纳米材料的特性及应用.doc

纳米材料的特性及其应用 钟京京 摘要：  纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料被广泛的也能用于各个领域之中，例如建筑界、医学界、化学界、食品界、工业。 关键词： 纳米材料特性 应用 建筑界 医学界 化学界 食品界 工业  人类从未停止过对于这个世界的探寻，尤其是对于物质的构成，大到物体，小到分子、原子。人类对于构成物质世界的最小微粒的探索、研究，帮助我们更深刻的认识这个我们赖以生存的家园，帮助我们更好的推进我们人类的发展，帮助我们更和谐的与地球上的其他物种和平共处。伴随着人类的进一步研究，我们发现物质答到了纳米尺度后，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米特性认识及对于纳米材料的应用对于我们的工作生活将会是以一次历史性的、革命性的巨变。 纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。欧盟委员会则将纳米材料定义为一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上1。 （1）表面与界面效应2  这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如，粒子表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。  （2）小尺寸效应    当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬，我们现在使用的玻璃刀，关键部位用的就是纳米材料制成。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。  （3）量子尺寸效应    当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。  （4）宏观量子隧道效应  微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 随着时间的脚步不断地迈进，人类对于纳米材料已经不仅仅是停留在研究阶段，近几年研究者已经开始根据纳米材料的不同特性将其运用于各个领域。     纳米材料在建筑界的应用     考虑到施工方便，成本低，携带方便，承受力面交均匀，粘接面光滑以及良好的工艺性能得到广泛应用，等一系列的优点粘结技术部分取代了焊接、铆接、螺栓连接等传统技术。在多如牛毛的粘合剂中，唯有环氧树脂胶粘剂以其粘接能力强、适应性广等原因而倍受青睐。3其基材环氧树脂具有填料组合性能好、固化过程容易调节、成本低而粘接强度高等优点。近年来，环氧树脂胶粘剂正向低黏度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展。相信不久的将来，所有的工业粘合剂基本上将被环氧树脂胶粘剂所取代。 纳米材料在化学界的应用 众所周知，涂料是含有毒化学分子最多的家居粉饰品之一。如何除去涂料中的有毒化学物质这一问题一直困扰着很多人。现在纳米材料的出现有效地帮我们解决了这个问题。4利用纳米二氧化钛光催化和成膜物质复配成的光催化涂料，可以有效降解空气中的有害质以及涂层表面的污染物，起到自清洁和净化空气的作用。不仅如此，纳米材料的加入还赋予涂料各种各样的功能性和特殊性能。像纳米车用面漆具有高装饰性外,还有优良的耐久性,包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能；美、日等国研究人员用纳米级二氧化钛、二氧化锡、三氧化铬等与树脂复合作为静电屏蔽涂层，不仅可以用于飞航导弹等，还将其运用于潜艇、隐身装甲车、隐身坦克等一系列隐身装备中。将纳米材料运用于汽车装饰还具有杀菌、消毒、除臭的功能。      纳米材料在医学界的应用 2011年10月29日在海口举行的多所高校联合举办的新型材料论坛上，中科院院士江龙就纳米颗粒在生物医药中的应用发表主题报告表明，当纳米颗粒小于一定尺度并能进入细胞时，对细胞具有毒性，妨碍了纳米技术在医药科学中的应用。但当金纳米颗粒变大或形成聚结体而难以进入细胞时，则对这两种细胞无害，反而能促进细胞的生长.一但这一矛盾得到解决，我们的伤口愈合能力也会随之加强，这样遭受到的痛苦也会随之大大减少，我们在医学领域的技能也将会有一步质的飞跃。 纳米材料是理想的骨生材料。