納米材料的發(fā)現(xiàn)發(fā)展及應(yīng)用

1、目錄一 納米材料的發(fā)現(xiàn)1二 納米材料的基本概念22.1納米材料的定義22.2納米材料的分類3三 納米材料的發(fā)展33.1國(guó)際發(fā)展33.2國(guó)內(nèi)發(fā)展4四 納米材料的應(yīng)用64.1.天然納米材料的應(yīng)用74.2.納米磁性材料的應(yīng)用74.3.納米陶瓷材料的應(yīng)用74.4.納米顆粒在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用84.5.納米傾斜功能材料的應(yīng)用84.6.納米半導(dǎo)體材料的應(yīng)用94.7.納米催化材料的應(yīng)用94.8.納米材料在醫(yī)療上的應(yīng)用104.9.納米材料在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用104.10.納米碳管的應(yīng)用104.11.納米材料在涂料方面的應(yīng)用11五 納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、缺陷及展望115.1.納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀115.2.納米技術(shù)的

2、缺陷125.3納米技術(shù)的前景及展望12總結(jié)語(yǔ)13參考文獻(xiàn)13納米材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應(yīng)用摘要：納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)。文章簡(jiǎn)要闡述了納米材料的基本概念，介紹了納米材料的發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展以及納米材料各方面的性能在實(shí)際中的應(yīng)用，并指出了納米材料發(fā)展過(guò)程中的缺陷,最后展望了納米材料的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：納米；納米材料；納米技術(shù) 一 納米材料的發(fā)現(xiàn)如果組成材料的物質(zhì)顆粒變小了，“小不點(diǎn)”會(huì)不會(huì)與“大個(gè)子”的性質(zhì)很不相同呢？這便是納米材料的發(fā)現(xiàn)者德國(guó)物理學(xué)家格萊特的科學(xué)思路。那是1980年的一天，格萊特到澳大利亞旅游，當(dāng)他獨(dú)自駕車橫穿澳大利亞的大沙漠時(shí)，空曠、寂寞和孤獨(dú)的環(huán)境反而使他的思

3、維特別活躍和敏銳。他長(zhǎng)期從事晶體材料的研究，了解到晶體的晶粒大小對(duì)材料的性能有很大的影響，晶粒越小，強(qiáng)度就越高。格萊特上面的設(shè)想只是材料的一般規(guī)律，他的想法一步一步地深入，如果組成材料的晶體的晶粒細(xì)到只有幾個(gè)納米大小，材料會(huì)是個(gè)什么樣子呢？或許會(huì)發(fā)生“翻天覆地”的變化吧！格萊特帶著這些想法回國(guó)后，立即開(kāi)始試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)將近4年的努力，終于在1984年制得了只有幾個(gè)納米大小的超細(xì)粉末，包括多種金屬、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的超細(xì)粉末。格萊特在研究這些超細(xì)粉末時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分有趣的現(xiàn)象。眾所周知，金屬具有各種不同的顏色，如金子是金黃色的，銀子是銀白色的，鐵是銀白色的。至于金屬以外的材料，例如無(wú)機(jī)化合物和

4、有機(jī)化合物，它們也可以帶著不同的色彩，瓷器上面的釉歷來(lái)都是多彩的，由各種有機(jī)化合物組成的染料更是鮮艷無(wú)比?？墒牵坏┧羞@些材料都被制成超細(xì)粉末時(shí)，它們的顏色便一律都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各種金屬統(tǒng)統(tǒng)變成了一種顏色黑色。正像格萊特想像的那樣，“小不點(diǎn)”與“大個(gè)子”相比，性能上發(fā)生了“翻天覆地"的變化。為什么無(wú)論什么材料，一旦制成納米“小不點(diǎn)”，就都成了黑色的呢？原來(lái)當(dāng)材料的顆粒尺寸變到小于光波的波長(zhǎng)（1×10-7 m左右）時(shí)，它對(duì)光的反射能力變得非常低，大約低到小于1，既然超細(xì)粉末對(duì)光的反射能力很小，我們見(jiàn)到的納米材料便都是黑色的了。“小不點(diǎn)”性質(zhì)上的變化確實(shí)是令人

