丁达尔现象 拉曼散射变化 纳米粒子的粒径远小于光波波长与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料 3. 催化性能 比表面积很大，增强了催化剂吸附反应物的能力 吸收光谱吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活性提高。
粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷分离的效率 纳米粒子优于大块物质催化能力的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子纳米材料具有特殊的物理化学效应：4. 量子尺寸效应 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同 由 及 可得 又由 和 得到 5.表面效应 表面原子特点： （1）原子配位不满，多悬空键 （2） 高表面能，高表面活性引发性质： （1）导致表面原子输运构型变化-催化 （2）电子自旋构象能谱变化-光学性能 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。
对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略 二、化学为纳米材料创造了丰富的研究对象 化学反应是诸多纳米材料制备的基本手段形形色色的化学反应可以制备极多种纳米材料，拓宽了相关研究领域，丰富了研究对象以下是常见纳米材料种类及常见应用材料的简介 1. 无机纳米膜 纳米膜分为颗粒膜与致密膜颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜可用于气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等 2.纳米粉末 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等 。
3. 纳米固体 又叫纳米块体，是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等由大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高，因此，与传统材料科学不同，表面和界面不再往往只被看成为一种缺陷，而成为一重要的组元，从而具有高热膨胀性、高比热、高扩散性、高电导性、高强度、高溶解度及界面合金化、低熔点、高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性，可以在表面催化、磁记录、传感器以及工程技术上有广泛的应用也可指指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料可用于微导线、微光纤材料；新型激光或发光二极管材料等 4. 碳纳米管 碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。
由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值 碳纳米管图片5.C60 C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形其相对分子质量为720处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状化学性质优良，可发生多种化学反应：周环反应；加氢还原羟基化反应；氧化还原反应；加成反应；亲电加成配位反应；内嵌反应；反加成；与金属的反应此外，还有颜色反应即C60可以溶于二硫化碳中，颜色呈紫红色 除此之外，还有多种纳米材料，比如二元无机化合物中一些重要的纳米材料；硫化物和硒化物纳米材；氧化物纳米材料；孔二氧化硅；沸石；钙钛矿类纳米材料；钙钛矿型纳米复合氧化物；配合物纳米材料。
三、化学与纳米材料联手创造奇迹 1.信息技术 . 比如纳米半导体的应用，半导体硬件呈指数级实现更小、更快速和更廉价，是信息技术进步的基础到2015年，将实现20― 25微米的规模，从而大大降低计算成本，使在消费产品、器具和环境中普遍设置嵌入式传感器和计算系统成为可能到2025年，纳米材料(如“量子半导体”)能够开始对化学标识实现变革，使药物发现、血液化验、基因测定和其他生物应用的快速实现成为可能 2. 环境纳米材料在环境保护领域中由非常广泛的应用进展及环境污染物在纳米材料表面的光催化降解机理，纳米材料在降解化工废水、农药废水、染料废水、含油废水、造纸废水等有机废水和无机废水、自来水净化、大气污染治理等方面都有应用该材料在自清洁涂料、光催化消毒剂、吸收紫外线等方面也有应用但是，目前纳米材料在应用领域中存在的不足不过，我们可以展望合成出对可见光有高响应率的光催化剂以及和传统污水处理技术相结合的美好前景 3.能源 纳米材料在节能环保、发展新能源上有重大功能最新制造出的纳米材料，单晶结构的Ag3PO4亚微米立方体，其表面完全由{100}晶面构成，具有规整的特殊边角结构的8个尖角及12条棱边。
通过改变银氨络离子中的Ag+:NH3配比，可以调整Ag3PO4晶体的形貌、晶面及结构此新型单晶亚微米立方体具有比球形Ag3PO4晶体更高的光电转换性能 4.纳米与化学实用化的预测 如果说,未来昆虫、鸟类、甚至微型机器人将具有人类的品性;如果说,未来人类将象鱼一样能自由地在水下呼吸,你一定不会相信,认为这是科学幻想然而,科学家们说,只要借助纳米技术便可出现这个奇迹 结束语：纳米科学技术与纳米材料是一门新兴的学科和新的领域，它不仅仅在化学支持下快速发展，也为化学提供了新的发展机会愈多愈多的大化学家对纳米材料以至于整个纳米科技产生了深厚兴趣，投身于纳米的科技研究中来，可以预测将来化学与纳米材料的研究前景会更加广阔参考文献：[1] Swlli E, Morris S. for water purification[J]. Water Res, 1999, 33(8): 5-7. [2] 李泉， 曾广斌. 纳米粒子[J]. 化学通报, 1995, 6: 29-31. [3] 李良果. 纳米粒子结构分析[J]. 化工新型材料, 1991, 19(12) : 12-13. [4] 唐有祺，王夔.化学与纳米社会[J].北京：高等教育出版社.223. [5] 马荣萱, 李继忠. 纳米技术及其材料在环境保护中的应用[J].环境科学与技术, 2006, 29(7): 112-115. 。