走進(jìn)科技論文

1、納米材料一.納米材料的定義及簡介納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成.納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，,這大約相當(dāng)于10100個原子緊密排列在一起的尺度。 從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)/小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng) .1nm=1/10億米，10個氫原子緊密排列，20nm是頭發(fā)絲直徑的3000分之一從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納

2、米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。 納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料(nanometer material)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)

3、。 當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的稀土納米材料光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。納米材料具有一定的獨特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降

4、至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。就熔點來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無法

5、區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。納米粒子的粒徑（10納米100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料。 二.納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營造的一種新體系。它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。對納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微?；虬雽?dǎo)體納米微粒在一個絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上

6、。而納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產(chǎn)生的一些新的效應(yīng)，也使其成為了研究熱點，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無機介孔復(fù)合體和高分子介孔復(fù)合體兩大類，按支撐體的狀態(tài)又可將它劃分為有序介孔復(fù)合體和無序介孔復(fù)合體。在薄膜嵌鑲體系中，對納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學(xué)特性和磁學(xué)特性而展開的。美國科學(xué)家利用自組裝技術(shù)將幾百只單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于0.0001/m;將納米三碘化鉛組裝到尼龍-11上，在X射線照射下具有光電導(dǎo)性能, 利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。三.納米材料的特性1.表面效應(yīng)這是指納米晶

7、體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如，粒子表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機納米粒子會吸附氣體等等。2.小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì)（2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì)（3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì)（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。3.量子

8、尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗?，吸收光譜闕值向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。4.宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。四.幾種典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性液體材料碳納米管納米顆粒型材料：也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不

9、同于常規(guī)固體的新特性。 納米固體材料:通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米磁性液體材料：磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體地運動，因此具有其它液體所沒有的磁控特性。試管中磁性液體舞蹈.磁性液體的應(yīng)用磁性液體靜態(tài)密封裝置（安全閥）磁性液體在揚聲器上的應(yīng)用，顯著改善散熱性能，提高功率一倍以上，使音圈自動定位，改善頻率響應(yīng)，減少失真。磁性液體離心開關(guān)磁性液體阻尼器碳納米管：碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成

10、的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，尺寸只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但導(dǎo)電率是銅的1萬倍，強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。超高的成本使國際市場90高純度的碳納米管價格高達(dá)10002000美元克，一般純度的碳納米管價格也在

11、60美元克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價格。五.納米材料的應(yīng)用由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。陶瓷增韌 由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。光學(xué)方面的應(yīng)用 納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等。利用納米

12、微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實驗室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。隱身材料應(yīng)用 由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。催化領(lǐng)域的應(yīng)用 催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反

13、應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高1015倍。環(huán)境保護(hù)方面的作用 隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會迅速來臨，拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。治理有害氣體 納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01。在燃煤中可

14、加入納米級助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級催化劑用于汽車尾氣催化，有極強的氧化還原性能，使汽油燃燒時不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無需進(jìn)行尾氣凈化處理。污水處理 污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10-20倍。光催化劑可以很好地降解對室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等，其中納米TiO2（鈦白粉、二氧化鈦) 的降解效率最好，達(dá)到近100。其降解機理是在光照條

15、件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。用納米TiO2催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點。自潔作用 納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點。我國新近研制成功一種具備自動清潔功能，可以自動消除異味、殺菌消毒的“納米自潔凈玻璃”?！凹{米自潔凈玻璃”是應(yīng)用高

16、科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價格比預(yù)計為1.5：1。納米材料在建筑界的應(yīng)用 考慮到施工方便，成本低，攜帶方便，承受力面交均勻，粘接面光滑以及良好的工藝性能得到廣泛應(yīng)用，等一系列的優(yōu)點粘結(jié)技術(shù)部分取代了焊接、鉚接、螺栓連接等傳統(tǒng)技術(shù)。在多如牛毛的粘合劑中，唯有環(huán)氧樹脂膠粘劑以其粘接能力強、適應(yīng)性廣等原因而倍受青睞。3其基材環(huán)氧樹脂具有填料組合性能好、固化過程容易調(diào)節(jié)、成本低而粘接強度高等優(yōu)點。近年來，環(huán)氧樹脂膠粘劑正向低黏度、高強度、耐沖擊、阻燃等特殊用途方向發(fā)展。相

17、信不久的將來，所有的工業(yè)粘合劑基本上將被環(huán)氧樹脂膠粘劑所取代。 納米材料在化學(xué)界的應(yīng)用 眾所周知，涂料是含有毒化學(xué)分子最多的家居粉飾品之一。如何除去涂料中的有毒化學(xué)物質(zhì)這一問題一直困擾著很多人?，F(xiàn)在納米材料的出現(xiàn)有效地幫我們解決了這個問題。4利用納米二氧化鈦光催化和成膜物質(zhì)復(fù)配成的光催化涂料，可以有效降解空氣中的有害質(zhì)以及涂層表面的污染物，起到自清潔和凈化空氣的作用。不僅如此，納米材料的加入還賦予涂料各種各樣的功能性和特殊性能。像納米車用面漆具有高裝飾性外,還有優(yōu)良的耐久性,包括抵抗紫外線、水分、化學(xué)物質(zhì)及酸雨的侵蝕和抗劃痕的性能；美、日等國研究人員用納米級二氧化鈦、二氧化錫、三氧化鉻等與樹脂