5、難以置信的。著名的美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備出了一種納米金屬，居然使金屬?gòu)膶?dǎo)電體變成了絕緣體；用納米大小的陶瓷粉末燒結(jié)成的陶瓷制品再也不會(huì)一摔就破了。 格萊特的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)正在改變科學(xué)技術(shù)中的一些傳統(tǒng)概念。因此，納米材料將是21世紀(jì)備受矚目的一種高新技術(shù)產(chǎn)品。二 納米材料的基本概念2.1納米材料的定義讓我們看看科學(xué)家是如何解釋的：“物理上，納米（nm），又稱毫微米，如同厘米、分米和米一樣，是長(zhǎng)度的度量單位。具體地說(shuō)，1納米等于十億分之一米的長(zhǎng)度，對(duì)宏觀物質(zhì)來(lái)說(shuō)，納米是一個(gè)很小的單位，比如，人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000-8000nm，人體紅細(xì)胞的直徑一般為3000-5000nm，一般病毒的直徑也在幾十

6、至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級(jí)，1納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般；對(duì)于微觀物質(zhì)如原子、分子等以前用埃來(lái)表示，1埃相當(dāng)于1個(gè)氫原子的直徑，1納米是10埃。納米材料全稱為納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料，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(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)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(zhǎng)，加上其具有大的比表面積的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、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(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。 所以，一般認(rèn)為納米材料應(yīng)該包括兩個(gè)基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100n

7、m之間，二是材料此時(shí)具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學(xué)特性。2.2納米材料的分類A、按維數(shù)或結(jié)構(gòu)來(lái)分，納米材料的基本單元可以分為四類：零維納米材料；一維納米材料；二維納米材料；三維納米材料。B、按材料物性劃分，納米材料可分為：納米半導(dǎo)體；納米磁性材料；納米非線性光學(xué)材料；納米鐵電體；納米熱電材料；納米光電材料；納米超導(dǎo)材料。C、按應(yīng)用劃分，納米材料又可分為：納米電子材料；納米光電子材料；納米生物醫(yī)藥材料；納米敏感材料；納米儲(chǔ)能材料。D、按化學(xué)組分劃分，納米材料可劃分為：納米金屬；納米晶體；納米陶瓷；納米玻璃；納米高分子；納米復(fù)合材料。三 納米材料的發(fā)展3.1國(guó)際發(fā)展1959年12月25日著

8、名物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)呃聿榈?費(fèi)曼（Richard Feynman）在美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上做了題為在底部還有很大空間的演講。雖然沒(méi)有使用“納米”這個(gè)詞，但他實(shí)際上介紹了納米技術(shù)的基本概念。1974年日本教授谷口紀(jì)男（Norio Taniguchi）在一篇題為：“論納米技術(shù)的基本概念“的科技論文中給出了新的名詞納 米（Nano）。1981年格爾德賓寧（Gerd Binnig）和海因里希羅雷爾（Heinrich Rohrer）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），它使科學(xué)家第一次可以觀察并操縱單個(gè)原子。1985年賴斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了富勒烯（fullerenes）（更 為人熟知的名稱是“布基球（buc

9、kyballs），由著名未來(lái)學(xué)家多面網(wǎng)格球頂?shù)陌l(fā)明人巴克明斯特富勒（ R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用來(lái)制造碳納米管，是如今使用最廣泛的納米材料之一。1986年在蘇黎世的IBM沒(méi)研究實(shí)驗(yàn)室中，卡爾文 夸特（Calvin Quate ）和克里斯托 格柏（Christoph Gerber）與德國(guó)物理學(xué)家賓尼（Binnig）協(xié)作，發(fā)明了原子力顯微鏡。它成為在納米尺度成像，測(cè)量和操作的最重要的工具之一，這是納米技術(shù)最核心的部分。1989年在加州圣何塞的IBM阿爾馬登研究中心，公司的科學(xué)家唐艾格勒（Don Eigler ）和埃哈德施魏策爾（Erhard Schweizer）使

