第一篇：神奇的碳納米材料--論文.doc

神奇的碳材料、摘要：碳元素作為地球上豐富的元素之一，其性質(zhì)多樣，應用廣泛。對碳材料的研究有著深遠的意義與價值。近年來，碳材料的研究相當活躍，出現(xiàn)了多種多樣的新型碳材料。其中包括石墨烯、富勒烯等，這些新型的碳材料具有許多優(yōu)異的物理和化學特性，被廣泛地應用于諸多領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：石墨烯、富勒烯、碳納米管、應用

石墨烯

【1】在2004年，英國的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃塞洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。而后制得是摩西的方法多種多樣。

石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨

石墨烯特性

（1）比鉆石還要堅硬

科學家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進行穿刺，從而測試它們的強度。讓科學家震驚的是，石墨烯比鉆石還強硬，它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍 石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤認為很僵硬，但事實并非如此。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來適應外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅硬，同時可以像拉橡膠一樣進行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。

（2）在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。

其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。

總結(jié)一下特性：石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。

石墨烯應用前景

一、晶體管、觸摸屏、基因測序

石墨烯可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領(lǐng)域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領(lǐng)域取得新突破。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯上無法生長,而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤。用石墨烯做的光電化學電池可以取代基于金屬的有機發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極,使之更易于回收。

這種物質(zhì)不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。

二、代替硅生產(chǎn)超級計算機

科學家發(fā)現(xiàn)，石墨烯是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機。

三、光子傳感器

石墨烯可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結(jié)束。IBM的一個研究小組披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。

富勒烯

【2】

富勒烯于1985年發(fā)現(xiàn)的繼金剛石、石墨和線性碳(carbyne)之后碳元素的第四種晶體形態(tài)。其中柱狀或管狀的分子又叫做碳納米管或巴基管。碳60(C60)和碳70(C70)是最常見的，也是能夠量產(chǎn)的富勒烯,富勒烯的成員還有C28、C32、C240、C540。C78、C82、C84、C90、C96等也有管狀等其他形狀。

富勒烯（Fullerene)是一種碳的同素異形體任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯是一系列純碳組成的原子簇的總稱。它們是由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構(gòu)成的封閉式空心球形或橢球形結(jié)構(gòu)的共軛烯?，F(xiàn)已分離得到其中的幾種，如C60和C70等。在若干可能的富勒烯結(jié)構(gòu)中C60，C240，C540和直徑比為1:2:3。C60的分子結(jié)構(gòu)的確為球形32面體，它是由60個碳原子以20個六元環(huán)和12個五元環(huán)連接而成的具有30個碳碳雙鍵（C=C）的足球狀空心對稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。由12個五邊形和20個六邊形組成。其中五邊形彼此不相聯(lián)接只與六邊形相鄰。與石墨相似，C60中每個碳原子與周圍三個碳原子形成三個σ鍵，C-C-C夾角為116°，三個σ鍵角總和為348°，而不是平面三角形的360°，故為球面，由雜化軌道理論計算：C原子是采取sp2.28雜化，用三個雜化軌道形成σ鍵，每個C原子剩下的一個軌道（s0.09P0.90）與球面成101.6°，形成離域Π鍵，故具有芳香性。

富勒烯特性

1、C60分子具有芳香性，溶于苯呈醬紅色；有潤滑性，可能成為超級潤滑劑。金屬摻雜的C60有超導性，是有發(fā)展前途的超導材料。

2、硬度比鉆石還硬

3、軔度(延展性)比鋼強100倍

4、導電性比銅強，重量只有銅的六分之一

5、易取材，富勒烯成分是碳，所以可從廢棄物中提煉

富勒烯應用

一、C60的應用

1、潤滑劑和研磨劑

C60具有特殊的圓球形狀，是所有分子中最圓的分子；另外，C60的結(jié)構(gòu)使其具有特殊的穩(wěn)定性。在分子水平上，單個C60分子是異常堅硬的，這使得C60可能成為高級潤滑劑的核心材料。C60分子一出世，就有人提議用它來做“分子滾珠”，制成潤滑劑。將C60完全氟化得到的C60F60是一種超級耐高溫材料，這種白色粉末狀物質(zhì)是比C60更好的優(yōu)良潤滑劑，可廣泛應用于高技術(shù)領(lǐng)域。另外，C60分子的特殊形狀和極強的抵抗外界壓力的能力使其有希望轉(zhuǎn)化成為一類新的超高硬度的研磨材料。

2、富勒烯電化學

C60具有完美對稱的足球結(jié)構(gòu)，反應在其電子能級上具有較高的簡并度.理論計算表明，C60分子的電子能級簡并度最高可達五重。C60的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）是三重簡并的tlu態(tài)，使得C60具有很高的電負性，它能夠接受電子而形成帶負電子的陰離子。高度結(jié)構(gòu)對稱性與分子軌道簡并度結(jié)合起來，使得C60分子具有非常豐富的氧化還原性質(zhì)。

3、非線性光學器件

實驗和理論研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非線性光學材料，C60/C70混合物（C70約占10%）的非線性光學系數(shù)約為1.1×10-9esu，C76甚至還具有光偏振性。富勒烯分子中不存在對非線性光學性能有干擾作用的碳—氫鍵和碳—氧鍵，與其他非線性光學材料相比，性能更加優(yōu)越

4、超導性

摻雜C60超導體的發(fā)現(xiàn)是超導領(lǐng)域的又一重大成果，這種超導體具有相對較高的臨界溫度，摻雜C60超導體的臨界溫度不僅遠遠高于所有的有機分子超導體，而且也大大高于以前發(fā)現(xiàn)的金屬和合金超導體，只比現(xiàn)在炙手可熱的氧化物陶瓷超導體低。

