第一篇：納米材料導(dǎo)論論文

北京石油化工學(xué)院

納米材料論文

課程名稱： 有序介孔三氧化二鋁的催化活性 分析及應(yīng)用前景

實(shí)驗(yàn)學(xué)期 2013 至 2014 學(xué)年 第 二 學(xué)期 學(xué)生所在系部 化學(xué)工程學(xué)院 年級(jí) 12級(jí) 專業(yè)班級(jí) 化121 學(xué)生姓名 郭鍇華 學(xué)號(hào) 5120120005 任課教師 郝保紅

北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院

2014年4月25日 有序介孔三氧化二鋁的催化活性分析及應(yīng)用前景

郭鍇華

(北京石油化工學(xué)院 化學(xué)工程與工藝專業(yè) 北京 102617)

摘要

隨著現(xiàn)代科技水平的高速發(fā)展，科學(xué)家們正在不斷地努力研究一系列有助于材料合成方面的物質(zhì)，而氧化鋁，特別是納米級(jí)別的氧化鋁在對(duì)物質(zhì)的催化作用有著顯著的作用，在本文中就簡單地介紹了一些有關(guān)于納米級(jí)別的氧化鋁的制備方法以及它在實(shí)踐生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

關(guān)

鍵

詞： 納米；氧化鋁；制備；應(yīng)用前景;催化活性 中圖分類號(hào): TQ174

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

Ordered mesoporous three two aluminum oxide analysis and application prospect of catalytic activity

Guo Kaihua(Beijing institute of petrochemical technology)Abstract ：With the rapid development of modern science and technology level,cientists are constantly working on a series of help to materials synthesis material, alumina, especially nano level alumina has a significant role in the catalytic effect on the material, in this paper simply introduces something about nanoscale alumina preparation method and the application in practical production.Keywords: Nanometer;Alumina;Preparation;Application prospect；Catalytic activity

1、引言

納米（符號(hào)為nm）是長度單位，原稱毫微米，就是10米（10億分之一米），即10毫米（100萬分之一毫米）。如同厘米、分米和米一樣，是長度的度量單位。相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長度還要小。納米材料一般是指在一維尺度小于100nm，并且具有常規(guī)材料和常規(guī)微細(xì)粉末材料所不具有的多種反常特性的一類材料。當(dāng)然，納米材料Al2O3擁有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等一切納米材料的特殊性質(zhì)，所以具備特殊的光電特性、高磁阻現(xiàn)象、非線性電阻現(xiàn)象、在高溫下仍具有的高強(qiáng)度、高韌、穩(wěn)定性好等特性，使Al2O3備受關(guān)注研究并且在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來從用途大體可以把氧化鋁分為兩類：第一類是用作電解鋁生產(chǎn)的冶金氧化鋁，隨著氧化鋁材料的廣泛應(yīng)用該類氧化鋁占產(chǎn)量的大多數(shù)；第二類為非冶金氧化鋁，主要包括非冶金用的氫氧化鋁和氧化鋁，也是通常所說的特種氧化鋁，因其作用不同而與冶金氧化鋁有較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在純度、化學(xué)成分、形貌、形態(tài)等方面。介孔和超大孔硅鋁分子篩比表面已超過1000m2/g、孔徑在2～50nm，孔道有序，此類介孔分子篩的制備、生成機(jī)理、表面表征方法及催化應(yīng)用研究已很成功，并推動(dòng)了其他介孔材料的開發(fā)探索。納米氧化鋁可用來制作人造寶石、分析試劑以及納米級(jí)催化劑和載體，用于發(fā)光材料可較大的提高其發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)陶瓷、橡膠增韌，要比普通氧化鋁高出數(shù)倍，特別是提高陶瓷的致密性、光潔度、冷熱疲勞等。納米氧化鋁已用于YGA激光器的主要部件和集成電路基板，并用在涂料中來提高耐磨性。由于三氧化二鋁摻雜在光纖中具有優(yōu)于二氧化鍺的一些特點(diǎn),被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,如光纖激光器,光纖放大器和保偏光纖。隨著人們對(duì)自身健康的關(guān)注和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，綠色化學(xué)理念正在材料制備與應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。

-6、納米Al2O3的一般物理化學(xué)特性

納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。納米材料是指由極細(xì)晶粒組成，特征維度尺寸在納米量級(jí)（1-100nm）的固態(tài)材料。由于極細(xì)的晶粒，大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，納米材料與同組成的微米晶體（體相）材料相比，在催化、光學(xué)、磁性、力學(xué)等方面具有許多奇異的性能，因而成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

Al2O3在地殼中含量非常豐富的一種氧化物。Al2O3有許多同質(zhì)異晶體，根據(jù)研究報(bào)道的變種有10多種，主要有3種：α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3其中α-Al2O3是最穩(wěn)定的一種無色晶體粉末，具有比表面大、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性極好、硬度高、吸水率極好、電絕緣性能好和耐酸堿腐蝕等許多優(yōu)點(diǎn)，所以此類粉體廣泛應(yīng)用于各種氧化鋁陶瓷的制備；

γ-Al2O3是在400℃到800℃內(nèi)由水合氧化鋁脫水形成，不溶于水，能溶于酸或堿，強(qiáng)熱至1273K，經(jīng)一定保溫時(shí)間能轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3；熱處理工藝參數(shù)對(duì)三氧化鋁粒子顆粒特性的影響由強(qiáng)到弱：煅燒溫度、水合氧化鋁在300℃分解溫度點(diǎn)的保溫時(shí)間、在煅燒溫度點(diǎn)的保溫時(shí)間；通過控制其熱處理工藝參數(shù)，可獲得尺寸范圍大小均勻、分散性好的球形γ-Al2O3；γ-Al2O3具有強(qiáng)的吸附能力和催化活性，所以其一般又叫活性氧化鋁，它屬于立方面心緊密堆積構(gòu)型，四角晶系，與尖晶石結(jié)構(gòu)十分相似。在許多化學(xué)反應(yīng)中被用做吸附劑、催化劑和催化劑載體，如石油的氫化裂化、氫化脫硫及脫氫催化劑的載體等，因此γ-Al2O3在催化領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。

納米Al2O3的制備方法

納米粉體由于晶粒尺寸小、表面積大，在磁性、催化性、光吸收、熔點(diǎn)等方面與常規(guī)材料比顯示出奇特的性能；要使納米粉體具有良好的性能，制備方法的選擇和制備工藝的控制是關(guān)鍵。高純度納米氧化鋁粉體的制備方法有很多一般大致將它分為固相法、氣相法、液相法等。各種方法有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足因此一般根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品要求來選擇相應(yīng)的制備方法。

3.1化學(xué)溶解法

化學(xué)溶解法主要包括碳酸鋁銨熱解法、噴霧熱解法、銨明礬熱解法三種；銨明礬熱解法是通過用硫酸鋁銨與硫酸銨反應(yīng)制得明礬，再根據(jù)產(chǎn)品純度要求再多次重結(jié)晶精制，最后將精制的銨明礬加熱分解成Al2O3，其反應(yīng)過程為：