10、用35 個(gè)氙原子拼出了IBM公司的標(biāo)志，進(jìn)一步表明了納米顆粒的可操作性。1991年NEC 公司的飯島澄男（Sumio Iijima）制造出了碳納米管。1998 年白宮的國(guó)家科學(xué)技術(shù)理事會(huì)成立了納米技術(shù)的機(jī)構(gòu)間工作組。它的任務(wù)是：贊助研討會(huì)和研究，以界定納米科學(xué)技術(shù)和預(yù)測(cè)其發(fā)展前景。1999年使用納米技術(shù)的消費(fèi)類產(chǎn)品開(kāi)始出現(xiàn)在全球市場(chǎng)。2001年美國(guó)總統(tǒng)克林頓建立了國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃，協(xié)調(diào)聯(lián)邦研究和開(kāi)發(fā)工作，提高美國(guó)在納米技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)力。2002 年歐盟以納米論壇的形式，向公眾普及納米技術(shù)知識(shí)。2003年美國(guó)國(guó)會(huì)制定21世紀(jì)納米技術(shù)研究和發(fā)展條例，為美國(guó)納米技術(shù)計(jì)劃提供了法律基礎(chǔ)，建立項(xiàng)目、分配機(jī)

11、構(gòu)的責(zé)任，授權(quán)籌資水平，以及啟動(dòng)研究以解決關(guān)鍵問(wèn)題。2008 年12月10日國(guó)家研究委員會(huì)批評(píng)納米技術(shù)計(jì)劃的環(huán)境、健康和安全研究戰(zhàn)略；納米技術(shù)計(jì)劃回顧后，稱它對(duì)國(guó)家研究委員會(huì)的結(jié)論持有異議。2009年9月29日美國(guó)環(huán)保局陳述了新的研究策略，以更好地了解納米材料對(duì)人體健康和環(huán)境的潛在危害。它還宣布，某些納米材料的制造商和使用者必須告知環(huán)保局它們的使用計(jì)劃。2010年1月8日在英國(guó)上議院的科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)就納米技術(shù)問(wèn)題發(fā)表了有關(guān)納米技術(shù)和食品問(wèn)題的長(zhǎng)篇報(bào)告，警告本國(guó)的食品工業(yè)不要隱瞞納米技術(shù)的使用情況。2010 年3月美國(guó)參議院環(huán)境和公共工程委員會(huì)繼續(xù)為修訂有30年歷史的有毒物質(zhì)控制法收集證據(jù)。美

12、國(guó)環(huán)保局稱，這將有助于規(guī)范納米材料的商業(yè)應(yīng)用。3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展我國(guó)納米材料研究始于20世紀(jì)80年代末，“八五”期間“納米材料科學(xué)”列人國(guó)家攀登項(xiàng)目。此后，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家教委分別組織了8項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目， 國(guó)家863計(jì)劃、973計(jì)劃新材料領(lǐng)域也對(duì)納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。其中，863計(jì)劃納米材料與微機(jī)電系統(tǒng)重大專項(xiàng)于2002年正式啟動(dòng)。2002年重大專項(xiàng)以市場(chǎng)、應(yīng)用和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向,面向和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化為重點(diǎn)，針對(duì)國(guó)際納米材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在有相對(duì)優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略必爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域，如納米信息材料及器件的集成技術(shù)、納米生物醫(yī)用材料、納米環(huán)境材料、

13、納米能源材料、納米結(jié)構(gòu)材料、納米特種功能材料等進(jìn)行了布局，批準(zhǔn)實(shí)施課題63項(xiàng)；2003年則在納米光電子和電子材料體系、器件構(gòu)造及集成技術(shù)，生物醫(yī)用器件、系統(tǒng)的納米材料及相關(guān)技術(shù)，原創(chuàng)性的并具有產(chǎn)業(yè)化前景的特種納米材料及技術(shù)，納米電子、納米生物醫(yī)學(xué)器件研發(fā)及規(guī)?；瘧?yīng)用所必需的加工、檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了布局，批準(zhǔn)實(shí)施課題39項(xiàng)；2004年在納米信息、生物醫(yī)學(xué)材料及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)等幾個(gè)方面重點(diǎn)支持，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的跨越發(fā)展，使我國(guó)在納米技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利的戰(zhàn)略地位。通過(guò)國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃、863 計(jì)劃、973計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)在納米技術(shù)研究方面己投人了大量的人力和物力。自2001年到2002年間，共資助項(xiàng)目