富勒烯超導體最大的優(yōu)點在于這種化合物容易加工成所需要的各種形狀；同時由于它們是三維分子超導體，各向同性，使得電流可以在各個方向均等地流動。同時，富勒烯化合物超導體還具有較高的臨界磁場和臨界電流密度，理論分析和一些實驗結(jié)果顯示，在更大的富勒烯分子摻雜化合物中可能大幅度提高超導臨界溫度。良好的性質(zhì)和潛在的高臨界溫度為富勒烯超導體的應用創(chuàng)造了條件。

二、碳納米管的應用

1、力學

【3】

碳納米管具有彈性高、密度低、絕熱性好、強度高、隱身性優(yōu)越、紅外吸收性好、疏水性強等優(yōu)點，它可以與普通纖維混紡來制成防彈保暖隱身的軍用裝備。也可用于增強金屬、陶瓷和有機材料等。并且結(jié)合碳納米管的導熱導電特性，能夠制備自愈合材料。

2、隱身材料

碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用: 納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長,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;納米微粒材料的 比表面積比常規(guī)粗粉大3～4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。所以紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，很難發(fā)現(xiàn)被探測目標,起到了隱身作用。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反射,因此而達到隱形效果。

3、能源（1）儲氫材料

碳納米管由于其管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的類石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲氫材料，國外學者證明在室溫和不到1bar的壓力下，單壁碳管可以吸附氫5-10wt%。根據(jù)理論推算和近期反復驗證，普遍認為碳納米管的可逆儲/放氫量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今為止最好的儲氫材料。

（2）鋰離子電池

鋰離子電池正朝高能量密度方向發(fā)展，最終為電動汽車配套，并真正成為工業(yè)應用的非化石發(fā)電的綠色可持續(xù)能源，因此要求材料具有高的可逆容量。

碳納米管的層間距略大于石墨的層間距，充放電容量大于石墨，而且碳納米管的筒狀結(jié)構(gòu)在多次充放電循環(huán)后不會塌陷，循環(huán)性好。堿金屬如鋰離子和碳納米管有強的相互作用。用碳納米管做負極材料做成的鋰電池的首次放電容量高達1600mAh/g，可逆容量為700mAh/g，遠大于石墨的理論可逆容量372mAh/g。

4、納米器件

碳納米管的直徑僅數(shù)納米至數(shù)十納米，耐電流密度可達銅的100多倍，可以作為超級耐高電流密度的布線材料，可制成碳納米導線。半導體型的碳納米管還可以用來構(gòu)筑納米場效應晶體管、單電子晶體管等納米器件，變頻器、邏輯電路以及環(huán)形振蕩器等各種邏輯電路。

IBM的研究人員已經(jīng)在單一“碳納米管”分子上構(gòu)建了首個的完整電子集成電路，比當今的硅半導體技術(shù)具有更為強大的性能，具有里程碑式的重大意義。

5、電子器件（1）場致發(fā)射

納米級發(fā)射尖端、大長徑比、高強度、高韌性、良好的熱穩(wěn)定性和導電性等，使得碳納米管成為理想的場致發(fā)射材料!有望在冷發(fā)射電子槍、平板顯示器等眾多領(lǐng)域中獲得應用。

日本已制出該類技術(shù)的彩色電視機樣機，其圖像分辨率是目前已知其它技術(shù)所不可能達到的。用碳納米管制成的電子槍與傳統(tǒng)的相比，不但具有在空氣中穩(wěn)定、易制作的特點，而且具有較低的工作電壓和大的發(fā)射電流，適用于制造大的平面顯示器。使用具有高度定向性的單壁碳納米管作為電子發(fā)送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，還可以縮短電子到屏幕之間的距離，使得制造更薄的壁掛電視成為可能。（2）新型的電子探針

碳納米管具有大長徑比、納米尺度尖端、高模量，是理想的電子探針材料。其具有以下優(yōu)點：

①不易折斷：即使與被觀察物體的表面發(fā)生碰撞，納米碳管也不易折斷，碳納米管可與被觀察物體進行軟接觸。

②靈活性高：碳納米管籠狀碳網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以進入觀察物體不光滑表面的凹陷處。能更好顯現(xiàn)被觀察物體的表面形貌和狀態(tài)，有很好的重現(xiàn)性。

用碳納米管作為這類電子顯微鏡的探針，不僅可以延長探針的使用壽命，而且可極大的提高顯微鏡的分辨率。特別是擴展了原子力顯微鏡等探針型顯微鏡在蛋白質(zhì)、生物大分子結(jié)構(gòu)的觀察和表征中的應用。

6、傳感器

碳納米管吸附某些氣體之后，導電性發(fā)生明顯改變，因此可將碳納米管做成氣敏元件對氣體實施探測報警。

在碳納米管內(nèi)填充光敏、濕敏、壓敏等材料，還可以制成納米級的各種功能傳感器。

7、催化

由于碳納米管具有納米級的內(nèi)徑，類似石墨的碳六元環(huán)網(wǎng)和大量未成鍵的電子，可選擇吸附和活化一些較惰性的分子，研究發(fā)現(xiàn)其在600℃的催化活性優(yōu)于貴金屬銠，并很穩(wěn)定。這將在石化和化工產(chǎn)業(yè)界帶來不可估量的革新和效益。

碳納米管與金屬離子之間的相互作用，使金屬離子能在常溫下自動趨于還原態(tài)，這對金屬納米導線的制備無疑很有裨益。

結(jié)束語

神奇的碳材料——石墨烯和富勒烯，它們不同的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，具有不同的應用價值和前景。碳作為地球上最豐富的資源，取材方便也相對較容易。把它作為人類未來賴以生存的資源，我認為一點都不為過。

參考文獻

【1】 【2】 【3】

第二篇：碳納米材料論文讀書筆記（范文）

碳納米管限域催化研究讀書筆記

繼2008年在英國Chem Comm發(fā)表特寫論文（Feature Article）后，受美國化學會《化學研究報告》（Accounts of Chemical Research）邀請，中科院大連化學物理研究所潘秀蓮研究員和包信和院士等近日撰寫綜述文章，詳細報道在限域催化領(lǐng)域研究最新進展，完整詮釋由該研究組發(fā)展起來的納米限域催化新概念（Acc.Chem.Res.DOI 10.1021/ar100160t）。