2Al(OH)3+3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O

Al2(SO4)3 +(NH4)2SO4 + 24H2O → 2NH4Al(SO4)2·12H2O

2NH4Al(SO4)2·12H2O → Al2O3 + 2NH3 + 4SO3 + 13H2O

煅燒過程收集的爐氣可制成硫酸銨循環(huán)使用。該方法工藝簡單，但由于生產(chǎn)周期長，難于應(yīng)用于實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)。對(duì)銨明礬熱解法改進(jìn)后形成了碳酸鋁銨熱解法，通過前驅(qū)體NH4AlO(OH)HCO3的合成和熱解得到高純度超細(xì)氧化鋁。有人應(yīng)用分析純硫酸鋁銨和碳酸氫銨為原料，采用濕化學(xué)法制備單分散超細(xì)NH4Al2(OH)2CO3先驅(qū)沉淀物，在1100℃下灼燒得到平均粒徑為20nm的α-Al2O3納米粉體。該方法不產(chǎn)生腐蝕性氣體，無熱分解時(shí)的溶解現(xiàn)象，有利產(chǎn)品粒徑的控制并且能簡化操作，適合于工藝化生產(chǎn)。

噴霧熱解法是將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中，從而使其中的水分蒸發(fā)，金屬鹽發(fā)生分解，析出固相，直接制備出納米氧化鋁陶瓷粉好方法。3.2固相法

固相法主要是將鋁或鋁鹽研磨煅燒，發(fā)生固相反應(yīng)后直接得到納米氧化鋁的方法。該法可分為：機(jī)械粉碎法、固相反應(yīng)法；機(jī)械粉碎法是用各種超細(xì)粉碎機(jī)將原料直接粉碎成超細(xì)粉。常見的超細(xì)粉碎機(jī)有：球磨機(jī)、行星磨、塔式粉碎機(jī)和氣流磨粉碎機(jī)等；應(yīng)用較多的是球磨機(jī)，但該法很難使粒徑達(dá)到100nm以下。固相法制備超細(xì)粉比較簡單，但是生成的粉體容易產(chǎn)生團(tuán)聚并且粉末粒度不易控制。固相反應(yīng)法又可大致化學(xué)溶解法、非晶晶化法、燃燒法；

3.3氣相法

氣相法是指直接應(yīng)用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣態(tài)下發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，在冷卻過程中形成超細(xì)粉的方法，該方法一般包括：固相加熱揮發(fā)法、惰性氣體凝聚加壓法、AlCl3升華氧化法、激光蒸發(fā)CVD法等。該類方法由于其設(shè)備操作復(fù)雜、成本高，而且不能高產(chǎn)，所以不適合做大規(guī)模生產(chǎn)。

3.4溶膠—凝膠法

該類方法主要包括有機(jī)鋁醇鹽水解、無機(jī)鋁鹽水解；有機(jī)鋁醇鹽水解是將醇鹽溶解于有機(jī)溶劑中，再通過加入蒸餾水形成溶膠，之后隨著水的加入溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。凝膠經(jīng)過低溫干燥得到疏松的干凝膠。干凝膠經(jīng)高溫鍛燒處理即可得到氧化鋁納米粉體，一般過程為：Al(OR)3 → Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 →δ-Al2O3→ θ-Al2O3 → α-Al2O

3式中RO-可采用異丙醇、2-丁醇、乙醇等。此類方法的優(yōu)點(diǎn)有：能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得分子水平的均勻性，容易均勻定量地?fù)饺胍恍┪⒘吭?，?shí)現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜、與固相反應(yīng)相比所需溫度較低、選擇合適的條件可以制備各種新型材料；不足在于目前所用的原料價(jià)格比較貴，并且有些原料對(duì)身體有害、通常生產(chǎn)周期長、凝膠干燥過程可能有氣體或者有機(jī)物逸使得產(chǎn)生收縮。

3.5液相法

液相法合成納米氧化鋁粉體具有不需要苛刻的物理?xiàng)l件，能很好的實(shí)現(xiàn)分子原子水平上的混合、產(chǎn)物組分含量精確控制等特點(diǎn)，可用于制備粒度分布窄、形貌規(guī)整的粉體。其基本方法是選擇一種或多種可溶性金屬鹽，按成份計(jì)量配成溶液，使各元素呈離子或分子態(tài)，再用一種沉淀劑，將所需物質(zhì)均勻沉淀、結(jié)晶出來，經(jīng)脫水或者加熱等過程而制得納米粉。

4、有序介孔Al2O3的催化作用

到目前為止，僅有少數(shù)幾個(gè)反應(yīng)涉及到改性的介孔氧化鋁作為活性組分載體的應(yīng)用，這可能主要因?yàn)榻榭籽趸X的合成條件比較苛刻，合成的介孔材料還有缺陷，無法廣泛應(yīng)用。加氫脫硫反應(yīng)是傳統(tǒng)氧化鋁作為Co-Mo和Ni-Mo催化劑載體應(yīng)用的重要反應(yīng)之一。文獻(xiàn)[16]將介孔氧化鋁應(yīng)用于加氫脫硫反應(yīng)，并與低廉的催化劑相比較。采用長鏈的羧酸作模板劑經(jīng)陽離子合成路線制備介孔氧化鋁分子篩;用傳統(tǒng)的浸漬法改性,將氧化鉬進(jìn)行熱分散。與低廉的Mo催化劑不同，介孔氧化鋁具有非常大的比表面，在介孔氧化鋁上能負(fù)載大約30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MoO3，與僅含有15%MoO3的傳統(tǒng)催化劑相比具有很高的轉(zhuǎn)化率。文獻(xiàn)[17]采用烷氧基金屬作鋁源、鈦源，TritonX-100作模板，室溫下合成具有MSU-2結(jié)構(gòu)的含Ti介孔氧化鋁分子篩，比表面376m2/g，孔徑3nm，引入Ti后，孔容和表面積均有增加，比表面376m2/g，孔徑3nm，Ti在介孔氧化鋁分子篩的分散性較好。

5、應(yīng)用與進(jìn)展

5.1陶瓷材料

氧化鋁陶瓷是一種抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，但韌性低、脆性大，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。采用納米粉末燒結(jié)可以大大提高Al2O3的燒結(jié)活性；同時(shí)在陶瓷基體中引入延性金屬第二相，既可以改善陶瓷脆性和提高韌性，又可使陶瓷具有一定的導(dǎo)熱性。同單相Al2O3相比，添加Al的摩爾數(shù)分?jǐn)?shù)為10％的Al2O3/Al復(fù)合陶瓷的斷裂韌性提高了86％，復(fù)合陶瓷韌性的提高歸因于金屬Al的引入，陶瓷斷裂時(shí)金屬鋁的拔出導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)，以及殘余應(yīng)力增加和結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的細(xì)小裂紋，裂紋橋聯(lián)和微裂紋增韌機(jī)制協(xié)同作用致使復(fù)合材料的韌性顯著提高。

5.2表面防護(hù)層材料

將納米氧化鋁粒子噴涂在金屬、陶瓷、塑料、玻璃、漆料及硬質(zhì)合金的表面上，可明顯提高表面強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，且具有防污、防塵、防水等功能，因此可用于機(jī)械、刀具、化工管道等表面防護(hù)。據(jù)說在AlSi3O4不銹鋼表面涂氧化鋁防護(hù)層，使得表面硬度由3.8GPa提高到10.8GPa，并且在受到同樣的負(fù)載下，表面壓痕深度減少了30℅左右。

5.3催化材料

γ 型氧化鋁具有明顯的吸附劑特征，并能活化許多鍵，如H-H鍵，C-H鍵等，因此在烴類裂化、醇類脫水制醚等反應(yīng)中可直接作為活性催化劑加入反應(yīng)體系中，如乙醇脫水產(chǎn)生乙烯。由于γ型氧化鋁表面同時(shí)存在酸性中心和堿性中心，因此γ型氧化鋁本身就是一種極好的催化劑。γ型氧化鋁尺寸小，表面所占的體積分?jǐn)?shù)大，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面活性位置增加，而且隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凹凸不平的原子臺(tái)階，增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面，因而納米氧化鋁是理想的催化劑或催化劑載體。近年來研究發(fā)現(xiàn)有序介孔氧化鋁材料具有較大的比表面積，較大且均已的孔道結(jié)構(gòu)，可以處理較大的分子或基團(tuán)，是良好的催化劑，催化活性較γ型氧化鋁好。

