第一篇：功能納米材料及環(huán)境保護(hù)

功能納米材料與環(huán)境保護(hù)

前言

納米科學(xué)技術(shù)這一概念最早源于諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美國(guó)物理學(xué)家Richard Feynman在1959 年所作的“ 人類可按照自己的意愿用單個(gè)分子甚至單個(gè)原子組裝、制造出最小的人工機(jī)器來” 的預(yù)言的構(gòu)想。這是納米技術(shù)最早的萌芽。1982 年掃描隧道顯微鏡的研制成功為納米技術(shù)的誕生與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1990年, 首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩召開, 這標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷史不長(zhǎng), 但己受到國(guó)內(nèi)外的高度重視, 認(rèn)為它將是21 世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)。目前, 世界工業(yè)先進(jìn)國(guó)家都將納米科技列入國(guó)家主要發(fā)展計(jì)劃之中。我國(guó)政府也十分重視納米科技的發(fā)展, 國(guó)家科技部、國(guó)家計(jì)委、中科院等部門聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要》: 國(guó)家資助的“ 納米科學(xué)攀登計(jì)劃” 等與納米科技有關(guān)的高科技創(chuàng)新課題也己取得了一些重大成果。實(shí)現(xiàn)納米科技與環(huán)境保護(hù)、污染防治的有機(jī)結(jié)合將為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供有效的技術(shù)保障。1 納米技術(shù)簡(jiǎn)介 1.1 納米

“ 納米”(nanometer , nm)是一種幾何尺寸的度量單位,1納米等于10億分之一米, 略等于4 ~ 5個(gè)原子排列起來的長(zhǎng)度, 約為人發(fā)直徑的1/ 100000。1.2 納米技術(shù)

納米技術(shù)(納米科學(xué)與技術(shù)的簡(jiǎn)稱)是在1-100 nm 尺度范圍的物質(zhì)世界, 研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律與特征的一門新興學(xué)科, 其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子, 研制出體積不超過數(shù)百個(gè)納米但具有特定功能的、人們所希望的材料與制品。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。

納米技術(shù)主要包含: 納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米動(dòng)力學(xué)、納米加工學(xué)、納米摩擦學(xué)、納米測(cè)量學(xué)、納米化學(xué)和納米物理學(xué)等。1.3 納米材料及其特性

納米材料又稱為超微顆粒材料, 是經(jīng)過納米技術(shù)處理, 由納米粒子組成, 結(jié)晶粒度為納米級(jí)(1-100nm)的多晶材料, 即三維空間尺寸至少有一維處于納米量級(jí)。納米材料一般分為: 納米顆粒、納米薄膜(多層膜和顆粒膜)和納米固體。納米粒子也叫超微顆粒, 一般是指尺寸在1-100nm間的粒子, 是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米量級(jí)的材料因其物質(zhì)顆粒接近原子大小, 此時(shí)量子效應(yīng)開始影響到物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu), 使其具有表面與界面效應(yīng)、體積(小尺寸)效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng), 從而在機(jī)械性能、磁、光、電、熱等方面納米材料與傳統(tǒng)材料有很大的不同, 具有輻射、吸收、催化、吸附及二元協(xié)同性等許多新特性。人們利用這些新的特性可以人工合成自然界不存在的或自然界存在但人類還沒有模仿出來的新材料, 并采用全新的納米技術(shù)把這些材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域, 促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 提高人們的生活質(zhì)量。2 納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀 2.1 應(yīng)用納米技術(shù)制備自清潔環(huán)保界面涂料