优良的生物活性使之能够与生物体组织化学键合，而其耐磨损、耐腐蚀、负载能力强，又能更更加长久的作为人类的骨骼。尤其是对于股骨头坏死的患者来讲，这是一个极大地福音。目前这一技术正在细化研究中，相信要不了多久我们就会看到有这样的“人体骨骼”诞生。 纳米材料在食品界的应用 随着人类对食品安全意识的逐步提高，更多新类型的农药进入市场。要想检验出食品中的农药含量，就要求灵敏可靠、敏度高、适用性强、简便快捷检测技术。用纳米氧化锌固定酶时，纳米氧化锌不仅对酶具有强吸附性，还保持酶活性、提高酶活性中心与电极间直接电子传递效率。将该传感器用于蔬菜样品有机含磷农药测定，响应快、灵敏度高、具有很好重现性和稳定性，且经复活剂处理后可反复使用。5     一但检验出食品中的农药含量就需要想办法去除，磁性纳米粒子的分离过程就是很好的选择。磁性纳米粒子分离过程很方便，且减少成本消耗，并克服其它分离系统很多问题。磁性纳米粒子分离能力和效率较高，能实现大规模和高通量分离。Shen 等制备C18 修饰磁性纳米粒子，并用于富集和分离蔬菜和水果中14种残留有机磷农药。与普通C18 分离柱相比，分离效能基本一样；但C18 修饰磁性纳米粒子分离过程简单快速、在重复利用10 次后，C18 修饰磁性纳米粒子分离性能基本没降低6     纳米材料在工业界的应用 在工业作业中，最令人痛疼的就是机器和相关零件的磨损问题。尽管现在市面有一些润滑油可以在一定程度上缓解这一问题，但是我们不得不承认缓解的程度还是令人难以满意。如果将纳米材料应用于润滑油中，润滑油就能具有很好的分散性、良好的极压抗磨性和摩擦改进性。润滑技术是改善磨损和延长摩擦件寿命的重要手段，传统的润滑油难以满足长时间、高温、高负荷等苛刻条件下的润滑，特别是无法实现摩擦副表面的原位动态自修复，为此亟需发展新型高效能的减摩自修复延寿材料和技术。纳米材料由于其自身具有的特殊性能，对降低材料的摩擦因数、提高材料的耐磨性能和实现材料的自修复性能具有显著的作用。因此，将纳米材料用于重要机械零件表面的润滑，对改善摩擦磨损、进一步延长其使用寿命、提高机动性能等方面具有潜在的应用前景。7     随着时代的脚步不停的大踏步向前，纳米材料的发展空间将会无限扩大，越来越多的领域中都将会看到它的“倩影”。无论是单纯的纳米材料还是纳米复合材料，他们所具有的优越性是我们无法抗拒的，也是未来的研究试验中不可缺少的。不久的将来，纳米材料将会给我们的生活、工作、学习带来无限的惊喜与便捷。 参考文献： 1 Rory Harrington  EU hails ground-breaking nano definitionEU hails ground-breaking nano definition  19-Oct-2011 on   2 3李赫亮，魏久玲 . 纳米蒙脱土/环氧树脂胶粘剂组分优化OL. A 中国科技论文在线 4 朱俊 湖北武汉风神汽车修理厂 表面工程资讯, Information of Surface Engineering, 编辑部邮箱 2011年 04期  期刊荣誉：ASPT来源刊 CJFD收录刊 5 谭琳，卢旭晓，白慧萍，等. 基于氧化锌纳米棒的乙酰胆碱酯酶生物传感器用于辛硫磷农药测定J. 理化检验化学分册，2009，45（5）：567 570. 6 Shen Haoyu，Zhu Yong，Wen Xiaer，et al. Preparation ofFe3O4C18 nanomagnetic composite materials and their cleanupproperties for organophosphorous pesticides J. Anal BioanalChem. ，2007，387（6）：2227 2237. 7 佟智勇 纳米工业齿轮油添加剂在煤矿大型设备中的应用与探讨 矿山机械, Mining & Processing Equipment, 编辑部邮箱 2010年 10期 期刊荣誉：中文核心期刊要目总览 ASPT来源刊 CJFD收录刊 8 欧龙新; 胡志强 中国纳米科技创新系统的形成、演化及建议 中国科学院院刊, Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 编辑部邮箱 2010年 04期纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多非凡性质。纳米体系使人们熟悉自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的熟悉。