5.4光學(xué)材料

納米氧化鋁可以吸收紫外光，并且在某些波長光的激發(fā)下可以產(chǎn)生出與粒子尺寸相關(guān)的波長的光波。由α-Al2O3可燒結(jié)成透明陶瓷，作為高壓鈉燈管的材料；可用作緊湊型熒光燈中熒光粉層的保護(hù)涂膜；還可和稀土熒光粉復(fù)合制成熒光燈管的發(fā)光材料，提高燈管壽命。此外，納米Al2O3多孔膜有紅外吸收性能，可制成隱身材料用于軍事領(lǐng)域；利用其對(duì)80nm紫外光的吸收效果可作紫外屏蔽材料和化妝品添加劑。

6、結(jié)論

納米Al2O3粉體與常規(guī)的相比，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，是一種重要的陶瓷材料及催化劑載體，具有耐磨，耐腐蝕，耐高溫等優(yōu)異性能，納米Al2O3粉體因其具有高強(qiáng)度、高硬度、絕緣性好等優(yōu)異特性，是一種重要的功能材料。目前有序介孔氧化鋁還在研究階段,，不管從材料角度還是從催化應(yīng)用前景來看，有序介孔氧化鋁都是一種值得研究的介孔材料，但在研究中 還存在著各種問題。由于氧化鋁的性質(zhì)與硅鋁分子篩有較大區(qū)別，合成介孔結(jié)構(gòu)相對(duì)困難，合成工藝比較苛刻，合成的介孔尚未形成長程有序，并且孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對(duì)介孔氧化鋁的合成機(jī)理尚無合理解釋。關(guān)于介孔氧化鋁分子篩研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：

①必須借鑒和改進(jìn)合成介孔硅鋁分子篩的方法，不斷開發(fā)新的工藝合成路線，尋找簡便、廉價(jià)、易于工業(yè)化的介孔氧化鋁合成方法；探索新型的模板劑，合成具有規(guī)整孔道的介孔氧化鋁。②比表面積大于300 m2 / g、孔徑大于3nm且孔徑分布窄的介孔氧化鋁，盡管有序性較差，但催化應(yīng)用價(jià)值高，應(yīng)努力合成此類介孔材料，優(yōu)化合成有序介孔氧化鋁的工藝。③研究有序介孔氧化鋁的生成機(jī)理。

④有序介孔氧化鋁的催化性能僅在有限的反應(yīng)中檢驗(yàn)過，必須加速其在各種反應(yīng)中的應(yīng)用研究。相信隨著這一領(lǐng)域的進(jìn)一步研究，研究者會(huì)很快掌握這種有序介孔氧化鋁的合成方法，真正發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其成為一種新型實(shí)用的優(yōu)良催化材料。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：納米材料導(dǎo)論綜合作業(yè)（精選）

納米材料導(dǎo)論綜合作業(yè)

教 學(xué) 院 化工與材料工程學(xué)院 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班 級(jí) 化工0000班 學(xué)生姓名 一二三 學(xué)生學(xué)號(hào) 12345678 指導(dǎo)教師 四五六

2013年6月1日

目錄

第一部分 所學(xué)內(nèi)容概述...................................................2

第一章 緒論..........................................................2

1.1納米的定義....................................................2 1.2納米材料的定義................................................2 1.3納米科技......................................................3 第二章 納米材料的基本概念............................................6

2.1分類..........................................................6 2.2 納米材料發(fā)展史...............................................6 第三章 納米材料的結(jié)構(gòu)特性與表征......................................7

3.1結(jié)構(gòu)特性......................................................7 3.2納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征..........................................8 第四章 納米材料的制備技術(shù)...........................................10

4.1物理合成法...................................................10 4.2化學(xué)合成法...................................................10 第五章 納米固體材料的結(jié)構(gòu)和性能（略）..............................11

5.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn).....................................................11 5.2性能與應(yīng)用...................................................12 第六章 納米材料的應(yīng)用及前景........................................12

6.1應(yīng)用領(lǐng)域.....................................................12 6.2發(fā)展前景.....................................................13

第二部分 總結(jié)與學(xué)習(xí)心得................................................14 第三部分 參考文獻(xiàn)......................................................15 第一部分 所學(xué)內(nèi)容概述

第一章 緒論 1.1納米的定義

納米是一個(gè)長度單位，一納米是一米的十億分之一，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的萬分之一。若是做成一個(gè)納米的小球，將其放在一個(gè)乒乓球表明的話，從比例上看，就像是把一個(gè)乒乓球放在地球表面。因此，納米科技是在和微觀世界“打交道”。相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長度還要小。1,000,000,000納米(nm)= 1米(m)1,000,000納米(nm)= 1毫米(mm)1,000納米(nm)= 1微米（μm）1納米(nm)= 10埃米（ANG）1.2納米材料的定義

納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100一102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分:一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子;二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。

在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級(jí)，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。納米相材料和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些原子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到l00nm，包含的原子不到幾萬個(gè)。一個(gè)直徑為3nm的原子團(tuán)包含大約900個(gè)原子，幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長的帆船跟整個(gè)地球的比例。1.3納米科技

1.3.1納米科技的研究范圍 納米技術(shù)(nanotechnology），也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1納米至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)，是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。

納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計(jì)量學(xué)等。

1.3.2納米科技的分類（1）第一種，是1986年美國科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進(jìn)展。

（2）第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù)，也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即使發(fā)展下去，從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度，這是因?yàn)?，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構(gòu)成電路的絕緣膜變得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。（3）第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來，生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。DNA分子計(jì)算機(jī)、細(xì)胞生物計(jì)算機(jī)的開發(fā)，成為納米生物技術(shù)的重要內(nèi)容。

1.3.3 納米材料的發(fā)展史 70年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，1974年，科學(xué)家谷口紀(jì)男（Norio Taniguchi）最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工；1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用；1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生；1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等；1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文、1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“ 中國”二字，標(biāo)志著中國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地；1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在2017年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)；1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄；到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年基于納米產(chǎn)品的營業(yè)額達(dá)到500億美元；2001年，一些國家紛紛制定相關(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5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。中國也將納米科技列為中國的“973計(jì)劃”，其間涌出了像“安然納米”等一系列以納米科技為代表的高科技企業(yè)。1.3.4 納米科技的研究領(lǐng)域（1）納米材料

當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在0.1—100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。（2）納米動(dòng)力學(xué)

主要是微機(jī)械和微電機(jī)，或總稱為微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)（MEMS),用于有傳動(dòng)機(jī)械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等.用的是一種類似于集成電器設(shè)計(jì)和制造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動(dòng)機(jī)，用于超快速離心機(jī)或陀螺儀等。在研究方面還要相應(yīng)地檢測準(zhǔn)原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進(jìn)入納米尺度，但有很大的潛在科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。理論上講：可以使微電機(jī)和檢測技術(shù)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。(3)納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)

如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗(yàn)，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù)，還可用自組裝方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或組件使構(gòu)成新的材料。新的藥物，即使是微米粒子的細(xì)粉，也大約有半數(shù)不溶于水；但如粒子為納米尺度（即超微粒子），則可溶于水。納米生物學(xué)發(fā)展到一定技術(shù)時(shí)，可以用納米材料制成具有識(shí)別能力的納米生物細(xì)胞，并可以吸收癌細(xì)胞的生物醫(yī)藥，注入人體內(nèi)，可以用于定向殺癌細(xì)胞。(4)納米電子學(xué)