研究發(fā)現(xiàn), 由于納米尺度上的物質(zhì)具有許多不同尋常的特性,從而可以利用納米技術(shù)研制出一系列具有奇異功能的納米界面材料。利用納米技術(shù)研制開發(fā)的納米TiO2在紫外光照射條件下,表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而具有超親水性,停止紫外光照射,數(shù)小時(shí)或7 d后又回到疏水性狀態(tài),再用紫外光照射,又表現(xiàn)出超親水性。鍍有納米TiO2的表面因?yàn)槠涑H水性, 使油污不易附著, 即使有所附著, 也是和外層水膜結(jié)合, 在外部風(fēng)力、水淋沖及自重作用下能自動(dòng)從涂層表面剝離, 從而達(dá)到防污和自清潔的目的。太陽光中的紫外線足以維持納米TiO2薄膜表面的親水特性, 從而使其表面具有長(zhǎng)期的自潔去污效應(yīng)陰。這一特性可廣泛應(yīng)用于汽車表面涂層、建筑物玻璃外墻等的自清潔及鏡面防霧等方面。近日, 在北京國(guó)防科技大學(xué)的安居工程上 , 采用了市場(chǎng)上最新的納米改性涂料防水耐污染高耐候性外墻涂料, 這種“ 納米涂料”是新型綠色環(huán)保產(chǎn)品, 在高檔乳膠漆性能的基礎(chǔ)上, 提高了乳膠漆的耐污染性、耐候性和防水性;大大延長(zhǎng)了建筑外墻的使用壽命, 長(zhǎng)久保持建筑外墻的美觀、潔凈和艷麗的色彩。2.2 應(yīng)用納米技術(shù)制備光催化環(huán)保殺菌消毒材料

利用納米技術(shù)研制開發(fā)的納米TiO2具有極強(qiáng)的殺菌消毒作用, 其作用機(jī)理是納米TiO2經(jīng)光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧類能與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的組成成分進(jìn)行生化反應(yīng),使細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡, 并且使細(xì)菌死亡后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解。研究表明, 將納米TiO2涂覆在玻璃、陶瓷表面, 經(jīng)室內(nèi)熒光燈照射1h 后可將其表面9 9 % 的大腸桿菌、綠膿桿菌、金色葡萄球菌殺死。這種瓷磚若用于醫(yī)院,則覆著于墻面上的細(xì)菌數(shù)和空氣中的浮游菌數(shù)明顯下降;若用于衛(wèi)生間, 則可明顯降低氨氣濃度。納米TiO2光催化殺菌也可用于深度凈化飲用水。李田等人在大比表面積的玻璃纖維網(wǎng)上制成粘結(jié)牢固、催化活性良好的納米TiO2膜, 能明顯降低自來水中的總有機(jī)物量和細(xì)菌總數(shù), 全面改善水質(zhì)以達(dá)到直接飲用的要求。

2.3 應(yīng)用納米技術(shù)制備防紫外線光吸收材料

由于納米微粒的尺寸小于可見光波長(zhǎng), 因此, 其對(duì)光的反射率低于l%, 即可吸收9 9 % 以上的光。利用納米材料的這種光學(xué)性質(zhì), 納米微?？勺鳛樘砑觿┲苽涑鰧?duì)光波有選擇性吸收的新材料, 如利用納米微粒吸收紫外光的特性,使其在防曬化妝品、塑料、金屬防腐等方面得到應(yīng)用。(l)應(yīng)用于人體防曬化妝品，太陽光對(duì)人體有害的紫外線主要在300nm—400nm波段, 如果在防曬化妝品中添加對(duì)此波段的光有強(qiáng)吸收作用的納米微粒, 如: TiO2、SiO2、MgO 和ZnO等,就能保護(hù)皮膚不受紫外線的傷害。調(diào)查表明,與現(xiàn)在廣泛用作化妝品中防曬成分的有機(jī)紫外吸收劑相比, 納米微粒吸收劑具有吸收能力強(qiáng)、無毒、性質(zhì)穩(wěn)定、效果好等優(yōu)點(diǎn)。(2)應(yīng)用于塑料、金屬防腐保護(hù)涂層一金屬和塑料在紫外線照射下很容易老化變脆或腐蝕,如果在塑料或金屬表面涂一層含有納米微粒的透明涂層, 吸收紫外光, 就可防止塑料老化或金屬腐蝕。2.4 納米技術(shù)在污染防治中的應(yīng)用

