1.3 纳米功能材料的分类

纳米材料的主要特征在于组成单元尺度小，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是最典型的分类方法。纳米材料的基本单元按维数可以分为零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料和三维纳米材料。

零维——空间三维尺度均处于纳米尺度范围内，例如纳米粒子（Nano-par-ticle）、超细粒子（Ultrafine particle）、超细粉（Ultrafine powder）、烟粒子（Smoke particle）、人造原子（Artificial atoms）、量子点（Quantum dop）、原子团簇（Atomic cluster）及纳米团簇（Nano-cluster）等。

典型的零维纳米材料是纳米颗粒，又称纳米尘埃、纳米尘末，指纳米量级的微观颗粒，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，它被定义为至少在一个维度上小于100nm的颗粒。小于10nm的半导体纳米颗粒，由于其电子能级量子化，又被称为量子点。

纳米颗粒具有重要的科学研究价值，它搭起了大块物质和原子、分子之间的桥梁。目前观测到了一些特殊的物理性质，例如：半导体纳米颗粒的量子束缚，一些金属纳米颗粒的表面等离子体共振，磁性材料的超顺磁性。它的形态可能是乳胶体、聚合物、陶瓷颗粒、金属颗粒和碳颗粒。纳米颗粒越来越多地应用于医学、防晒化妆品等中。

原子团簇是20世纪80年代发现的，指几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），代表了凝聚态物质的初始状态，最典型的原子团簇是碳簇（C60、C70）。原子团簇有许多特殊的性质，具有超高的化学活性和催化活性，这都源于其结构上的特点——尺寸小、处于表面的原子比例极高。

一维——指在空间上有两维处于纳米尺度范围内，例如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝等。

一维的纳米纤维指直径为纳米尺度，而长度大的管状、线状或棒状的纳米材料，碳纳米管就是一种典型的一维纳米材料，具有较好的导电性能和导热性能。碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替氧化铟锡（ITO）作为触摸屏的材料。

二维——在三维空间上只有一维在纳米尺度范围内，典型的二维纳米材料有薄膜、多层膜、超晶格材料等。

由单层碳原子构成的石墨烯是典型的二维纳米材料，石墨烯的厚度仅为一个碳原子，具有非凡的电子、热学和力学性能，不仅是迄今为止最薄的一种材料，而且是最为牢固、室温下电子传递速度最快的材料，有可能代替硅用于超级计算机。

富勒烯C60、碳纳米管、石墨烯分别是典型的零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料，这三种典型碳纳米材料的结构如图2-1-1所示。

三维——指在三维空间中含有上述纳米材料的块体，如纳米玻璃、纳米陶瓷、纳米介孔材料、纳米金属、纳米高分子等。

三维的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单元聚集体材料，主要用途为超高强度材料、保温隔热材料、智能或特种功能材料等。

典型的三维纳米材料当属纳米陶瓷。纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米量级水平，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等都是纳米级。纳米晶陶瓷材料不仅保持了传统陶瓷材料的优点，又克服了陶瓷易脆的缺点，其良好的力学性能可与超塑性材料相媲美。

以上提到的纳米颗粒、原子团簇、纳米线、纳米棒、纳米薄膜、纳米管等是指材料本身就是纳米尺度，也就是所谓的狭义的纳米材料，而有些材料是以纳米结构作为单元而构成的，例如纳米复合物、纳米介孔材料、纳米固体等，即具有纳米结构的材料，称为纳米结构材料。

纳米材料还可以按结构分类，可分为纳米微粒、纳米固体、纳米纤维、纳米薄膜等。

超细微颗粒就是指1～100nm之间的颗粒，也称为纳米粒子、纳米颗粒。0.1μm是颗粒分类的一个临界点，在0.1μm以下，许多物理化学性质发生显著变化，因此将0.1μm即100nm定义为超细微颗粒的尺寸上限。目前由机械法粉碎获得的颗粒尺寸只能细化到1μm，若想获得超细微颗粒只能用非常规制粉法，例如高能球磨法。颗粒微细化过程如图2-1-2所示。

纳米固体材料是由纳米量级的（尺寸为1～100nm）超细微颗粒压制烧结而成的三维块体，可以是晶体、非晶或准晶结构。纳米固体材料的最大特点是具有小晶粒和大界面，有巨大的颗粒间界面，如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高1014～1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。

纳米纤维就是指添加了纳米级粒子作为填充物的纤维。

按照化学组成，纳米材料可以分为纳米金属、纳米晶体、纳米高分子、纳米陶瓷、无机纳米复合材料、有机纳米复合材料和无机-有机纳米复合材料等等。

按照材料物理性质，纳米材料又可以分为纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米超导材料、纳米半导体性质材料和纳米热电性材料等。

按照材料的应用范围不同，纳米材料可以分为纳米光电子材料，纳米储能材料、微电子封装材料、吸波隐身材料、高密度磁记录材料、防辐射材料、纳米电子材料、电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、纳米生物医学材料、人体修复材料、抗癌制剂等。