包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當(dāng)前電子技術(shù)的趨勢(shì)要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷，更小，是指響應(yīng)速度要快。更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響將是巨大的。第二章 納米材料的基本概念 2.1分類

（1）按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為：

零維：納米顆粒(nanoparticle)、原子團(tuán)簇（atom cluster）一維：納米線(nanowire)、納米棒(nanorod)、納米管(nanotube)； 二維：超薄膜(thin film)、納米片、超晶格(superlattice)(2)按化學(xué)組成：納米金屬、納米陶瓷、納米高分子、納米復(fù)合材料等。(3)按物性：納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米光學(xué)材、納米鐵電材料等等。2.2 納米材料發(fā)展史

1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開始了對(duì)直徑為1~100nm的粒子體系的研究工作。

1959年12月29日理查德?費(fèi)曼（Richard Feynman）在美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上做了題為“在底部有很多空間”的演講。雖然沒有使用“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。

到了20世紀(jì)60年代人們開始對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒，并對(duì)其進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國薩爾蘭大學(xué)（Saarland University)的Gleiter以及美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。

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）。1990年7月在美國召開了第一屆國際納米科技技術(shù)會(huì)議（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。

第三章 納米材料的結(jié)構(gòu)特性與表征 3.1結(jié)構(gòu)特性

一般在宏觀領(lǐng)域中，某種物質(zhì)固體的理化特性與該固體的尺度大小無關(guān)。當(dāng)物質(zhì)顆粒小于100 nm時(shí)，物質(zhì)本身的許多固有特性均發(fā)生質(zhì)的變化。這種現(xiàn)象稱為“納米效應(yīng)”。納米材料具有三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。

3.1.1表面效應(yīng) 納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑變小，表面原子所占百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著增加。當(dāng)粒徑降到1 nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。

3.1.2小尺寸效應(yīng) 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(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)：

1)特殊的光學(xué)性質(zhì)：納米金屬的光吸收性顯著增強(qiáng)。粒度越小，光反射率越低。所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。金屬超微顆粒對(duì)光的反射率通?？傻陀趌％，約幾微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金屬材料在接近納米尺度時(shí)，出現(xiàn)反光現(xiàn)象。納米TiO2、納米SiO2、納米Al2O3等對(duì)大氣中紫外光很強(qiáng)的吸收性。2)熱學(xué)性質(zhì)的改變：固態(tài)物質(zhì)超細(xì)微化后其熔點(diǎn)顯著降低。當(dāng)顆粒小于10 nm量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到2 nm尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。

3)特殊的磁學(xué)性質(zhì)：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80A／m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20 nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，當(dāng)顆粒尺寸約小于6 nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

4)特殊的力學(xué)性質(zhì)：納米材料的強(qiáng)度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強(qiáng)度比常態(tài)提高5倍；納米金屬比常態(tài)金屬硬3～5倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性，因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。

3.1.3宏觀量子隧道效應(yīng) 對(duì)超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)，確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。3.2納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征 掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。(1)優(yōu)越性

①具有原子級(jí)高分辨率，STM 在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá)0.1埃，即可以分辨出單個(gè)原子。

②可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究。

③可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。

④可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對(duì)樣品無損傷．這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、超一身地創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。

⑤ 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。⑥利用STM針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。(2)局限性

盡管STM有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面

①STM的恒電流工作模式下，有時(shí)它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會(huì)有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時(shí)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。②STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體；對(duì)于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖像對(duì)真實(shí)表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)STM這方面的不足[10]。

此外，在目前常用的（包括商品）STM儀器中，一般都沒有配備FIM，因而針尖形狀的不確定性往往會(huì)對(duì)儀器的分辨率和圖像的認(rèn)證與解釋帶來許多不確定因素。

第四章 納米材料的制備技術(shù) 4.1物理合成法

1)噴霧法 噴霧法是將溶液通過各種物理手段霧化,再經(jīng)物理、化學(xué)途徑而轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)微粒子。

2)噴霧干燥法 將金屬鹽溶液送入霧化器,由噴嘴高速噴入干燥室獲得金屬鹽的微粒,收集后焙燒成超微粒子,如鐵氧體的超微粒子可采用此種方法制備。3)噴霧熱解法 金屬鹽溶液經(jīng)壓縮空氣由賁嘴噴出而霧化,噴霧后生成的液滴大小隨著噴嘴而改變,液滴受熱分解生成超微粒子。例如,將Mg(NO3)2-Al(NO3)3的水溶液與甲醇混合噴霧熱解(T=800°C)合成鎂鋁尖晶石,產(chǎn)物粒徑為幾十納米。等離子噴霧熱解工藝是將相應(yīng)溶液噴成霧狀送入等離子體尾焰中,熱解生成超細(xì)粉末。等離子體噴霧熱解法制得的二氧化鋯超細(xì)粉末分為兩級(jí):平均尺寸為20~50 nm的顆粒及平均尺寸為1 mm的球狀顆粒。4.2化學(xué)合成法

1)等離子體制備納米粉末技術(shù) 等離子體作為物質(zhì)存在的一種基本形態(tài),由于在地球上很難自然存在,通常條件下,人們使電流通過氣體,這樣就可以使氣體這個(gè)良好的絕緣體攜帶充分的電荷,從而形成“電擊穿”,產(chǎn)生等離子體。帶電的氣體可以是氧化性氣體、還原性氣體和中性氣體等。熱等離子體作為高溫氣體具有高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率,高粘度和高溫度梯度,材料處于等離子體中,將迅速分解成自由原子、離子和電子,這種處于高激發(fā)態(tài)的物質(zhì)通過“淬冷”導(dǎo)致具有獨(dú)特性質(zhì)的超細(xì)粉體和晶體的核化與生長。天然氣加空氣的燃燒產(chǎn)物與空氣電弧加熱器在不同的工作溫度條件下加熱效率的比較,電弧加熱器的加熱效率可幾倍于用天然氣的加熱效率,這樣就可以彌補(bǔ)電能與一次能源的差價(jià)。

2)化學(xué)氣相沉淀法 一種或數(shù)種反應(yīng)氣體通過熱、激光、等離子體等而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)析出超微粉的方法,叫做化學(xué)氣相沉積法。由于氣相中的粒子成核及生長的空間增大,制得的產(chǎn)物粒子細(xì),形貌均一,交具有良好的單分散度,而制備常常在封閉容器中進(jìn)行,保證了粒子具有更高的純度。CVD技術(shù)更多的應(yīng)用于陶瓷超微粉的制備,如AlN,SiN,SiC,其中源材料為氣體或易于氣化,沸點(diǎn)低的金屬化合物。

3)共沉淀法 在含有多種陽離子的溶液中加入沉淀劑,使金屬離子完全沉淀的方法稱為共沉淀法。共沉淀法可制備BaTiO3、PbTiO3等PZT系電子陶瓷及ZrO2等粉體。以CrO2為晶種的草酸沉淀法,制備了La、Ca、Co、Cr摻雜氧化物及摻雜BaT-iO3等。以Ni(NO3)2·6H2O溶液為原料、乙二胺為絡(luò)合劑,NaOH為沉淀劑,制得Ni(OH)2超微粉,經(jīng)熱處理后得到NiO超微粉。

4)均勻沉淀法 在溶液中加入某種能緩慢生成沉淀劑的物質(zhì),使溶液中的沉淀均勻出現(xiàn),稱為均勻沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性。

5)溶劑熱合成法 用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì),采用類似水熱合成的原理制備納米微粉。非水溶劑代替水,不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍,而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng),包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。