碳納米管可認為是石墨烯片層按一定規(guī)則卷曲形成納米級管狀結(jié)構(gòu)的孔材料，是自上世紀90年代以來被廣泛研究的碳材料家族中的重要成員。由于構(gòu)成碳納米管管壁的石墨片層具有一定的曲率，致使大π鍵發(fā)生畸變，管內(nèi)外電子分布發(fā)生變化，管壁附近的電荷發(fā)生分離，從而形成了一種由管內(nèi)指向管外的表觀靜電場。

包信和院士帶領(lǐng)的研究小組，在大量系統(tǒng)、深入的實驗和理論研究基礎(chǔ)上，發(fā)明了一系列在管徑小于10nm的多壁和單雙壁碳納米管內(nèi)高效組裝納米金屬和金屬氧化物催化劑的新技術(shù)，并從理論和實驗上充分證實了管腔不僅可以從幾何上控制金屬顆粒尺度，獲得和穩(wěn)定高分散的納米催化劑粒子；而且納米碳管管壁的卷曲結(jié)構(gòu)導致的管腔內(nèi)電子環(huán)境畸變，一方面改變了反應分子和產(chǎn)物在管道內(nèi)的吸附和擴散行為，更重要的是修飾了限域在管腔內(nèi)的催化劑納米粒子的電子特性以及相關(guān)的催化性能。

近年來，這些概念在該研究組和國內(nèi)外其他研究組包括合成氣催化轉(zhuǎn)化制液體燃料、乙醇合成、低碳烯烴合成、氨合成、氨分解、碳氫化合物的選擇加氫、燃料電池電催化以及選擇氧化反應等一系列催化體系中得到了初步驗證。該研究小組的部分結(jié)果相繼發(fā)表在Nature Materials，Journal of American Chemical Society 和Energy & Environmental Science 等相關(guān)刊物，并先后申報多件發(fā)明專利，初步形成了一個較為完整的概念體系，被國際同行評價為 “一個非常重要的發(fā)現(xiàn)，應該具有普遍意義和廣泛應用”，“這個概念為調(diào)變金屬催化劑的反應性能提供了一條新途徑，而且這種作用可能推廣并應用于更多的反應體系中”。

第三篇：納米論文

聚合物基-納米二氧化硅復合材料的應用研究進展

班級12材料2班學號1232230042姓名王曉婷

摘要本文介紹了近年來國內(nèi)外納米SiO2聚合物復合材料的制備方法，討論了制備方法的特點，闡述了聚合物納米SiO2復合材料的研究進展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應用前景。

關(guān)鍵詞納米SiO2復合材料;聚合物;制備;應用 前言

納米SiO2是目前應用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應、量子尺寸效應和體積效應等,使其與有機聚合物復合而成的納米二氧化硅復合材料, 既能發(fā)揮納米SiO2自身的小尺寸效應、表面效應以及粒子的協(xié)同效應, 又兼有有機材料本身的優(yōu)點, 使復合材料具有良好的機械、光、電和磁等功能特性, 引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[

1，2]

。本文就納米Si02一聚合物復合材料的制備方法、制備方法的特點和應用進行一次全面的綜述。

2聚合物/ 納米Si O2 復合材料的制備

2．1 共混法

共混法是制備聚合物／無機納米復合材料最直接的方法，適用于各種形態(tài)的納米粒子，但是由于納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發(fā)團聚。要將無機納米粒子直接分散于有機基質(zhì)中制備聚合物納米復合材料，必須通過化學預分散和物理機械分散打開納米粒子團聚體，消除界面能差，才能實現(xiàn)均勻分散并與基體保持良好的親和性。具體途徑如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先將聚合物基體溶解于適當?shù)娜軇┲兄瞥扇芤?或乳液)，然后加入無機納米粒子，利用超聲波分散或其他方法將納米粒子均勻分散在溶液(或乳液)中。

姜云鵬等利用PVA與納米Si02表面的羥基形成的氫鍵實現(xiàn)了納米si02對PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應制備納米Si02顆粒，然后通過超聲分散機將顆粒分散到聚氨酯樹脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復合材料；以上各種方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

將納米無機粒子與聚合物基體在密煉機、雙螺桿等混煉機上熔融共混。

郭衛(wèi)紅等[5]在密煉機上將PMMA和納米Si02粒子熔融共混后，用雙螺桿造粒制得納米復[4][3]合材料。石璞[6]通過熔融共混法將納米si02粒子均勻地分散于PP基體中制得復合材料，由于復合偶聯(lián)劑的一端易與離子表面上大量的羥基發(fā)生化學反應形成穩(wěn)定的氫鍵，另一端與聚丙烯相容性較好，使納米粒子基本沒有團聚，實現(xiàn)了增強、增韌的目的。張彥奇等[7]將納米Si02經(jīng)超聲分散并經(jīng)偶聯(lián)劑處理后與LLDPE等組分預混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復合材料，所得薄膜霧度顯著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超聲波分散、機械共混等方法在單體溶液中分散納米粒子，或采用偶聯(lián)劑對納米粒子表面進行處理，然后單體在納米粒子表面進行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復合材料(in situ polymerization)。通過這種方法，無機粒子能夠比較均一地分散于聚合物基體中。

歐玉春等[8]利用帶有羥基的丙烯酸酯表面處理劑對Si02進行表面處理，應用本體法聚合制備si02／PMMA納米復合材料，結(jié)果顯示納米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的機械性能、玻璃化溫度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑，液相納米Si02為核，聚甲基丙烯酸甲酯為殼合成了納米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑的使用增強了與納米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶膠-凝膠法