大氣污染一直是各國(guó)政府需要解決的難題,空氣中超標(biāo)的二氧化硫(SO2), 一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)是影響人類健康的有害氣體, 納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用為解決產(chǎn)生這些氣體的污染源問題提供了新的解決方法。利用納米材料的催化活性治理大氣污染，可以應(yīng)用于燃料脫硫處理，利用納米技術(shù)研制開發(fā)的納米欽酸鉆(CoTiO3)及欽酸鋅(ZnTiO3)粉體是一種非常好的石油脫硫催化劑。還可以應(yīng)用于汽車尾氣凈化處理，利用納米技術(shù)研制開發(fā)的復(fù)合稀土化合物的納米級(jí)粉體是一種新型汽車尾氣凈化催化劑, 納米級(jí)粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能。它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中CO和NOx的污染問題。以活性碳作為載體、納米Zr0.5Ce0.5O2粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑, 由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+, 電子可以在其三價(jià)和四價(jià)離子之間傳遞,因此具有極強(qiáng)的電子得失能力和氧化還原性, 再加上納米材料比表面大、空間懸鍵多、吸附能力強(qiáng), 因此它在氧化CO的同時(shí)還原NOx，使它們轉(zhuǎn)化為對(duì)人體和環(huán)境無害的氣體CO2和N2。利用納米材料的優(yōu)良吸附特性治理空氣污染。應(yīng)用于室內(nèi)空氣的光催化凈化劑，利用納米技術(shù)研制開發(fā)的合成稀土光催化劑〔,習(xí)可以很好地降解這些物質(zhì), 其中納米TiO2的降解效率最好, 將近達(dá)到100%。其降解機(jī)理是在光照條件下將吸附于其表面的家庭和建筑裝修以后新建材、豁結(jié)劑等產(chǎn)生的甲醛, 吸煙產(chǎn)生的乙醛, 生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫醇、硫化氫、氨等各種有毒、有害、致癌、有機(jī)污染物氧化分解為二氧化碳、水和有機(jī)酸而有效地去除。它最大的優(yōu)點(diǎn)為: 在不改變空氣自然狀態(tài)的大前提下過濾空氣中的有害物質(zhì), 增加室內(nèi)空氣的含氧量。

在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在利用納米材料的優(yōu)異的吸附性能來處理化工工業(yè)區(qū)的異味、異物等對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)的報(bào)道非常的少，因此研究新型納米材料來處理化工工業(yè)區(qū)的環(huán)境污染這一課題有一定的可行性。眾所周知，化工工業(yè)區(qū)的環(huán)境質(zhì)量是非常的差的，污染相當(dāng)?shù)膰?yán)重，對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量也有很大的影響。在化工區(qū)，異味比較嚴(yán)重，有些廠區(qū)甚至是有刺鼻的異味，對(duì)于廠區(qū)的工作人員來說，這種工作環(huán)境是比較惡劣的，而在改善這種惡劣環(huán)境的研究工作應(yīng)該是有進(jìn)行中，但是很少有應(yīng)用于實(shí)際的治理，因此，這方面的研究工作還需要很大的工作量來做的。現(xiàn)在應(yīng)經(jīng)有新型納米材料應(yīng)用于汽車尾氣處理，室內(nèi)污染物的催化凈化，我認(rèn)為可以在現(xiàn)有的處理污染物技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用TiO2優(yōu)良的催化降解性能，研制出新的可吸附降解多種有機(jī)污染氣體的新型納米材料。這種新型的納米材料有很大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)保護(hù)環(huán)境、治理污染、改善化工廠區(qū)惡劣的工作環(huán)境有很大的幫助。2.5 納米技術(shù)在水污染防治方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題, 污水治理一直得不到好的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。1納米過濾水處理技術(shù)

