纳米制造论文（精选8篇）
纳米制造论文 篇1
纳米材料与纳米技术
学院：自动化学院
专业年级： 2015级物联网工程 学生姓名：梁建业 学号：3115001473
4班 摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要了解纳米材料和纳米技术，介绍它的一些相关的应用及其在国内外的现状，并尝试预测它的发展趋势。与此同时，也共同探讨下其存在的问题。首先，让我们来简单地了解下纳米材料和纳米技术吧！一． 什么是纳米材料？
纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。
按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。
按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料。
按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。
按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等）。
二．什么是纳米技术？
纳米技术（nanotechnology）是指在0.1~100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。其实通俗的讲就是“use little things to finish the big work”。我们在分子原子这样的微小尺度上加工材料，得到一些新型的功能性的高科技产品，他们往往具有相比于一般材料更优良的性能，具有很高的实用价值和研究价值。而将纳米应用到测量等方面，又可以达到高精度的效果，比如扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)的发明等。另外还有：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等方面的应用。
三． 纳米技术的特异性质及其相关的应用。
1.纳米技术的具有的个性效应。
小尺寸效应是指：随着颗粒尺寸的不断减小，当进入纳米量级的时候，颗粒的光、声、电磁和热力学等物理性质将发生根本性变化的一类现象。比如磁性的纳米颗粒的矫顽力异常之高，而且其有很多应用，磁性车票、磁性钥匙、磁性信用卡等都是应用这一性质；又如纳米二氧化钛陶瓷一改传统陶瓷在室温下可弯曲，塑性形变可达到100%，这就克服了传统陶瓷性非常脆的弱点。
量子尺寸效应是指：随着颗粒的尺寸进入纳米量级，电子能级也随之从连续转变为离散的，也就是量子化的了，而且能级间距也发生了分裂。这时纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能有了根本性的转变，例如实验结果表明，纳米银是绝缘体。表面效应是指：伴随着颗粒尺寸的不断减小，颗粒总的表面积大幅度变大，表面原子数急剧上升，与此同时，纳米材料的表面能也急剧变大，这种现象称之为表面效应。由于表面原子活化能大，所以它们具有非常高的活性，很不稳定，就更容易与其他物质结合。我们熟悉的现象：纳米金属微粒在空气中就能够燃烧。
宏观量子隧道效应是指：一些宏观量，例如量子相干器件中的磁通量、纳米颗粒的电导率、超微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应的现象。
2.纳米技术的特殊性质。
（一）力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。
（二）磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
（三）电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
（四）热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。
（五）光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。
（六）生物医药材料应用
纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。
纳米材料和纳米技术的现状： 一．国内的研究现状：
与国外相比,由于我们自身的某些特殊原因,国内对纳米材料的研究起步晚,确切的应该是20世纪80年代,到现在仅仅三十来年的时间,但在纳米材料其特异性能的诱惑下，在以中科院为龙头的引导下，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，并取得很多重大成果，使我国对纳米材料的研究在总体水平上达到国际先进水平，当然这些成就的取得得益于国家对纳米高端技术的高度重视，近年来纳米材料已经成为社会热点话题，纳米材料的应用研究正如火如荼地进行，我国已经进入了基础研究与应用研究并重的新局面。由于我国纳米材料研究方面已经取得的骄人成果，使我们的研究情况在国际上都占有一定的地位。目前，我国纳米材料研究资助项目，主要以金属和无机非金属材料主，占80%左右，高分子和化学合成材料是另一个重要方向，都有所突破。而纳米结构材料研究集中在纳米晶、纳米粉、纳米薄膜、纳米材料、纳米材料改性、增强增韧、纳米结构和纳米特性研究;纳米功能材料的重点领域为纳米信息材料、纳米环境材料、纳米传感材料、热电光磁环境下的特性研究。信息领域包括纳米信息材料、纳米电子学、纳米器件等，是材料、物理、信息相互交叉、促进的领域。生命领域主要集中资助生物材料及应用，如生物纳米传感、检测等。矿物和岩土介质中纳米颗粒的分布和形成机理及应用研究则是地球科学的主要内容。
二．国外的研究现状：