溶膠一凝膠法(Sol-gel)是制備聚合物／無機納米復合材料的一種重要方法。通過烷氧基金屬有機化合物的水解、縮合，將細微的金屬氧化物顆粒復合到有機聚合物中并得到良好分散，從而在溫和條件下制備出具有特殊性能的聚合物／無機納米復合材料。

2.4硅酸鈉溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法在制備聚合物／納米si02復合材料時顯示出很多優(yōu)勢。但是，所用的無機組分的前驅(qū)物正硅酸烷基酯價格昂貴、有毒，因此為了降低制備成本，改善生產(chǎn)條件和減少環(huán)境污染，張啟衛(wèi)等[10]用硅酸鈉為無機si02組分的前驅(qū)物，與PVAC或PMMA的THF溶膠混合，經(jīng)溶膠一凝膠過程制備出聚合物／Si02雜化材料。結(jié)果表明，si02含量在一定范圍時，由于發(fā)生了納米級微區(qū)效應，有機一無機兩相間相容性好，不產(chǎn)生相分離，材料透光率提高，熱穩(wěn)定性增強。

3聚合物/ 納米Si O2 復合材料的研究進展

3.1 納米SiO2/環(huán)氧樹脂復合材料

Mascia等通過紅外光譜和定性黏度分析得知,納米SiO2 和環(huán)氧樹脂隨著環(huán)氧樹脂的分子量增加、加入偶聯(lián)劑、增加溶劑的極性以及提高反應溫度都會使二者的相容性提高[11]。寧榮昌等用分散混合法研究了納米SiO2有無表面處理及其含量對復合材料性能的影響, 采用透射電鏡和正電子湮沒技術(shù)(PALS)對納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進行了表征[12]。結(jié)果表明, SiO2表面處理后, 復合材料性能得到提高, 使環(huán)氧樹脂增強和增韌;且納米SiO2含量為3 % 時,自由體積濃度最小, 納米復合材料的性能最佳。劉競超等通過原位分散聚合法制得了納米SiO2/環(huán)氧樹脂復合材料[13]。結(jié)果表明, 對復合材料力學性能的影響較大的是偶聯(lián)劑, 在最優(yōu)工藝條件下制得的復合材料沖擊強度、拉伸強度比基體分別提高了124% 和30%;復合材料的Tg和耐熱性也有所提高。

3.2 納米SiO2/丙烯酸酯類復合材料

歐玉春等用原位聚合方法制備了分散相粒徑介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)復合材料[14]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理的SiO2在復合材料基體中分散均勻, 界面粘結(jié)好;SiO2粒子的填充使基體的Tg和損耗峰上升, 隨著SiO2含量的增加, 對應試樣的Tg和損耗峰值增大;隨著SiO2含量的增加, 基體的拉伸強度、彈性模量表現(xiàn)為先下降后升高, 而基體的斷裂伸長率表現(xiàn)為先升高后下降。武利民等通過原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 種方法制備丙烯酸酯/納米SiO2復合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復合乳液[15]。結(jié)果表明, 共混法制得的納米復合物的拉伸強度、斷裂伸長率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨納米SiO2含量的增加先上升然后逐漸下降。涂層對紫外光的吸收和透過隨納米SiO2 含量的增加分別呈上升和下降趨勢, 而微米SiO2復合丙烯酸酯乳液, 其涂層對紫外光的吸收和透過基本不受微米SiO2 的影響。

3.3 納米SiO2/硅橡膠復合材料

王世敏等對納米SiO2/二甲基硅氧烷復合材料的光學、力學性能進行了研究[16]。結(jié)果表明, 復合材料對波長λ＞390 nm 的可見光基本能透過, 透過率達80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復合材料在非氧化氣氛中加熱到1 000 ℃以上, 分子發(fā)生重排, 形成塊狀微孔體;繼續(xù)加熱到1 400 ℃時,有機碳仍不分解, 且熱膨脹系數(shù)很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔順性, 在溶膠－凝膠過程中不會因干燥而破裂, 該材料可以作為涂層改善基體(如聚合物、金屬)表面的物理化學性質(zhì)。潘偉等研究SiO2納米粉對硅橡膠復合材料的導電機理、壓阻及阻溫效應的影響[18]。結(jié)果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應越來越顯著,在一定壓力范圍內(nèi), 材料電阻隨壓力呈線性增加;同時, SiO2納米粉的加入使復合材料的電阻隨溫度增加而增加。

3.4 納米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有較好的透明性, 較高的硬度, 以及較強的蠕變性。為了進一步提高其應用價值, 王金平等以聚碳酸酯為基體, 采用溶膠－凝膠法技術(shù)在聚碳酸酯表面覆蓋一層納米SiO2無機涂層, 涂層與聚碳酸酯較好的結(jié)合, 使材料的耐磨性得到明顯提高[19]。

3.5 納米SiO2/聚酰亞胺復合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應用于航空、航天及微電子領(lǐng)域的功能材料, 它的優(yōu)點是介電性良好,力學性能優(yōu)良, 但其吸水性強和熱膨脹性高的缺點限制了他的應用。而采用納米SiO2改性后的PI 在這方面得到了很大改善。楊勇等的研究表明, 采用納米SiO2改性后的PI 其熱穩(wěn)定性得到加強, 熱膨脹系數(shù)得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復合材料的力學性能時發(fā)現(xiàn), 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強度、斷裂強度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機分子與無機物分子之間的相容性, 從而可制備強度和韌性更加優(yōu)異的復合材料[21]。

3.6 納米SiO2/聚烯烴類復合材料

張彥奇等采用熔融共混法制備了線性低密度聚乙烯(LLDPE)/納米SiO2復合材料[22]。結(jié)果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強度、拉伸強度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時達到最大值;加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對長波紅外線(7～11 μm)的吸收能力較純LLDPE 膜有顯著提高, 透光率略有下降, 但霧度提高。曲寧等利用納米SiO2、馬來酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通過熔融共混制備了PP/納米SiO2復合材料[23]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理、用量為4 %的納米SiO2 與4 % 的PE-g-MAH 發(fā)生協(xié)同作用, 可以使PP/納米SiO2復合材料的沖擊強度提高40 %,拉伸強度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。