納濾技術(shù)是一種介于反滲透與超濾之間的同屬于壓力驅(qū)動(dòng)的新型膜分離技術(shù), 適用于分離相對(duì)分子量界限為200--1000、分子尺寸約為1nm 的溶解組分。利用超濾技術(shù)單獨(dú)處理水時(shí)的去除率較差, 而反滲透技術(shù)雖有較強(qiáng)的去除率, 但去除有害物質(zhì)時(shí)亦同時(shí)將大量的有益無機(jī)離子除去,出水呈酸性。納濾分離技術(shù)能截留大部分有機(jī)小分子使大部分無機(jī)鹽通過, 可實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)離子的分離, 它的出現(xiàn)填補(bǔ)了反滲透與超之間的空白。納濾水處理技術(shù)在水處理中的應(yīng)用非常廣泛, 大致分為以下幾個(gè)方面:(l)硬水軟化處理;(2)飲用水的凈化處理;(3)受污染地表水與地下水的凈化處理;(4)工業(yè)廢水的凈化處理;(5)水的深度處理。2半導(dǎo)體納米粒子光催化氧化水處理技術(shù)

半導(dǎo)體納米粒子光催化氧化是一項(xiàng)新興的頗有發(fā)展前途的廢水處理技術(shù), 是在紫外光照射下, 納米粒子表面會(huì)產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基,使水中大多數(shù)的有機(jī)污染物及部分無機(jī)污染物徹底氧化降解為CO2和H2O 無害物質(zhì)。目前, 在光催化氧化降解領(lǐng)域所采用的光催化劑多為N 型半導(dǎo)體材料如TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等。其中TiO2因其活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、對(duì)人體無害而最受重視。自1976年CaryJ.H等人報(bào)道了在紫外光照射下, 納米TiO2可使難降解的有機(jī)化合物多氯聯(lián)苯脫氯的光催化水處理技術(shù)后, 引起了各國(guó)眾多研究者的普遍重視。迄今為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機(jī)化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO2或ZnO而迅速降解, 特別是當(dāng)水中有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法很難降解時(shí), 這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)具有降解速度快、氧化條件溫和、無選擇性、無二次污染、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。3 高效納米級(jí)水處理藥劑直接處理技術(shù)

由于納米材料所具有的表面效應(yīng), 使納米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面積, 所以納米材料在制備高性能吸附劑方面表現(xiàn)出巨大的潛力。利用納米技術(shù)研制開發(fā)的一種新型納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力,它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10 ~ 2 0 倍。它能將污水中懸浮物吸附并沉淀下來, 然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置, 有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味污染物。我國(guó)湖南省研制成功的“ Z氏法” 污水處理技術(shù) , 其原理是利用納米技術(shù)對(duì)常用的污水處理凈水劑、絮凝劑和殺菌消毒劑加以物化改性, 從而形成多元復(fù)合新型高效水處理劑。納米超高效水處理劑具有傳統(tǒng)水處理劑無法比擬的污水凈化效果, 同時(shí)藥劑費(fèi)用低、應(yīng)用范圍廣、使用方便。

在利用納米技術(shù)處理水的方面的研究，很多科研工作者都做了大量的研究工作，也有些成熟的技術(shù)已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是對(duì)于應(yīng)用新型的納米材料來直接處理地下井水的報(bào)道并不多見。現(xiàn)在在廣大的農(nóng)村地區(qū)，大都直接抽取地下水作為日常生活的飲用水，但大部分地區(qū)的未經(jīng)處理的地下水是達(dá)不到飲用標(biāo)準(zhǔn)的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制一種新型的納米材料，來進(jìn)行快速的水處理，使該材料可直接進(jìn)入普通農(nóng)村家庭這一課題是值得進(jìn)行研究工作的，這可以利用科學(xué)技術(shù)來提高人們的生活質(zhì)量。此外，在城市家庭中都有飲水機(jī)，據(jù)有關(guān)報(bào)道，桶裝純凈水在開封兩到三天后其桶內(nèi)的細(xì)菌含量就跟未處理之前相當(dāng)。對(duì)大部分家庭來說一桶純凈水一般都不會(huì)在兩三天內(nèi)飲用完，因此開發(fā)一種利用納米材料優(yōu)越的吸附降解性來處理桶裝純凈水內(nèi)的細(xì)菌的新型納米材料是具有很大的意義的?？偨Y(jié)