14、545項(xiàng)，其中50萬(wàn)以上的項(xiàng)目102項(xiàng)。在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面，500萬(wàn)以上的項(xiàng)目26項(xiàng)，資助的總經(jīng)費(fèi)大約3.6億元，加上社會(huì)資金對(duì)納米材料產(chǎn)業(yè)化的投人，總投人約12億元。在國(guó)家各項(xiàng)科技計(jì)劃的支持下，我國(guó)納米材料及納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了比較突出的成果，例如，在納米電子方面，成功地研制出波導(dǎo)型單電子器件晶體管和對(duì)電荷超敏感的庫(kù)侖計(jì)；實(shí)現(xiàn)6納米寬的半導(dǎo)體量子線臺(tái)面和6納米寬的線條金屬柵，制備出間隔僅為10納米的多種“納米電極對(duì)”，用CMB效應(yīng)進(jìn)行高靈敏度傳感器和硬盤磁頭原理的研制工作。2001年我國(guó)開(kāi)始了第一個(gè)“納米標(biāo)準(zhǔn)”的制定工作，這是納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速的一個(gè)顯著標(biāo)志，而支撐納米標(biāo)準(zhǔn)建立的是我國(guó)

15、已經(jīng)具備的納米基礎(chǔ)科學(xué)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化的實(shí)力。2004年5月20日，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)納米技術(shù)委員成立，又使我國(guó)納米科技發(fā)展走上規(guī)范化管理的道路。目前，中國(guó)的納米材料專利(包括三資企業(yè)在中國(guó)的納米專利中請(qǐng))占全世界該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總數(shù)的20%以上，但我國(guó)專利質(zhì)量和國(guó)外相比有一定的差距，尤其是納米技術(shù)在電子信息與生物這些技術(shù)含量高的領(lǐng)域嚴(yán)重不足。10年來(lái)，我國(guó)研究人員在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表有關(guān)納米材料和納米結(jié)構(gòu)的論文2400篇，其中發(fā)表在自然和科學(xué)等世界頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志上的論文共6篇，影響因子在6以上的學(xué)術(shù)論文近20篇，影響因子在3以上的31篇，被SCI和EI收錄的文章占整個(gè)發(fā)表論文

16、的59%。根據(jù)2003年APEC統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近幾年在ICA上發(fā)表的論文僅次于美國(guó)和日本，超過(guò)德國(guó),位于第三位。如果把2001年和2004年初的論文包括在內(nèi)，中國(guó)超過(guò)日本，位于第二位，占全世界發(fā)表論文總數(shù)的15.2%。經(jīng)過(guò)幾年來(lái)國(guó)家的政策引導(dǎo)、各部門的配合、科學(xué)界和企業(yè)界的努力，我國(guó)不但發(fā)展了納米的基礎(chǔ)研究，部分納米技術(shù)已開(kāi)始邁人產(chǎn)業(yè)化的階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有300多家公司在從事納米材料和技術(shù)的研究及產(chǎn)業(yè)化，在納米復(fù)合材料改造傳統(tǒng)材料和產(chǎn)品方面，部分成果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地于2000年12月在天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)落成，促進(jìn)了我國(guó)納米產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展；上海在涂料、光催化材料、生物材料、