3.7 納米SiO2/尼龍復合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒徑和含量的納米SiO2 與尼龍6 通過原位聚合得到的納米復合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復合材料的結(jié)晶相;粒子的加入明顯增強了基體的彈性模量,且復合材料的性能受粒子尺寸和分散狀況的影響。

3.8 納米SiO2/聚醚酮類樹脂復合材料

邵鑫等研究了納米SiO2對聚醚砜酮(PPESUK)復合材料摩擦學性能的影響[25]。結(jié)果表明, 納米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且還有較好的減摩作用, 其最佳用量為25%。靳奇峰等采用懸浮液共混法制備了納米SiO2填充新型雜萘聯(lián)苯聚醚酮(PPEK)復合材料[26]。當納米SiO2用量為1 % 時, 復合材料的綜合力學性能最佳。納米SiO2的加入使得復合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當納米SiO2用量為7 % 時,材料的摩擦磨損性能最好, 并且在大載荷下納米SiO2 更能有效改善復合材料的摩擦磨損性能。

3.9納米SiO2/聚苯硫醚(PPS)復合材料

張文栓等首先將納米SiO2粒子與硅烷偶聯(lián)劑KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超聲波振蕩60 min 后脫去溶劑, 烘干后與PPS 在高速攪拌機中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機造粒制得PPS/納米SiO2復合材料[27]。納米SiO2粒子呈顆粒狀均勻分布在PPS 基體中, 尺寸在10～40 nm 范圍內(nèi)。當納米SiO2用量為3 % 時, PPS/納米SiO2 復合材料的力學性能最佳, 拉伸強度、彎曲彈性模量和缺口沖擊強度分別提高13.4%、7.4% 和27.3%。張而耕等用轉(zhuǎn)化劑、分散劑和穩(wěn)定劑制備了PPS/納米SiO2水基涂料[28]。PPS/納米SiO2復合涂層的耐沖蝕磨損性比普通涂層提高了約50 倍, 能夠用于零部件的防沖蝕磨損。

3.10納米SiO2/PMMA 復合材料

張啟衛(wèi)等利用溶膠-凝膠法制備了PMMA/納米SiO2復合材料[29]。發(fā)現(xiàn)PMMA 與納米SiO2兩相間的相容性好, 材料透光率可達80 %, 并且熱穩(wěn)定性和Tg都比純PMMA 有較大的提高。郭衛(wèi)紅等將經(jīng)過表面處理的納米SiO2分散于PMMA 單體中形成膠體, 原位聚合制備了PMMA/納米SiO2復合材料[30]。結(jié)果表明, 復合材料的耐紫外線輻射能力提高1 倍以上, 沖擊強度提高80 %。同時由于納米粒子尺寸小于可見光波長, 復合材料具有高的光澤度和良好的透明度。

4總結(jié)與展望

聚合物/納米SiO2復合材料具有優(yōu)良的綜合性能, 展現(xiàn)出誘人的應用前景。盡管近年來對其研究較多, 并取得了較大進展, 但是對它的研究還不夠深入, 還有許多問題亟待研究和解決, 如納米SiO2在聚合物基體中的均勻分散問題, 納米復合材料的相界面結(jié)構(gòu), 納米SiO2 對聚合物性能影響的機理等。相信隨著制備技術(shù)的進一步完善及對材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的進一步了解, 人們將能按照需要來設(shè)計和生產(chǎn)高性能和多功能的聚合物/納米SiO2復合材料。納米Si02可以改性多種高分子材料，通常對聚合物的機械性能如拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率，以及熱穩(wěn)定性、動態(tài)力學行為、光學行為等都有較大影響。因此人們都在力求解決很多問題，諸如納米Si02在聚合物基體中的均勻分散；納米Si02復合材料中有機相和無機相的相界面結(jié)構(gòu)；Si02粒徑大小、幾何形狀等形態(tài)參數(shù)及添加量對復合材料性能的影響；納米Si02對聚合物基體材料性能影響的機理等。隨著研究的不斷深入，納米Si02一聚合物體系將在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮出它的重要作用。

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第四篇：納米論文

納米技術(shù)在醫(yī)學上的應用

[摘要]納米醫(yī)學是納米技術(shù)與醫(yī)藥技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,納米醫(yī)學研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應用潛力。近幾年,納米技術(shù)突飛猛進,作為納米技術(shù)的重要領(lǐng)域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫(yī)學、納米生物技術(shù)和納米生物材料三個方面,講述了納米生物工程的重大進展。本文就納米診斷技術(shù)、組織修復和再生醫(yī)學中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現(xiàn)狀與進展進行綜述,并探討納米醫(yī)學的發(fā)展前景。

[引言] 納米技術(shù)的基本概念是用單個原子、分子制造和操作物質(zhì)的技術(shù),是現(xiàn)代高科技前沿技術(shù).納米技術(shù)應用前景廣闊,幾乎涉及現(xiàn)有科學技術(shù)的所有領(lǐng)域,世界各國都把納米技術(shù)列為重點發(fā)展項目,投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地.[關(guān)鍵詞]納米醫(yī)學;納米生物材料;診斷;治療

1、跨世紀的新學科——納米科技

所謂/納米科技,就是在0.1~100納米的尺度上,研究和利用原子和分子的結(jié)構(gòu)、特征及相互作用的高新科學技術(shù),它是現(xiàn)代科學和先進工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1990年7月,第一屆國際納米科技會議的召開,標志著納米科技的正式誕生。時至今日,納米科技涉及到幾乎現(xiàn)有的所有科學技術(shù)領(lǐng)域。它的誕生,使人類改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標,是人類按照自己的意志操縱單個原子,在納米尺度上制造具有特定功能的產(chǎn)品,實現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛 躍。目前,納米科技已經(jīng)取得一系列成果,正處于重大突破的前夜。研究者認為,這一興起于本世紀90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀,對人類社會產(chǎn)生重大而深遠的影響。

