纳米材料的特性与应用

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1、纳米材料的特性与应用摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材 料学家和化学家的浓厚爱好。80 年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各 国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到 它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳 米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一 定的应用，并显示出它的独特魅力。关键词： 纳米材料 特性 应用1. 纳米发展简史1959 年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用 小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品

2、，这 是关于纳米科技最早的梦想。1991 年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢 的 1/6，强度却是钢的 10 倍，因此称之为超级纤维 .这一纳米材料的发现标志人 类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999 年，纳米产品的年营业额达到 500 亿美元。2什么是纳米材料纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物 质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为 7000-8000nm， 人体红细胞的直径一般为3000-5000nm, 般病毒的直径也在几十至几百纳米 大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃

3、来表示， 1 埃相当于1 个氢原子的直径， 1 纳米是 10 埃。一般认为 纳米材料应该包括两个基本条 件：一是 材料的特征尺寸在1-10 0nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。3. 纳米材料的特性广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（l-100nm ）或由他们作为基 本单元构成的材料。3.1表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大 后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个 原子，表面原子占40% ；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表 面原子占99%。主要原因就在于直径

4、减少，表面原子数量增多。再例如，粒 子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。 如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会 燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。3.2小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相 干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏， 从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现 出“新奇”的现象。例如， 铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时 却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还 要坚硬。利用 这些特性，可以高效率地将太阳

5、 能转变为热能、电能，此外 又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。3.3量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近 的电子能级由连续态分 裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、 静电能、静磁能、光子能或 超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效 应，从而使其磁、光、声、 热、电、超导电性能变化。例如，有种金属 纳米粒子吸收光线能力非常强， 在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得 完全不透明。3.4宏观量子隧道效应微观粒子具 有贯穿势垒的 能力称为隧道效应。 纳米粒 子的磁 化强 度等也有 隧道效应，它 们可以穿 过宏观系统的 势垒而 产生变 化，这 种被

6、称 为纳米粒子的 宏观量子隧道效应。4. 纳米材料的应用4.1. 在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应的催化剂不仅催化效率低， 的巨大浪费，使经济效益难 面活性中心多，为它作催化 大提咼反应效率，控制反应 纳米微粒作催化剂比一般催时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统 而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料 以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表 剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大 速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。化剂的反应速度提高1015倍。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物 制备方面。分散在溶液中的每一个

7、半导体颗粒，可近似地看成是一个短路 的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳 米粒子吸收光产生电子一一空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分 别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的 氧化，无机离子氧化还原， 有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反 应，水净化处理，水煤气变 换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水 中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光 稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选 用硅胶为基质，

8、制得了催化活性较高的TiO / SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu 一 Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替 昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600r降至室 温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研 究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带 来革命性的变革。4.2. 在涂料方面的应用纳米材料由于其表面和结构的非凡性，具有一般材料难以获得的优异性能， 显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面 涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借

9、助于传统的涂层 技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂 层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高 基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂 层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、 装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、 半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳 米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、 变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层， 可利用

10、其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂 料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻 燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米 微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子， 在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧 化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服 炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还 具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的 金属闪光面漆中，能使涂层产生

11、丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧 貌换新颜。纳米SiO是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO，可使2 2涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景， 将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。4.3. 在其它精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人 类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它 的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。 如在橡胶中加入纳米SiO2,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米 A1203,和S

12、iO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且 弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料,可以提高 塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO，作为2 添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米 材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过 表面修饰处理的SiO，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入2A1O，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度23的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加 在化妆品中，可使化妆

13、品的性能得到提高。超细 TiO 的应用还可扩展到涂料、2 塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的 TiO2 及高档汽车面漆用 的珠光钛白。纳米TiO，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活2性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染， 适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除 了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能 独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂 进行过滤，从而消除污染。4.4. 在医药方面的应用21 世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人

14、们对药物的需求越 来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研 究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹 的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术 的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾 病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称 之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到 人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小， 可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微 粒

15、的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据人民 日报报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米 银技术研制生产出医用敷料长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过 纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具 有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表 面结构发生变化，杀菌能力提高 200 倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有 较好的抑制作用。微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的 生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期 短、易被生物酶降解

16、的药物的给药。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分 子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为520nm的聚合物后，可 以固定大量蛋白质非凡是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有 用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以 获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。5. 结语纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米 电子学、纳米材料学和纳米生物学等。 21 世纪将是纳米技术的时代，为此，国 家科委、中科院将纳米技术定位为“21 世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的 应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛 的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从 根本上解决人类面临的许多问题，非凡是能源、