6)溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠,再制成凝膠,經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子。第五章 納米固體材料的結(jié)構(gòu)和性能（略）5.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：小晶粒＋大界面 界面特點(diǎn)：（1）量大（對(duì)于5—10nm的固體結(jié)構(gòu)，組成晶界的原子高達(dá)15—50％）；（2）原子排列具有變化性、多樣性；（3）低能組態(tài)：晶界原子在壓制時(shí)具有足夠的移動(dòng)性調(diào)整自己處于低能狀態(tài)。5.2性能與應(yīng)用

（1）力學(xué)性能與應(yīng)用：強(qiáng)度和硬度（Hall-Petch公式）；超塑性；（2）光學(xué)性能與應(yīng)用：紅外吸收；

第六章 納米材料的應(yīng)用及前景 6.1應(yīng)用領(lǐng)域

6.1.1軍事國防領(lǐng)域：納米衛(wèi)星以及相關(guān)的納米傳感器可以靈敏地“感覺”水流、水溫、水壓等極細(xì)微的環(huán)境變化, 并及時(shí)反饋給中央控制系統(tǒng), 最低限度地降低噪聲、節(jié)約能源，其高科技成分的體現(xiàn)還在于它能根據(jù)水波的變化提前“察覺”來襲的敵方魚雷, 使?jié)撏Ъ皶r(shí)做規(guī)避機(jī)動(dòng);能用較低的輻射功率完成“智能武器”的敵我識(shí)別, 以免誤傷自己。這其中有些優(yōu)勢(shì)恐怕是當(dāng)今世界其他的偵查設(shè)備所望塵莫及的。

6.1.2環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域：在燃煤中加入納米級(jí)助燃催化劑, 可幫助煤充分燃燒, 提高能源利用率, 防止有害氣體產(chǎn)生。研究表明, 納米鈦酸鈷還可在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)發(fā)揮催化作用, 使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生及排放一氧化硫和氮氧化物, 使汽車尾氣無需處理。此技術(shù)對(duì)我國船舶發(fā)動(dòng)機(jī)有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)，納米的凈水裝置也將為我們的生活提供非常大的便利，新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力, 是普通凈水劑的10～ 20 倍。通過納米孔徑的過濾裝置, 還能除去水中的細(xì)菌,使水分子、礦物質(zhì)以及微量元素被保留下來, 處理后即可以飲用。

6.1.3醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域：遺傳學(xué)領(lǐng)域中，通過納米技術(shù)先將DNA 染色體全部分解為單個(gè)基因,然后根據(jù)需要進(jìn)行組裝, 轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達(dá)100%。而在醫(yī)療過程中，納米級(jí)別的診斷和治療器件能夠最大程度減少醫(yī)療器械堆對(duì)人體組織的損害，再比如納米傳感器能夠哦探測早期癌細(xì)胞并傳遞藥物，種種事實(shí)表明，納米技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)遺傳領(lǐng)域?qū)⒂兄诨庠S多目前的問題，從而為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。

6.1.4納米技術(shù)的運(yùn)用——納米材料。不僅是納米技術(shù)有用處，更重要的是納米技術(shù)能夠被轉(zhuǎn)化成實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們每個(gè)人的身邊，納米材料就是很好的例子。許多科技新領(lǐng)域的突破迫切需要納米材料和納米科技支撐，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)提升也急需納米材料和技術(shù)的支持，可以肯定納米材料和技術(shù)對(duì)許多領(lǐng)域都將產(chǎn)生極大的沖擊和影響。如納米粒子可以被用于創(chuàng)造新的光學(xué)薄膜和創(chuàng)造具有光、磁特性的新功能材料。磁性納米粒子和量子點(diǎn)將可用于生產(chǎn)10倍于目前芯片存儲(chǔ)容量、數(shù)百千兆赫速度的超小光盤驅(qū)動(dòng)器。在納米材料與加工方面，科學(xué)家將通過控制納米晶體、納米薄膜、納米粒子和碳納米管等創(chuàng)造新的功能結(jié)構(gòu)材料，開發(fā)超輕、超強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，開發(fā)長壽命材料、支撐能量轉(zhuǎn)換的材料和具有新功能的電子材料。另外一個(gè)納米材料的發(fā)展方向便是成為化學(xué)和能源轉(zhuǎn)化工藝方面具有高度選擇性和有效性的催化劑。這不僅對(duì)能源和化學(xué)生產(chǎn)非常重要，而且從能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)角度上看極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

6.1.5其他方面：包括納米電子學(xué)、納米光電子學(xué)、納米磁學(xué)，納米科技都具有很大的應(yīng)用價(jià)值。6.2發(fā)展前景

納米微粒防菌保潔涂層材料、納米微粒陶瓷、納米磁性材料、納米光學(xué)材料、納米電子材料、納米敏感材料、納米生物醫(yī)學(xué)材料、納米儲(chǔ)能材料、納米隱身材料等等。近年來具有奇異優(yōu)越性能的納米材料紛紛出現(xiàn)，為納米技術(shù)進(jìn)入各行各業(yè)、千家萬戶開辟了廣闊前景。目前，全世界以納米材料為主體的納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)正方興未艾，蓬勃興起。歐盟委員會(huì)在1995年進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，預(yù)計(jì)l0年內(nèi)納米技術(shù)的開發(fā)將成為僅次于芯片制造的世界第二大制造業(yè)。

人們普遍認(rèn)為，納米技術(shù)將是21世紀(jì)新產(chǎn)品誕生的源泉，納米技術(shù)會(huì)引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，必將推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。人類的勞動(dòng)力方式將徹底發(fā)生巨大變革。人類生活環(huán)境將得到空前的改善。由于作為生命基礎(chǔ)的細(xì)胞中的核酸、蛋白質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的作用基本上是發(fā)生在納米尺度上，所以納米技術(shù)實(shí)際上也正在或?qū)⒁沂旧越M織過程的秘密，從而開辟了人工干預(yù)控制生命自組織過程和使人工自然物質(zhì)結(jié)構(gòu)具備生命自組織的道路。

美國國家癌癥研究所的負(fù)責(zé)人理查德·克勞斯內(nèi)指出，納米科學(xué)的發(fā)展使未來醫(yī)療技術(shù)取得革命性的突破，例如可以通過移植微型的傳感器來監(jiān)控發(fā)出癌變信號(hào)的分子，醫(yī)生可以應(yīng)用尺寸比人體紅細(xì)胞還小的納米機(jī)器人直接打通腦血栓，清潔心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，也可以通過把多種功能的納米微型機(jī)器人注入血管內(nèi)，許多疑難病癥將得到解決。例如還可以制造“生物導(dǎo)彈”在包敷蛋白的磁性三氧化二鐵納米微粒表面攜帶藥物注射進(jìn)入人體血管，通過磁場導(dǎo)航輸運(yùn)到病變部位釋放藥物，可減少肝、脾、腎等由于藥物產(chǎn)生的副作用。由于納米技術(shù)能使常規(guī)材料呈現(xiàn)出非常規(guī)物理特性，顯示出巨大的市場應(yīng)用和開發(fā)價(jià)值，一些發(fā)達(dá)國家都投人大量的資金進(jìn)行研究工作。

通過納米技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能并不見得非常昂貴，往往價(jià)格略有上升，但性能卻要好得多，這意味著這樣的產(chǎn)品更具有市場競爭力。錢學(xué)森曾預(yù)言“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下階段科技發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命。從而將引起2l世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。”

第二部分 總結(jié)與學(xué)習(xí)心得

通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，我獲得了很多，不僅是在學(xué)識(shí)方面，而且在學(xué)習(xí)方法及人際交流方面也有感觸。