2、納米醫(yī)學的提出

納米醫(yī)學的形成除了納米技術(shù)之外，其醫(yī)學本身也應具有可應用納米技術(shù)的客觀基礎(chǔ)和必要條件。客觀基礎(chǔ)是指，像其他物質(zhì)一樣，醫(yī)學研究的主體———人體本身是由分子和原子構(gòu)成的。實現(xiàn)納米醫(yī)學的必要條件是，要在分子水平上對人體有更為全面而詳盡的了解。隨著現(xiàn)代生物學和現(xiàn)代醫(yī)學的不斷發(fā)展,人類在生物學和醫(yī)學等領(lǐng)域的研究內(nèi)容已開始從細胞、染色體等微米尺度的結(jié)構(gòu)深入到更小的層次,進入到單個分子甚至分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些極其微細的分子結(jié)構(gòu)的特征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術(shù)的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的學科,就是納米生物學和納米醫(yī)學。納米醫(yī)學是一門涉及物理學、化學、量子學、材料學、電子學、計算機學、生物學以及醫(yī)學等眾多領(lǐng)域的綜合 性交叉學科。Freitas曾給納米醫(yī)學下過一個較詳細的定義:他認為,納米醫(yī)學是利用人體分子工具和分子知識,預防、診斷、治療疾病和創(chuàng)傷,劫除疼痛,保護和改善人體健康的科學和技術(shù)。目前的納米醫(yī)學研究水平還處于初級階段,當然,由于各國科學工者的不懈努力,納米醫(yī)學研究領(lǐng)域已初露曙光,有部分研究成果已開始接近臨床應用。

從定義來看,納米醫(yī)學可以分為兩大類,一是在分子水平上的醫(yī)學研究,基因藥物和基因療法等就是典型體現(xiàn);二是把其他領(lǐng)域的納米研究成果引入醫(yī)學領(lǐng)域,如某種納米裝置在醫(yī)療和診斷上的應用。納米醫(yī)學的奧秘在于,可以從納米量級的尺度來進行原來不可能達到的醫(yī)療操作和疾病防治。當生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級的時候,其性質(zhì)會有意想不到的變化。這種變化既包括物質(zhì)的原有性能變得更好,還可能有我們所意想不到的性能和效益,從而用來治病防病。

3、納米技術(shù)的醫(yī)學應用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應用納米醫(yī)學技術(shù)手段，在診室內(nèi)進行全面的基因檢查和特殊細菌涂層標記物的實時全身掃描；檢測腫瘤細胞抗原、礦質(zhì)沉積物、可疑的毒素、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標三維圖譜的特定分子。在納米醫(yī)學時代，這些強有力的手段將使醫(yī)務人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，并能以合理的費用，在數(shù)分鐘或數(shù)秒鐘內(nèi)獲得所需的結(jié)果。許多以往診斷比較困難或無法診斷的疾病,隨著納米技術(shù)的介入,將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,以往常采用價格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術(shù)。如今應用納米技術(shù),可簡便安全地達到目的。孕8周左右血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞,用納米粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。目前美國已將此項技術(shù)應用于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒有明顯癥狀,一旦發(fā)現(xiàn)常已到晚期,難以治愈,因而早期診斷極為重要。中國醫(yī)科大學第二臨床學院把納米粒應用于醫(yī)學研究,經(jīng)過4年的努力,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。動物實驗證明,運用這項研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤。這對肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。3.2 納米藥物和納米藥物載體

這是納米醫(yī)學中的一個非常活躍的領(lǐng)域,適時準確地釋放藥物是它的基本功能之一?？茖W家正在為糖尿病人研制超小型的,模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下,監(jiān)測血糖水平,在必要的時候釋放出胰島素,使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。美國密西根大學的博士正在設(shè)計一種納米/智能炸彈,它可以識別出癌細胞的化學特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進入并摧毀單個的癌細胞。

德國醫(yī)生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動物實驗中取得了較好療效。將一些極其細小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里,然后將患者置于可變的磁場中,氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度,這一溫度可慢慢熱死癌細胞。由于腫瘤附近的機體組織中不存在磁性微粒,因此這些健康組織的溫度不會升高,也不會受到傷害?？茖W家指出,將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合,注入到人體內(nèi),在外磁場作用下,藥物向病變部位集中,從而達到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。

納米藥物與傳統(tǒng)的分子藥物的根本區(qū)別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質(zhì)體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結(jié)構(gòu)或納米特性,發(fā)現(xiàn)基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對傳統(tǒng)藥物的改良,而后者強調(diào)的是把納米材料本身作為藥物。

3.2.1 納米藥物

直接以納米顆粒作為藥物的應用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環(huán)保、遇水后殺菌力更強、不會誘導細菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料,成功地開發(fā)出了創(chuàng)傷貼、潰瘍貼等納米醫(yī)藥類產(chǎn)品。例如,納米二氧化鈦樹脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果,當樹脂基托中抗菌劑的濃度達到3%時,即可達到滿意的抗菌效果。

無機納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用Gd@C82(OH)22處理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長,同時對機體不產(chǎn)生任何毒性。其抑瘤效應不是通過納米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機體免疫來實現(xiàn)對腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對惡性腫瘤細胞產(chǎn)生明顯的抑制作用,而對正常細胞作用甚微,可望通過進一步的研究獲得一種區(qū)別于傳統(tǒng)的化療藥物的納米無機抗癌藥物。此外,有的物質(zhì)納米化后出現(xiàn)新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細胞增殖;二氧化鈰納米顆?？梢郧宄壑械碾娍剐苑肿硬⒎乐我恍┯捎谝暰W(wǎng)膜老化而帶來的疾病。