18、復(fù)合作為靜電屏蔽涂層，不僅可以用于飛航導(dǎo)彈等，還將其運用于潛艇、隱身裝甲車、隱身坦克等一系列隱身裝備中。將納米材料運用于汽車裝飾還具有殺菌、消毒、除臭的功能。 納米材料在食品界的應(yīng)用 隨著人類對食品安全意識的逐步提高，更多新類型的農(nóng)藥進(jìn)入市場。要想檢驗出食品中的農(nóng)藥含量，就要求靈敏可靠、敏度高、適用性強、簡便快捷檢測技術(shù)。用納米氧化鋅固定酶時，納米氧化鋅不僅對酶具有強吸附性，還保持酶活性、提高酶活性中心與電極間直接電子傳遞效率。將該傳感器用于蔬菜樣品有機含磷農(nóng)藥測定，響應(yīng)快、靈敏度高、具有很好重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，且經(jīng)復(fù)活劑處理后可反復(fù)使用。一但檢驗出食品中的農(nóng)藥含量就需要想辦法去除，磁性納米粒子的

19、分離過程就是很好的選擇。磁性納米粒子分離過程很方便，且減少成本消耗，并克服其它分離系統(tǒng)很多問題。磁性納米粒子分離能力和效率較高，能實現(xiàn)大規(guī)模和高通量分離。Shen 等制備C18 修飾磁性納米粒子，并用于富集和分離蔬菜和水果中14種殘留有機磷農(nóng)藥。與普通C18 分離柱相比，分離效能基本一樣；但C18 修飾磁性納米粒子分離過程簡單快速、在重復(fù)利用10 次后，C18 修飾磁性納米粒子分離性能基本沒降低. 納米材料在工業(yè)界的應(yīng)用 在工業(yè)作業(yè)中，最令人痛疼的就是機器和相一些潤滑油可以在一定程度上緩解這一問題，但是我們不得不承認(rèn)緩解的程度還是令人難以滿意。如果將納米材料應(yīng)用于潤滑油中，潤滑油就能具有很好的

20、分散性、良好的極壓抗磨性和摩擦改進(jìn)性。潤滑技術(shù)是改善磨損和延長摩擦件壽命的重要手段，傳統(tǒng)的潤滑油難以滿足長時間、高溫、高負(fù)荷等苛刻條件下的潤滑，特別是無法實現(xiàn)摩擦副表面的原位動態(tài)自修復(fù)，為此亟需發(fā)展新型高效能的減摩自修復(fù)延壽材料和技術(shù)。納米材料由于其自身具有的特殊性能，對降低材料的摩擦因數(shù)、提高材料的耐磨性能和實現(xiàn)材料的自修復(fù)性能具有顯著的作用。因此，將納米材料用于重要機械零件表面的潤滑，對改善摩擦磨損、進(jìn)一步延長其使用壽命、提高機動性能等方面具有潛在的應(yīng)用前景。 納米材料在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用 2011年10月29日在?？谂e行的多所高校聯(lián)合舉辦的新型材料論壇上，中科院院士江龍就納米顆粒在生物醫(yī)藥中的

21、應(yīng)用發(fā)表主題報告表明，當(dāng)納米顆粒小于一定尺度并能進(jìn)入細(xì)胞時，對細(xì)胞具有毒性，妨礙了納米技術(shù)在醫(yī)藥科學(xué)中的應(yīng)用。但當(dāng)金納米顆粒變大或形成聚結(jié)體而難以進(jìn)入細(xì)胞時，則對這兩種細(xì)胞無害，反而能促進(jìn)細(xì)胞的生長.一但這一矛盾得到解決，我們的傷口愈合能力也會隨之加強，這樣遭受到的痛苦也會隨之大大減少，我們在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技能也將會有一步質(zhì)的飛躍。 納米材料是理想的骨生材料。優(yōu)良的生物活性使之能夠與生物體組織化學(xué)鍵合，而其耐磨損、耐腐蝕、負(fù)載能力強，又能更更加長久的作為人類的骨骼。尤其是對于股骨頭壞死的患者來講，這是一個極大地福音。目前這一技術(shù)正在細(xì)化研究中，相信要不了多久我們就會看到有這樣的“人體骨骼”誕生。

22、將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。采用納米大分子 “生物部件”與小分子無機物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機器人，將會給人類醫(yī)學(xué)科技帶來深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決?？茖W(xué)家們正在研制一種人工耳：納米耳，它的敏銳度甚至能夠把細(xì)胞所發(fā)出的躁聲分辨出來。實驗已證明，這種納米耳靈敏度大大超過人耳纖毛的潛力。耳朵里的纖毛直徑為

23、100納米左右，長度是一兩個微米，而現(xiàn)在制造的納米耳直徑只有幾納米，長度卻有60微米。它的這個長度使其靈敏度增高許多。也許有一天，這種人工耳可置于人體血液循環(huán)中，作為流動的納米聽診器，專門監(jiān)聽細(xì)胞功能失調(diào)，甚至可以聽到癌細(xì)胞所發(fā)出的清晰聲音。這種納米耳完全生產(chǎn)并投入使用大概在10年之內(nèi)。家電：用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。計算機和電子工業(yè)：可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。紡織工業(yè)：在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體