綜上所述, 隨著納米技術(shù)基礎(chǔ)研究的深入和實(shí)用化進(jìn)程的發(fā)展,納米技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和污染治理方面的應(yīng)用已顯現(xiàn)出欣欣向榮的景象。作為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù), 它有著廣闊的應(yīng)用前景, 將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念;它將拓展人類保護(hù)環(huán)境的能力, 為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新污染源的產(chǎn)生, 創(chuàng)造條件?？梢灶A(yù)見,隨著納米技術(shù)研究工作的不斷深入和實(shí)用化水平的不斷提高, 特別是納米技術(shù)與環(huán)境保護(hù)、污染治理的進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合, 許多環(huán)保難題諸如大氣污染治理、污水處理、固體廢棄物處理處置將會(huì)得到有效解決, 人類將充分享受納米技術(shù)帶來的潔凈環(huán)境。

第二篇：納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

《納米材料與納米技術(shù)》論文

納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用 學(xué)號(hào)：205110803

姓名：尚曉娟

摘要： 隨著納米科技迅猛發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注并研究納米材料的環(huán)境行為，本文綜述了納米材料的定義以及納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料； 環(huán)境保護(hù)； 應(yīng)用 1引言

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,納米材料的合成和使用正日益增加，并且在電子、紡織、醫(yī)藥、化妝品、建筑、環(huán)保等行業(yè)，納米材料都得到了廣泛的應(yīng)用。

2納米材料定義

根據(jù)美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(the American Society for Testing and Materials)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(the British Standards Institution)的定義，納米材料是指任一維尺寸小于100nm的材料[1]。納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 水環(huán)境保護(hù)

在水環(huán)境保護(hù)方面，納米材料及技術(shù)可以應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

（1）減少水資源消耗。

用納米TiO2處理后的化學(xué)纖維制作的衣服、窗簾和帳篷等能起到自潔作用，不需使用化學(xué)洗滌劑清洗，從而降低了污水的排放量，同時(shí)減少了水資源的消耗。

（2）水的凈化處理。

使用納米材料的光催化方法，可使許多難降解的污染物轉(zhuǎn)化為H2O和CO2 等無污染的小分子物質(zhì)。

（3）用于有機(jī)物廢水處理。

利用TiO2、ZnO等半導(dǎo)體對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行光催化降解，最終生成無毒無味的CO2、H2O及一些簡(jiǎn)單的無機(jī)物，正逐漸成為工業(yè)化技術(shù)，這為環(huán)境污染的消除開辟了廣闊的前景。

（4）用作納米凈水劑。

一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10～20倍。

（7）抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)。

研究表明，改性納米TiO2具有較強(qiáng)的氧化能力，對(duì)滇池藍(lán)藻的微囊藻膠群體、葉綠素以及超氧化物歧化酶活性等可產(chǎn)生明顯的破壞性影響，從而可顯著抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)

［2］。

3.2 大氣環(huán)境保護(hù)（1）用作煤炭助燃催化劑

工業(yè)用煤燃燒后也會(huì)產(chǎn)生SO2氣體，如加入納米級(jí)助燃催化劑則不僅可使煤充分燃燒，不產(chǎn)生CO氣體，提高能源利用率，而且會(huì)使硫轉(zhuǎn)化為固體硫化物，而不產(chǎn)生SO2氣體，從而消除有害氣體的產(chǎn)生［3］。