首先，通過老師系統(tǒng)地詳細(xì)地介紹，我們學(xué)習(xí)了有關(guān)納米材料的相關(guān)知識(shí)。了解了納米、納米材料以及納米科技的定義和分類；學(xué)習(xí)了納米材料的結(jié)構(gòu)特征和其表征方法，尤其詳細(xì)介紹了STM的原理、應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)；還了解了納米材料的豐富多樣的制備方法。通過對(duì)納米材料的了解，認(rèn)識(shí)到它的重要性，我不禁憧憬起它進(jìn)一步發(fā)展后的世界的新面貌。曾經(jīng)的世界已經(jīng)被日益發(fā)展的科學(xué)技術(shù)所改變，生活變的更加便利，生產(chǎn)變的更加高效。隨著我們初步踏入納米時(shí)代，身邊的一切繼續(xù)發(fā)生著翻天覆地的變化：很多電子器械越來越小，越來越精細(xì)；很多的新型納米材料應(yīng)運(yùn)而生，改變了所制成產(chǎn)品的諸多性能，等等。那么，如果納米科技能夠再一次取得突破性的進(jìn)展，必定將再次掀起新的工業(yè)革命，我們的生活質(zhì)量也將再一次得到大幅度的提升。但是，目前的現(xiàn)狀距離理想化的未來還有很長的一段路要走，很多技術(shù)還不成熟，很多應(yīng)用都具有風(fēng)險(xiǎn)，這需要我們共同的努力，去創(chuàng)造一個(gè)更加美好的未來。

再者，這門課程不僅教會(huì)了我們知識(shí)，而且老師還為我們提供了很多相互學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)，和展開自己想象力，發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺(tái)。這使我再次意識(shí)到，在學(xué)習(xí)的同時(shí)，要善于利用發(fā)散性的思維，去挖掘更多有價(jià)值的信息，這將有利于我改善自己目前的學(xué)習(xí)方法。在輕松愉快的氛圍中，我獲得了知識(shí)，同時(shí)和老師以及同學(xué)們?nèi)〉昧讼嗷サ臏贤ê徒涣?，這是一段美好的經(jīng)歷。

最后，感謝老師的授課和教導(dǎo)，感謝陪伴的同學(xué)們一同完成了納米材料的學(xué)習(xí)歷程。

第三部分 參考文獻(xiàn)

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第三篇：納米論文

聚合物基-納米二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

班級(jí)12材料2班學(xué)號(hào)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(fù)合材料的制備方法，討論了制備方法的特點(diǎn)，闡述了聚合物納米SiO2復(fù)合材料的研究進(jìn)展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞納米SiO2復(fù)合材料;聚合物;制備;應(yīng)用 前言

納米SiO2是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和體積效應(yīng)等,使其與有機(jī)聚合物復(fù)合而成的納米二氧化硅復(fù)合材料, 既能發(fā)揮納米SiO2自身的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及粒子的協(xié)同效應(yīng), 又兼有有機(jī)材料本身的優(yōu)點(diǎn), 使復(fù)合材料具有良好的機(jī)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(fù)合材料的制備方法、制備方法的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行一次全面的綜述。

2聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的制備

2．1 共混法

共混法是制備聚合物／無機(jī)納米復(fù)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(tuán)聚。要將無機(jī)納米粒子直接分散于有機(jī)基質(zhì)中制備聚合物納米復(fù)合材料，必須通過化學(xué)預(yù)分散和物理機(jī)械分散打開納米粒子團(tuán)聚體，消除界面能差，才能實(shí)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(dāng)?shù)娜軇┲兄瞥扇芤?或乳液)，然后加入無機(jī)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(shí)現(xiàn)了納米si02對(duì)PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應(yīng)制備納米Si02顆粒，然后通過超聲分散機(jī)將顆粒分散到聚氨酯樹脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復(fù)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(jī)粒子與聚合物基體在密煉機(jī)、雙螺桿等混煉機(jī)上熔融共混。

郭衛(wèi)紅等[5]在密煉機(jī)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(fù)[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(fù)合材料，由于復(fù)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(xué)反應(yīng)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(tuán)聚，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)、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(yù)混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復(fù)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(jī)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(duì)納米粒子表面進(jìn)行處理，然后單體在納米粒子表面進(jìn)行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復(fù)合材料(in situ polymerization)。通過這種方法，無機(jī)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(duì)Si02進(jìn)行表面處理，應(yīng)用本體法聚合制備si02／PMMA納米復(fù)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(jī)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(qiáng)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(jī)納米復(fù)合材料的一種重要方法。通過烷氧基金屬有機(jī)化合物的水解、縮合，將細(xì)微的金屬氧化物顆粒復(fù)合到有機(jī)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(jī)納米復(fù)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(fù)合材料時(shí)顯示出很多優(yōu)勢(shì)。但是，所用的無機(jī)組分的前驅(qū)物正硅酸烷基酯價(jià)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(jī)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(shí)，由于發(fā)生了納米級(jí)微區(qū)效應(yīng)，有機(jī)一無機(jī)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(qiáng)。

3聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的研究進(jìn)展

3.1 納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)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(yīng)溫度都會(huì)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(duì)復(fù)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(duì)納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進(jìn)行了表征[12]。結(jié)果表明, SiO2表面處理后, 復(fù)合材料性能得到提高, 使環(huán)氧樹脂增強(qiáng)和增韌;且納米SiO2含量為3 % 時(shí),自由體積濃度最小, 納米復(fù)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(fù)合材料[13]。結(jié)果表明, 對(duì)復(fù)合材料力學(xué)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(fù)合材料沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度比基體分別提高了124% 和30%;復(fù)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(fù)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(fù)合材料[14]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理的SiO2在復(fù)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(duì)應(yīng)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(qiáng)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(fù)合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復(fù)合乳液[15]。結(jié)果表明, 共混法制得的納米復(fù)合物的拉伸強(qiáng)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(duì)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(shì), 而微米SiO2復(fù)合丙烯酸酯乳液, 其涂層對(duì)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(fù)合材料

王世敏等對(duì)納米SiO2/二甲基硅氧烷復(fù)合材料的光學(xué)、力學(xué)性能進(jìn)行了研究[16]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料對(duì)波長λ＞390 nm 的可見光基本能透過, 透過率達(dá)80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢(shì)。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復(fù)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(shí),有機(jī)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(huì)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(xué)性質(zhì)。潘偉等研究SiO2納米粉對(duì)硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理、壓阻及阻溫效應(yīng)的影響[18]。結(jié)果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應(yīng)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(shí), SiO2納米粉的加入使復(fù)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(qiáng)的蠕變性。為了進(jìn)一步提高其應(yīng)用價(jià)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(jī)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(fù)合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天及微電子領(lǐng)域的功能材料, 它的優(yōu)點(diǎn)是介電性良好,力學(xué)性能優(yōu)良, 但其吸水性強(qiáng)和熱膨脹性高的缺點(diǎn)限制了他的應(yīng)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(qiáng), 熱膨脹系數(shù)得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復(fù)合材料的力學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn), 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機(jī)分子與無機(jī)物分子之間的相容性, 從而可制備強(qiáng)度和韌性更加優(yōu)異的復(fù)合材料[21]。

3.6 納米SiO2/聚烯烴類復(fù)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(fù)合材料[22]。結(jié)果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時(shí)達(dá)到最大值;加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對(duì)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(fù)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(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高40 %,拉伸強(qiáng)度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。