17、電子材料和測(cè)試儀器、傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域納米應(yīng)用等方面的產(chǎn)業(yè)化也取得突破，累計(jì)新增產(chǎn)值5億元；“十五期間”北京隊(duì)納米產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)將投入2億元。四 納米材料的應(yīng)用納米材料具有常規(guī)材料所不具備的物理特性，即具有高度的彌散性和大界面，使納米材料具有高擴(kuò)散率，蠕變和超塑性。為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)、燒結(jié)溫度降低、從而其化學(xué)活性增大。因此納米材料的力、熱、聲、光、電磁等性質(zhì)不同于該物質(zhì)在粗精狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)出的性質(zhì)（如下表）。納米材料的高強(qiáng)度、高擴(kuò)散性、高塑性、低密度、高電阻、高比熱、強(qiáng)軟磁性等特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學(xué)性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁記錄、特殊導(dǎo)體、熱交換材料、

18、敏感元件、潤(rùn)滑劑等領(lǐng)域。表：納米材料的物理性質(zhì)及用途性能用途力學(xué)性能超硬、高強(qiáng)、高韌、超塑性材料，特別是陶瓷增韌和高韌高硬涂層光學(xué)性能光學(xué)纖維、光反射材料、吸波隱身材料、光過(guò)濾材料、光存貯、光開(kāi)關(guān)、光導(dǎo)電體發(fā)光材料、光學(xué)非線性元件、紅外線傳感器、光折變材料磁性磁流體、磁記錄、永磁材料、磁存儲(chǔ)器、磁光元件、磁探測(cè)器、磁制冷材料、吸波材料、細(xì)胞分離、智能藥物電學(xué)性能導(dǎo)電漿料、電極、超導(dǎo)體、量子器件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽催化性能催化劑熱學(xué)性能耐熱材料、熱變換材料、低溫?zé)Y(jié)材料敏感特性濕敏、溫敏、氣敏等傳感器、熱釋電材料其他醫(yī)學(xué)（細(xì)胞分離，細(xì)胞染色，醫(yī)療診斷，消毒殺菌，藥物載體）、能源（電池

19、材料，貯氫材料）、環(huán)保（污水處理，廢物料處理，空氣消毒）、助燃劑、阻燃劑、拋光液、印刷油墨、潤(rùn)滑劑4.1.天然納米材料的應(yīng)用 海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國(guó)附近的海域，才能得以生存和長(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來(lái)回約需56年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬(wàn)千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)航。 與此同時(shí)，生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來(lái)不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。 4.2.納米磁性材料的應(yīng)用近年來(lái)隨著信息量飛速增加，要求記錄介質(zhì)材料高性

20、能化，特別是記錄高密度化。高密度的記錄介質(zhì)材料與超微粒有密切的關(guān)系。若以超微粒作記錄單元，可使記錄密度大大提高。納米磁性微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高的特性， 用它制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。此外，在電子計(jì)算機(jī)中為防止塵埃進(jìn)入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體（磁性液體：它是由超順磁性的納米微粒包覆了表面活性劑，然后彌漫在基液中而構(gòu)成）的防塵密封。納米粒子對(duì)紅外和電磁波有吸收隱身作用。由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用

21、；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3-4 個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)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(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。4.3.納米陶瓷材料的應(yīng)用納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料。它具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。英國(guó)著名材料專家Gleiter 指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個(gè)納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠诱剐缘?，能夠發(fā)生100%的塑性形變。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良

22、的韌性，在180經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。4.4.納米顆粒在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用生物傳感器是用固定化的生物活性成分為敏感元件與適當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換器件結(jié)合而成的傳感裝置，用以測(cè)定一種或幾種分析物的含量。生物傳感器是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，是一種全新的檢測(cè)技術(shù)，在生命科學(xué)、臨床診斷、環(huán)境監(jiān)控以及過(guò)程控制等各種領(lǐng)域都有所應(yīng)用。在生物傳感器的研制中，人們嘗試用多種新方法來(lái)固定酶，以期達(dá)到實(shí)用的要求。納米顆粒比表面積大、吸附能力強(qiáng)，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和穩(wěn)定性，且蛋白質(zhì)等物質(zhì)吸附在納米金屬顆粒的表面上仍能保持生物活性。所以，納米顆粒一般用作固定載體。憎水銀- 金納米顆粒可以顯著提高GOD