（2）用作石油脫硫催化劑

納米鈦酸鈷(CoTiO3)是一種非常好的石油脫硫催化劑，以半徑為55～70nm的鈦酸鈷合成的催化活體多孔硅膠或以Al2O3陶瓷作為載體的催化劑,其催化效率極高。

（3）用作汽車尾氣凈化催化劑

復(fù)合稀土化合物的納米級(jí)粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能,這是其它任何汽車尾氣凈化催化劑都不能比擬的，它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中CO和NOx的污染問題。

（4）用作納米燃油添加劑

納米燃油添加劑可以大幅增加動(dòng)力，降低燃油消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能并延長(zhǎng)其壽命，減少尾氣中有害物質(zhì)的排放，保護(hù)環(huán)境。（5）治理大氣污染

利用納米TiO2的光催化作用可將這些氣體氧化成硝酸和硫酸,在降雨過程中除去,從而達(dá)到降低大氣污染的目的。

［5］

［4］。

。

3.3 城市垃圾處理

（1）減少廢物的產(chǎn)生

納米材料的可回收、可生物降解等特性，可以提高食品包裝的重復(fù)利用度、減輕環(huán)境污染［6］。

（2）處理城市垃圾

納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其降解速度是大顆粒TiO2的10倍以上,從而可解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力,避免了因焚燒處理而帶來的二次環(huán)境污染問題。

3.4其它

（1）控制污染源

污染的預(yù)防是指有效地使用原材料、能源、水及其他資源以減少或消除廢物的產(chǎn)生，從而從源頭上遏制污染的發(fā)生。

（2）監(jiān)測(cè)環(huán)境污染

利用納米技術(shù)研制的碳納米管可以用于監(jiān)測(cè)NOx,可在室溫下工作，造價(jià)低廉，而且體積?。?］。

（3）紫外線屏蔽

納米TiO2具有很強(qiáng)的散射和吸收紫外線的能力，尤其是對(duì)人體有害的中長(zhǎng)波紫外UVA、UVB(320～400nm,290～320nm)的吸收能力很強(qiáng)，效果比有機(jī)紫外吸收劑強(qiáng)很多，并且可透過可見光。

（4）噪聲控制

運(yùn)用納米技術(shù)開發(fā)的潤(rùn)滑劑，既能在物體表面形成永久性的固態(tài)膜，產(chǎn)生極好的潤(rùn)滑作用，得以大降低機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，又能延長(zhǎng)它的使用壽命

［8］

。結(jié)論與展望

近年來納米材料在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用成為環(huán)境污染治理研究的新熱點(diǎn)，并且取得了一些重要成果［9］。在今后的研究中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)：

（1）不同納米尺度修復(fù)劑在土壤、水體中的存在狀態(tài)、傳輸、轉(zhuǎn)化和與其它物質(zhì)相互作用的規(guī)律研究。

（2）土壤、水體中不同納米尺度物質(zhì)的探測(cè)和表征方法，建立納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步明確劃分納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的范圍，以利于重點(diǎn)防范這些物質(zhì)在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對(duì)環(huán)境安全造成的危害。

（3）需探索有效的納米材料安全評(píng)價(jià)方法，建立統(tǒng)一的納米材料毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)，為納米材料的生物毒性機(jī)制研究提供保障。

5參考文獻(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(guó)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(guó)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(jìng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng), 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(zhǎng)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(guó)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(guó)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?jī)?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(guó)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(cè)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(jiǎn)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(guó)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(guó)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?？茖W(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(cè)系統(tǒng)。它能夠被植入皮下,監(jiān)測(cè)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng),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;二氧化鈰納米顆粒可以清除眼中的電抗性分子并防治一些由于視網(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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(guó)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(jiǎn)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(guó)圣地亞國(guó)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(cè),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(zhǎng)的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的鼠神經(jīng)前體細(xì)胞的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(jiǎn)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?離國(guó)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(guó)際上已嶄露頭角,世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開展納米科技的研究。在我國(guó),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?？梢韵嘈?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?？茖W(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(guó)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(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):197-201.〔7〕中國(guó)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(guó)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(guó)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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)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(chǎng)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(cè)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(guó)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(zhǎng)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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