3.7 納米SiO2/尼龍復(fù)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(fù)合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復(fù)合材料的結(jié)晶相;粒子的加入明顯增強(qiáng)了基體的彈性模量,且復(fù)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(fù)合材料

邵鑫等研究了納米SiO2對(duì)聚醚砜酮(PPESUK)復(fù)合材料摩擦學(xué)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(fù)合材料[26]。當(dāng)納米SiO2用量為1 % 時(shí), 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。納米SiO2的加入使得復(fù)合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當(dāng)納米SiO2用量為7 % 時(shí),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(fù)合材料的摩擦磨損性能。

3.9納米SiO2/聚苯硫醚(PPS)復(fù)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(jī)中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒制得PPS/納米SiO2復(fù)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(dāng)納米SiO2用量為3 % 時(shí), PPS/納米SiO2 復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量和缺口沖擊強(qiáng)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(fù)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(fù)合材料

張啟衛(wèi)等利用溶膠-凝膠法制備了PMMA/納米SiO2復(fù)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(dá)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(fù)合材料[30]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料的耐紫外線輻射能力提高1 倍以上, 沖擊強(qiáng)度提高80 %。同時(shí)由于納米粒子尺寸小于可見光波長, 復(fù)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(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能, 展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。盡管近年來對(duì)其研究較多, 并取得了較大進(jìn)展, 但是對(duì)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(fù)合材料的相界面結(jié)構(gòu), 納米SiO2 對(duì)聚合物性能影響的機(jī)理等。相信隨著制備技術(shù)的進(jìn)一步完善及對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的進(jìn)一步了解, 人們將能按照需要來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能和多功能的聚合物/納米SiO2復(fù)合材料。納米Si02可以改性多種高分子材料，通常對(duì)聚合物的機(jī)械性能如拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率，以及熱穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、光學(xué)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(fù)合材料中有機(jī)相和無機(jī)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(duì)復(fù)合材料性能的影響；納米Si02對(duì)聚合物基體材料性能影響的機(jī)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(xué)上的應(yīng)用

[摘要]納米醫(yī)學(xué)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(xué)研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。近幾年,納米技術(shù)突飛猛進(jìn),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(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料三個(gè)方面,講述了納米生物工程的重大進(jìn)展。本文就納米診斷技術(shù)、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)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(jìn)展進(jìn)行綜述,并探討納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展前景。

[引言] 納米技術(shù)的基本概念是用單個(gè)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(yīng)用前景廣闊,幾乎涉及現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域,世界各國都把納米技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)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(xué);納米生物材料;診斷;治療

1、跨世紀(jì)的新學(xué)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(xué)技術(shù),它是現(xiàn)代科學(xué)和先進(jìn)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(huì)議的召開,標(biāo)志著納米科技的正式誕生。時(shí)至今日,納米科技涉及到幾乎現(xiàn)有的所有科學(xué)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(biāo),是人類按照自己的意志操縱單個(gè)原子,在納米尺度上制造具有特定功能的產(chǎn)品,實(shí)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(rèn)為,這一興起于本世紀(jì)90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀(jì),對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

2、納米醫(yī)學(xué)的提出

納米醫(yī)學(xué)的形成除了納米技術(shù)之外，其醫(yī)學(xué)本身也應(yīng)具有可應(yīng)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(xué)研究的主體———人體本身是由分子和原子構(gòu)成的。實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)的必要條件是，要在分子水平上對(duì)人體有更為全面而詳盡的了解。隨著現(xiàn)代生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展,人類在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究內(nèi)容已開始從細(xì)胞、染色體等微米尺度的結(jié)構(gòu)深入到更小的層次,進(jìn)入到單個(gè)分子甚至分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些極其微細(xì)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(xué)科,就是納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)。納米醫(yī)學(xué)是一門涉及物理學(xué)、化學(xué)、量子學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域的綜合 性交叉學(xué)科。Freitas曾給納米醫(yī)學(xué)下過一個(gè)較詳細(xì)的定義:他認(rèn)為,納米醫(yī)學(xué)是利用人體分子工具和分子知識(shí),預(yù)防、診斷、治療疾病和創(chuàng)傷,劫除疼痛,保護(hù)和改善人體健康的科學(xué)和技術(shù)。目前的納米醫(yī)學(xué)研究水平還處于初級(jí)階段,當(dāng)然,由于各國科學(xué)工者的不懈努力,納米醫(yī)學(xué)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(yīng)用。

從定義來看,納米醫(yī)學(xué)可以分為兩大類,一是在分子水平上的醫(yī)學(xué)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(xué)領(lǐng)域,如某種納米裝置在醫(yī)療和診斷上的應(yīng)用。納米醫(yī)學(xué)的奧秘在于,可以從納米量級(jí)的尺度來進(jìn)行原來不可能達(dá)到的醫(yī)療操作和疾病防治。當(dāng)生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級(jí)的時(shí)候,其性質(zhì)會(huì)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(xué)應(yīng)用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應(yīng)用納米醫(yī)學(xué)技術(shù)手段，在診室內(nèi)進(jìn)行全面的基因檢查和特殊細(xì)菌涂層標(biāo)記物的實(shí)時(shí)全身掃描；檢測腫瘤細(xì)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(biāo)三維圖譜的特定分子。在納米醫(yī)學(xué)時(shí)代，這些強(qiáng)有力的手段將使醫(yī)務(wù)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(fèi)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(jià)格昂貴并對(duì)人體有損害的羊水診斷技術(shù)。如今應(yīng)用納米技術(shù),可簡便安全地達(dá)到目的。孕8周左右血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞,用納米粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來進(jìn)行診斷。目前美國已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)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(xué)第二臨床學(xué)院把納米粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明,運(yùn)用這項(xiàng)研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤。這對(duì)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(xué)中的一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域,適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學(xué)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(shí)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(xué)的博士正在設(shè)計(jì)一種納米/智能炸彈,它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進(jìn)入并摧毀單個(gè)的癌細(xì)胞。

德國醫(yī)生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了較好療效。將一些極其細(xì)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(xì)胞。由于腫瘤附近的機(jī)體組織中不存在磁性微粒,因此這些健康組織的溫度不會(huì)升高,也不會(huì)受到傷害。科學(xué)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(dá)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(duì)傳統(tǒng)藥物的改良,而后者強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)、不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)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(dāng)樹脂基托中抗菌劑的濃度達(dá)到3%時(shí),即可達(dá)到滿意的抗菌效果。

無機(jī)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(shí)對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生任何毒性。其抑瘤效應(yīng)不是通過納米顆粒對(duì)腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機(jī)體免疫來實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對(duì)惡性腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生明顯的抑制作用,而對(duì)正常細(xì)胞作用甚微,可望通過進(jìn)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(jī)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(xì)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(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)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(dǎo)的藥物輸送是納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)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(yīng)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(duì)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(jī)體排出;具有較長的體內(nèi)循環(huán)時(shí)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(xué),也可以服務(wù)于其它社會(huì)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(shí)檢測和研究不同的生物細(xì)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(dòng)的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)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(diǎn),已成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)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(jí)的機(jī)械手,能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個(gè)細(xì)胞,進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學(xué)的教授領(lǐng)導(dǎo)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(gè)細(xì)胞的生物芯片,通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等,研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)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(dá)到選擇和固定細(xì)胞及細(xì)胞面密度控制。

美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣,納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測,即時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)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(gè)雛形裝置,發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能,它可以沿血流流動(dòng)并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個(gè)發(fā)射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種明亮的閃光;而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測單個(gè)活細(xì)胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級(jí),當(dāng)它插入活細(xì)胞時(shí),可探知會(huì)導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。