3.2.2 納米藥物載體

實現(xiàn)細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。納米粒子介導的藥物輸送是納米醫(yī)學領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù),在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性。目前,用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應具備以下性質(zhì):毒性較低或沒有毒性;具有適宜的制備及提純方法;具有合適的粒徑與形狀;具有較高的載藥量;具有較高的包封率;對藥物具有良好的釋放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被機體排出;具有較長的體內(nèi)循環(huán)時間,并能在療效相 關(guān)部位持久存。3.3 納米生物技術(shù)

納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它即可以用于生物醫(yī)學,也可以服務于其它社會需求。所包含的內(nèi)容非常豐富,并以極快的速度增加和發(fā)展,難以概述。

3.3.1生物芯片技術(shù)

生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上,裝配一種或集成多種生物活性,僅用微量生理或生物采樣,即可以同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性,以及它們之間的相互作用,獲得生命微觀活動的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類,都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點,已成為21世紀生物醫(yī)學工程的前沿科技。

近2年,已經(jīng)通過微制作(MEMS)技術(shù),制成了微米量級的機械手,能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞,進行細胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學的教授領(lǐng)導的研究人員,發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學領(lǐng)域的應用,并研制出效果更好的軟光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片,通過調(diào)節(jié)細胞間距等,研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單,僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面特性,即可達到選擇和固定細胞及細胞面密度控制。

美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預言。正像所預想的那樣,納米技術(shù)可以在血流中進行巡航探測,即時發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細菌類型的外來入侵者,并予以殲滅,從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個雛形裝置,發(fā)揮芯片實驗室的功能,它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導入一個發(fā)射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。癌細胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光;而健康細胞只發(fā)射一種標準波長的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測單個活細胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級,當它插入活細胞時,可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。

3.4組織修復和再生醫(yī)學中的納米材料

將納米技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建具有納米拓撲結(jié)構(gòu)的細胞生長支架正在形成一個嶄新的研究方向。相對于微米尺度,納米尺度的拓撲結(jié)構(gòu)與機體內(nèi)細胞生長的自然環(huán)境更為相似。納米拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細胞水平上控制生物材料與細胞間的相互作用,引發(fā)特異性細胞反應,對于組織再生與修復具有潛在的應用前景和重要意義。將納米纖維水凝膠作為神經(jīng)組織的支架,在其中生長的鼠神經(jīng)前體細胞的生長速度明顯快于對照材料。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性,同時還可以改進基體材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn),隨著復合物中碳納米管含量的增加,神經(jīng)元細胞和成骨細胞在復合材料上的黏附與生長也越來越活躍,而星形細胞和成纖維細胞的活性則呈現(xiàn)同等程度的下降。研究人員設(shè)計的人造紅細胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,可應用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配,不易骨折,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應用優(yōu)勢。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質(zhì)具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時性的細胞培養(yǎng)人工支架,它能很好地支持功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細胞抵達傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I納米支架修復了倉鼠腦部的急性創(chuàng)傷,并且恢復了倉鼠的視覺功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡易止血劑,用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4、我國發(fā)展納米生物學和納米醫(yī)學的現(xiàn)狀和發(fā)展策略

目前,我國在納米生物和醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱,通過采取各種激勵措施和各種研究計劃的實施,特別是國家自然科學基金委的納米技術(shù)重大研究計劃對納米生物和納米醫(yī)學項目的支持,我國在納米生物和納米醫(yī)學方面的研究狀況有了很大的改善,生物、醫(yī)學界的許多院、所相繼建立了有關(guān)納米技術(shù)的研究室,如中國醫(yī)學科學院基礎(chǔ)醫(yī)學研究所、軍事醫(yī)學科學院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設(shè)立了納米研究室,初步形成了一只較強的研究隊伍。近年來,來自化學、物理、信息、藥物、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域的科學家通過幾次研討會進一步明確了納米生物和納米醫(yī)學領(lǐng)域的研究方向和內(nèi)容,并建立了較密切的合作。我國在納米生物和納米醫(yī)學的研究領(lǐng)域也涌現(xiàn)了一批極具特色的研究成果,如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機制、納米材料的應用和生物安全性及重大疾病預防和早期診斷與治療技術(shù)等方面。但是,這些研究的水準與國際先進水平還有相當?shù)牟罹?離國家、社會的需求也有相當遠的距離。

納米醫(yī)學工程的建立不僅是因為有其迫切的需要,而且也因為有了實現(xiàn)的可能。如今,納米科技在國際上已嶄露頭角,世界各發(fā)達國家紛紛開展納米科技的研究。在我國,科技界對納米科技的重要性有了共識,納米科技研究已取得引人注目的成果。學科發(fā)展和社會需要是推動社會發(fā)展的巨大動力,學科發(fā)展可以創(chuàng)造新的需求,社會需求可以促進學科向深度和廣度發(fā)展。納米生物醫(yī)學工程正在出現(xiàn),我們無力將它阻擋。雖然它的廣泛應用尚有待時日,并潛在危險,但若沒有它,我們現(xiàn)在面臨的許多生物醫(yī)學工程問題就不可能得到滿意的解決。