23、酶電極的響應(yīng)靈敏度，金屬納米顆粒本身就具有催化活性，所以，在GOD 酶反應(yīng)中納米顆粒迅速地從被還原的GOD(FADH2)獲取電子而使GOD 重新具有氧化性，這樣就加速了酶的再生速度。而且它有不同于塊體材料的特性，可使大量GOD 牢固吸附在納米顆粒表面，在一定程度上鈍化了酶的構(gòu)型，使其不易發(fā)生進(jìn)一步的變化而失活，增加了酶的穩(wěn)定性和催化活性。納米金可與巰基結(jié)合，形成牢固的共價(jià)鍵，增加了其固化GOD 的穩(wěn)定性而不影響其活性；納米顆粒增加了三維電極的有效固定面積，可以結(jié)合更多的GOD，使得檢測(cè)下限延長(zhǎng)；同時(shí)納米金的存在加快了GOD活性中心FDA/FDAH2 與金電極表面的氧化還原反應(yīng)，因此制成了高靈敏

24、度的生物傳感器。并且經(jīng)研究分析， 在納米銅修飾的金電極上以鄰胺基苯酚聚合物固載GOD 制成的電極，納米銅加入后對(duì)葡萄糖的檢出線低2倍，最大響應(yīng)電流高3 倍，靈敏度提高了2.5 倍。2 納米材料在涂料方面的應(yīng)用利用其獨(dú)特的光催化技術(shù)對(duì)空氣中有毒氣體有強(qiáng)烈的分解作用。4.5.納米傾斜功能材料的應(yīng)用 在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作，但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的

25、成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。 4.6.納米半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降

26、解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。 4.7.納米催化材料的應(yīng)用 在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中催化劑起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。但是，大多數(shù)的傳統(tǒng)催化劑催化效率低，制備過(guò)程并不嚴(yán)謹(jǐn)。所以它的生產(chǎn)使得原料在很大程度上的浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。所以，在催化劑上，納米材料有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，納米材料的比表面積大，表面活性中心多，這為做催化劑提供了必要條件。同時(shí)納米材料的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)決定了它具有良好的催化活性和催化反應(yīng)選擇性，它可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，對(duì)比一般的催化劑，用納米微粒作催

27、化劑的話，可以將反應(yīng)速度提高1015 倍。目前在高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)中可直接用納米態(tài)鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等做催化劑，利用納米鎳作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍。而且，納米材料催化劑的催化反應(yīng)選擇性還表現(xiàn)出特異性，如用硅載體納米鎳催化劑對(duì)丙醛的氧化反應(yīng)研究表明，鎳粒徑在5nm以下時(shí)，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化醛分解得到控制，生成乙醇的選擇性迅猛上升。在有機(jī)物制備方面，納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用

28、下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。還有光催化反應(yīng)等等，用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來(lái)催化科學(xué)不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來(lái)革命性的變革。4.8.納米材料在醫(yī)療上的應(yīng)用 血液中紅血球的大小為60009000 nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。 4.9.納米材料在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用 世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年

29、，它是由美國(guó)的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的，一共用了18 000個(gè)電子管，總重量30 t，占地面積約170 m2?？墒?，它在1 s內(nèi)只能完成5 000次運(yùn)算。經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬(wàn)分之一，但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一代電子計(jì)算機(jī)。4.10.納米碳管的應(yīng)用 1991年，日本電氣公司的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常

30、都是封死的，這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。在空氣中將納米碳管加熱到700 左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開(kāi)口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開(kāi)口的納米碳管上，金屬便進(jìn)入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì)，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。4.11.納米材料在涂料方面的應(yīng)用納米涂料利用其獨(dú)特的光催化技術(shù)對(duì)空氣中有毒氣體有強(qiáng)烈的分解，消除作用，對(duì)甲醛、氨氣等有害氣體有吸收和消除的功能，使室內(nèi)空氣更加清新。經(jīng)測(cè)試，