3.4組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的細(xì)胞生長支架正在形成一個(gè)嶄新的研究方向。相對(duì)于微米尺度,納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞生長的自然環(huán)境更為相似。納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細(xì)胞水平上控制生物材料與細(xì)胞間的相互作用,引發(fā)特異性細(xì)胞反應(yīng),對(duì)于組織再生與修復(fù)具有潛在的應(yīng)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(xì)胞的生長速度明顯快于對(duì)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(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性,同時(shí)還可以改進(jìn)基體材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合物中碳納米管含量的增加,神經(jīng)元細(xì)胞和成骨細(xì)胞在復(fù)合材料上的黏附與生長也越來越活躍,而星形細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的活性則呈現(xiàn)同等程度的下降。研究人員設(shè)計(jì)的人造紅細(xì)胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍,可應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動(dòng)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細(xì)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(shí)性的細(xì)胞培養(yǎng)人工支架,它能很好地支持功能型細(xì)胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細(xì)胞抵達(dá)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(fù)了倉鼠腦部的急性創(chuàng)傷,并且恢復(fù)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?jiǎng)?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(xué)和納米醫(yī)學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展策略

目前,我國在納米生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱,通過采取各種激勵(lì)措施和各種研究計(jì)劃的實(shí)施,特別是國家自然科學(xué)基金委的納米技術(shù)重大研究計(jì)劃對(duì)納米生物和納米醫(yī)學(xué)項(xiàng)目的支持,我國在納米生物和納米醫(yī)學(xué)方面的研究狀況有了很大的改善,生物、醫(yī)學(xué)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(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)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(qiáng)的研究隊(duì)伍。近年來,來自化學(xué)、物理、信息、藥物、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家通過幾次研討會(huì)進(jìn)一步明確了納米生物和納米醫(yī)學(xué)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(xué)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(jī)制、納米材料的應(yīng)用和生物安全性及重大疾病預(yù)防和早期診斷與治療技術(shù)等方面。但是,這些研究的水準(zhǔn)與國際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?離國家、社會(huì)的需求也有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

納米醫(yī)學(xué)工程的建立不僅是因?yàn)橛衅淦惹械男枰?而且也因?yàn)橛辛藢?shí)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(dá)國家紛紛開展納米科技的研究。在我國,科技界對(duì)納米科技的重要性有了共識(shí),納米科技研究已取得引人注目的成果。學(xué)科發(fā)展和社會(huì)需要是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力,學(xué)科發(fā)展可以創(chuàng)造新的需求,社會(huì)需求可以促進(jìn)學(xué)科向深度和廣度發(fā)展。納米生物醫(yī)學(xué)工程正在出現(xiàn),我們無力將它阻擋。雖然它的廣泛應(yīng)用尚有待時(shí)日,并潛在危險(xiǎn),但若沒有它,我們現(xiàn)在面臨的許多生物醫(yī)學(xué)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(gè)嶄新的陌生世界,倘若人類能直接利用原子、分子進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng),這將是一個(gè)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(jī)。我們有必要把納米科技和生物醫(yī)學(xué)工程概念進(jìn)行拓展,把納米科技的理論與方法引入生物醫(yī)學(xué)工程的相關(guān)研究領(lǐng)域,創(chuàng)立新的邊緣學(xué)科——納米生物醫(yī)學(xué)工程。可以相信,納米醫(yī)學(xué)工程將會(huì)成為納米科技的重要分支,并開創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)工程新紀(jì)元。科學(xué)家認(rèn)為,納米科技在生物醫(yī)學(xué)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(xiàn)] [1]劉吉平,郝向陽.納米科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世紀(jì)嶄新的學(xué)科——納米醫(yī)學(xué)[J]1世界新醫(yī)學(xué)信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會(huì)東.納米技術(shù)在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(yīng)用化學(xué),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(xué)工程學(xué)報(bào),1996,15(4):216-221.[6]張共清,梁屹.納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用[J]1中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):197-201.〔7〕中國社會(huì)科學(xué)院語言研究所詞典編輯室編.現(xiàn)代漢語詞典.北京:商務(wù)印書館2002年版:1711〔8〕奇云.21世紀(jì)的納米醫(yī)學(xué).健康報(bào),2001(4):12〔9〕紀(jì)小龍.納米醫(yī)學(xué)怎樣診治疾病.健康報(bào),2001,7,19[9]奇 云.納米醫(yī)學(xué)——21世紀(jì)的科技新領(lǐng)域[N].中國醫(yī)藥報(bào),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(jì)的新材料[J].科技導(dǎo)報(bào),1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學(xué)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代物理知識(shí),1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納米生物學(xué)的誘人前景[N].光明日?qǐng)?bào),1993年5月7日,第15864號(hào)第3版.[13]奇 云.納米化學(xué)研究進(jìn)展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學(xué)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學(xué)與技術(shù)[J].科學(xué),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(dāng)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(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)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(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機(jī)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(yīng)用，并展望了納米材料廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】納米技術(shù)；納米材料；分類；特性；應(yīng)用；前景

一、納米科技及納米材料的涵義

納米科技是20世紀(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的高技術(shù)學(xué)科。其涵義是人類在納米尺寸（10-9--10-7m）范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，最終目標(biāo)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(xué)與先進(jìn)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(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新興科學(xué)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(duì)宏觀物質(zhì)來說，納米是一個(gè)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(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1-100nm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。

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(tuán)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(xué)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(qiáng)烈的尺寸依賴性。當(dāng)粒子尺寸減小到納米級(jí)的某一尺寸時(shí)，則材料的物性會(huì)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(duì)同一性能，不同材料相應(yīng)的臨界尺寸也有差異，所以當(dāng)物質(zhì)的粒子尺寸達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，將會(huì)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(diǎn)下降、強(qiáng)烈的化學(xué)活性和催化活性及特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)及燒結(jié)性能。這主要是由納米材料的下列效應(yīng)引起：小尺寸效應(yīng)（體積效應(yīng)）；表面與界面效應(yīng)；量子尺寸效應(yīng)（久保效應(yīng)）；宏觀量子隧道效應(yīng)。

1、小尺寸效應(yīng)指當(dāng)超微粒的尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。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(dāng)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(xué)性能。

2、表面與界面效應(yīng)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(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)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(dāng)高的表面能。

3、當(dāng)粒子的尺寸降到一定值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)出現(xiàn)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，納米微粒會(huì)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(yīng)。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會(huì)變得完全不透明。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使納米材料具有：高度光學(xué)非線性；特異性催化和光催化性；強(qiáng)氧化性與強(qiáng)還原性。用這一特性可制得光催化劑、強(qiáng)氧化劑與強(qiáng)還原劑?？墒褂糜谥苽錈o機(jī)抗菌材料。

4、微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢(shì)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(yīng)。

四、納米材料的應(yīng)用

1、在催化方面的應(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，它可以控制反應(yīng)時(shí)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(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)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10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，主要是在有機(jī)物制備方面。光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機(jī)離子氧化還原，有機(jī)物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機(jī)污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對(duì)光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負(fù)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(duì)某些有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)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(yīng)溫度從600℃降至室溫。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)用帶來革命性的變革。

2、在涂料方面的應(yīng)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(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)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(fù)合體系涂層，實(shí)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(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)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(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，達(dá)到儲(chǔ)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(dá)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)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(dòng)復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。

3、在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

21世紀(jì)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(jìn)入人體，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)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(xué)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(xué)用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細(xì)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(yīng)。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(xué)相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息，從而了解機(jī)體狀態(tài)，深化人們對(duì)生理及病理的解釋。

五、納米材料的前景

21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代，納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(hù)等重大問題。

21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)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(jì)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個(gè)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(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。

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