人類正在被歷史及自身推向一個嶄新的陌生世界,倘若人類能直接利用原子、分子進行生產(chǎn)活動,這將是一個質(zhì)的飛躍,將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式,并空前地提高生產(chǎn)能力,有可能從根本上解決人類面臨的諸多困難和危機。我們有必要把納米科技和生物醫(yī)學工程概念進行拓展,把納米科技的理論與方法引入生物醫(yī)學工程的相關(guān)研究領(lǐng)域,創(chuàng)立新的邊緣學科——納米生物醫(yī)學工程?？梢韵嘈?納米醫(yī)學工程將會成為納米科技的重要分支,并開創(chuàng)生物醫(yī)學工程新紀元?？茖W家認為,納米科技在生物醫(yī)學方面,甚至有可能超過信息技術(shù)和基因工程,成為決勝未來的關(guān)鍵性技術(shù)。[參 考 文 獻] [1]劉吉平,郝向陽.納米科學與技術(shù)[M].北京:科學出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世紀嶄新的學科——納米醫(yī)學[J]1世界新醫(yī)學信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會東.納米技術(shù)在生物學與醫(yī)學領(lǐng)域中的應用[J].湘潭師范學院學報(自然科學版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊,吳俊,袁直等.注射用生物可降解胰島素納米微球的制備[J]1應用化學,2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的體內(nèi)磁靶向定位研究[J].中國生物醫(yī)學工程學報,1996,15(4):216-221.[6]張共清,梁屹.納米技術(shù)在生物醫(yī)學的應用[J]1中國醫(yī)學科學院學報,2002,24(2):197-201.〔7〕中國社會科學院語言研究所詞典編輯室編.現(xiàn)代漢語詞典.北京:商務印書館2002年版:1711〔8〕奇云.21世紀的納米醫(yī)學.健康報,2001(4):12〔9〕紀小龍.納米醫(yī)學怎樣診治疾病.健康報,2001,7,19[9]奇 云.納米醫(yī)學——21世紀的科技新領(lǐng)域[N].中國醫(yī)藥報,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.納米材料——21世紀的新材料[J].科技導報,1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學研究進展[J].現(xiàn)代物理知識,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納米生物學的誘人前景[N].光明日報,1993年5月7日,第15864號第3版.[13]奇 云.納米化學研究進展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學研究進展[J].現(xiàn)代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學與技術(shù)[J].科學,2000,52(5):6-10..

第五篇：納米材料論文

納米科技及納米材料

【摘 要】納米技術(shù)是當今世界最有前途的決定性技術(shù)。納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚愛好。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學特性，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。文章簡要地概述了納米技術(shù)，納米材料的分類、特性以及納米材料在催化、涂料、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應用，并展望了納米材料廣闊的應用前景。

【關(guān)鍵詞】納米技術(shù)；納米材料；分類；特性；應用；前景

一、納米科技及納米材料的涵義

納米科技是20世紀80年代末誕生并正在崛起的新科技，是一門在0.1~ 100 nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性的高技術(shù)學科。其涵義是人類在納米尺寸（10-9--10-7m）范圍內(nèi)認識和改造自然，最終目標是通過直接操縱和安排原子、分子而創(chuàng)造特定功能的新物質(zhì)。納米科技是現(xiàn)代物理學與先進工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是一門基礎(chǔ)研究與應用研究緊密聯(lián)系的新興科學技術(shù)。其中納米材料是納米科技的重要組成部分。

納米（nm）是長度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對宏觀物質(zhì)來說，納米是一個很小的單位，廣義地說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。一般認為納米材料應該包括兩個基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學特性。

二、納米材料的分類

按其顆粒組成的尺寸和排列狀態(tài)，可分為納米晶體和納米非晶體。前者指所包含的納米微粒為晶體，后者由具有短程序的非晶態(tài)納米微粒組成，如納米非晶態(tài)薄膜．

按其結(jié)構(gòu)來分，納米材料的基本單元可以分為四類：零維的原子團簇和納米微粒；一維調(diào)制的納米單層或多層薄膜；二維調(diào)制的納米纖維結(jié)構(gòu)；三維調(diào)制的納米相材料。

三、納米材料的特性

納米材料的特性既不同于原子，又不同于結(jié)晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學性質(zhì)與本體材料有明顯差異。主要表現(xiàn)在：納米材料性能表現(xiàn)出強烈的尺寸依賴性。當粒子尺寸減小到納米級的某一尺寸時，則材料的物性會發(fā)生突變，與同組分的常規(guī)材料的性能完全不同，且同類材料的不同性能有不同的臨界尺寸，對同一性能，不同材料相應的臨界尺寸也有差異，所以當物質(zhì)的粒子尺寸達到納米數(shù)量級時，將會表現(xiàn)出優(yōu)于同組分的晶態(tài)或非晶態(tài)的性質(zhì)。如熔點下降、強烈的化學活性和催化活性及特殊的光學、電學、磁學和力學及燒結(jié)性能。這主要是由納米材料的下列效應引起：小尺寸效應（體積效應）；表面與界面效應；量子尺寸效應（久保效應）；宏觀量子隧道效應。

1、小尺寸效應指當超微粒的尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學等性能呈現(xiàn)新的尺寸效應。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷卻具有良好的韌性和延展性。這是由于納米超微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子排列相當混亂，原子在外力變形條件下容易遷移。因此使原先脆性的材料表現(xiàn)出良好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性能。

2、表面與界面效應指納米晶體粒表面原子數(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。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多，因此納米粉微粒通常具有相當高的表面能。

3、當粒子的尺寸降到一定值時，金屬費米能級附近的電子能級出現(xiàn)由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態(tài)的凝聚能時，納米微粒會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性，稱之為量子尺寸效應。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。納米材料的量子尺寸效應使納米材料具有：高度光學非線性；特異性催化和光催化性；強氧化性與強還原性。用這一特性可制得光催化劑、強氧化劑與強還原劑?？墒褂糜谥苽錈o機抗菌材料。

4、微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。

四、納米材料的應用

1、在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。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，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，主要是在有機物制備方面。光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑或鈕催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。

2、在涂料方面的應用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的非凡性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。

3、在醫(yī)藥方面的應用

21世紀控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米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入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；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，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥薄?/p>

納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)非凡是酶，從而控制生化反應。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。

五、納米材料的前景

21世紀將是納米技術(shù)的時代，納米科學是一門將基礎(chǔ)科學和應用科學集于一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。納米材料的應用涉及到各個領(lǐng)域，在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。納米科學技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。

21世紀初的主要任務是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學特性，設(shè)計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀經(jīng)濟新增長點的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學領(lǐng)域一個大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應用。

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