31、對(duì)各種霉菌的殺抑率達(dá)99以上，有長(zhǎng)期的防霉防藻效果；納米改性內(nèi)墻涂料，實(shí)際上是高級(jí)的衛(wèi)生型涂料，在衛(wèi)生用品上的應(yīng)用可起到殺菌保潔作用，適合于家庭、醫(yī)院、賓館和學(xué)校的涂裝；納米改性外墻涂料，利用納米材料二元協(xié)同的荷葉雙疏機(jī)理，較低的表面張力，具有高強(qiáng)的附著力，漆膜硬度高且有韌性，優(yōu)良的自潔功能，強(qiáng)勁的抗粉塵和抗臟物的粘附能力，疏水性極佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000 次，具有良好的保光保色性能，抗紫外線能力極強(qiáng)，使用壽命達(dá)15 年以上。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命，也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。五 納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、缺陷及展望5.1.納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)

32、狀現(xiàn)在納米材料研究的基本特征是以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，納米材料與相關(guān)科學(xué)的交叉融合為手段，重點(diǎn)解決納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。納米材料屬于上游產(chǎn)品，一方面用于傳統(tǒng)產(chǎn)品的升級(jí)，另一方面用于納米科技新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，而要在下游產(chǎn)品中體現(xiàn)納米材料的優(yōu)越性能就必須以納米制造技術(shù)作為支撐。近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從2001年的4.97億美元增加到2010年的22.65億美元。5.2.納米技術(shù)的

33、缺陷任何事物都有兩面性，納米技術(shù)也不例外。納米技術(shù)在給人類帶來(lái)種種好處的同時(shí)，也存在納米材料的安全性問(wèn)題。這也成為當(dāng)今世界各國(guó)研究學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，許多國(guó)家包括中國(guó)、美國(guó) 和歐盟等，都投入了大量的人力、物力和財(cái)力，試圖在納米技術(shù)得到普遍應(yīng)用以前解決其潛在的問(wèn)題，以使其在將來(lái)更好地服務(wù)于人類。其問(wèn)題主要表現(xiàn)在（1）要達(dá)到精確的調(diào)節(jié)和控制粉末組成和化學(xué)劑量比以及粒子的粒度和形態(tài)等方面都還有相當(dāng)大的困難。（2）要制造成分準(zhǔn)確、粒度均勻、表面功能團(tuán)穩(wěn)定的高質(zhì)量微粒還有一定困難，其收集與存放也存在問(wèn)題。（3）納米中藥因其表面效應(yīng)和量子效應(yīng)顯著增加，使得藥物的有效成分獲得了高能級(jí)的氧化和還原潛力，往往引起許

34、多性質(zhì)的變化。這種變化究竟會(huì)對(duì)藥物性質(zhì)產(chǎn)生什么樣的影響，目前還不清楚。（4）納米機(jī)器人一旦在人體內(nèi)失控，能夠快速?gòu)?fù)制的納米機(jī)器人在體內(nèi)擴(kuò)散的速度可能比癌細(xì)胞還快，它是否會(huì)對(duì)人體正常的組織造成不利影響，目前還沒(méi)有確切的研究結(jié)果。5.3納米技術(shù)的前景及展望納米科學(xué)是一門新興的科學(xué)，正處于不斷發(fā)展完善之中。納米材料的制備和應(yīng)用、微米/ 納米器件的制造是目前研究的熱點(diǎn)，但很多研究仍處于定性探索階段。當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題主要有：(1) 如何準(zhǔn)確表征納米材料的各種精細(xì)結(jié)構(gòu)。(2) 如何從結(jié)構(gòu)上分析、解釋納米材料所具有的新特性。(3) 能否利用某種判據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)微區(qū)尺寸減少到多大時(shí)，材料表現(xiàn)出特殊的性能。在此基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子的形態(tài)、尺寸、分布的控制，最終向?qū)崿F(xiàn)根據(jù)材料的性能要求，設(shè)計(jì)、合成目標(biāo)納米復(fù)合材料和設(shè)計(jì)組裝具有特殊功能的微系統(tǒng)的方向發(fā)展，并開(kāi)發(fā)其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到500億美元。我國(guó)雖然沒(méi)有具體