科学家很早就预言纳米技术将在21世纪科技舞台上扮演重要的角色。日本通产省政府与1990年做出资助两项十年计划的重要决定，分别是量子装置计划和关于原子技术的计划，因此日本也就成为了世界上大规模大投入研究纳米技术的先导国。日本的公司和研究所主要集中研究材料的加工和制造，包括先进的医疗诊断器械和微电子应用方面。纳米技术广泛而细致，包括如纳米颗粒的合成、加工，以及具有纳米结构的材料的制造等。目前，从总体实力上客观评价，在纳米材料合成和组装研究方面美国处于领先地位，欧洲和日本紧随其后；在生物方法以及其实际应用方面，美国和欧洲又要强一点，日本稍逊一点点；纳米分散和涂层方面美国与欧洲相近，日本的研究较晚一些，但日本在纳米装置领域和固体材料方面相当强悍，比美国、欧洲都先进。发展趋势
一．纳米材料的发展趋势
(1)纳米尺度。通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻更强的材料,并具有寿命长、维修费用低等特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的生物材料和仿生材料;由于纳米技术能使物质的物理、化学性能发生根本的改变,如纳米陶瓷硬如钢铁,而纳米钢却能像橡胶那样富有弹性等。所以,纳米技术被认为是21世纪材料技术的发展方向。(2)航天和航空。这方面的研究主要包括:研制低能耗、抗辐射、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。(3)国家安全。通过纳米电子器件在信息控制中的应用,使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应;用纳米机械设备控制,国家核防卫系统的性能将大大提高;通过纳米材料的应用,可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性有很大提高,可用于舰船、潜艇和战斗机等。二．纳米技术的发展趋势(1)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍,并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统。(2)环境和能源。发展绿色能源和环境处理技术,减少污染和恢复被破坏的环境;制备孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体,用以消除水和空气中的污染;成倍提高太阳能电池的能量转换效率。
(3)医学。纳米粒子将使药物在人体内的传输更方便,将来用纳米结构“组装”一种寻找病毒的药物进入人体后,可对艾滋病、癌症、病毒性感冒等进行治疗;在人工器官外涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;研究与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件等。
(4)生物。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等,在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能,生物仿生化学药品和生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗,测定DNA的基因芯片等。存在的问题： 一．社会危害
纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。二．健康问题
纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。
纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。三．环境问题
主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。四．社会风险
纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。
尽管到目前为止，纳米材料与纳米技术仍然是个饱受争议的话题，对人类的危害还是个未知数，但随着科技的发展,我相信这些问题都将会被妥善解决。纳米的应用领域将不断拓展,将会产生革命性的变革。预计不久的将来,纳米科技将深入到各行各业乃至千家万户,并将成为今后二三十年科技发展的主导技术。
[参考文献] [1]白春礼.纳米科技及其发展前景[J].中国工程咨询, 2000,(4):38-41.[2]夏秦海.纳米技术与环境保护[J].环境保护,2001,(3): 44.[3]张立德.纳米材料研究的进展与我国的对策[J].科技导 报,2000,(10):33-34 [4]百度百科
纳米制造论文 篇2
纳米银粉又称银纳米材料,由于其具有特殊的物理化学性质,在电子信息、太阳能电池、厚、薄膜集成电路、传感器、光电元器件等领域有着日益广泛的应用。在电子信息产业中,电子浆料是生产电子元器件的重要材料。银粉作为导电银浆的导电功能相,是用量最大而价格相对低廉的一种贵金属材料。科学技术的发展要求不断提高电子元器件性能的同时尽可能降低其制造成本,因此银粉的粒径细化和呈现片状形貌是达到致密平整印刷效果的最佳选择,这一点已为实践所证明。例如用厚度为纳米级的片状光亮银粉调制的低温固化型银浆,可用于制造碳膜电位器、圆形(或片状)钽电容器、薄膜开关、柔性电路、导电胶等,印刷线路平整,单位耗浆量下降,在低成本高性能方面效果显著。
关于纳米银粉的制造技术,国内外学者做了大量研究并形成多种工艺方法,如化学还原法、气相沉积法、电化学法、磁控溅射法、射线辐射还原法、激光消蚀法、高能球磨法[1]、微波法[2]等,其中,采用化学还原法制备超细银粉,再进行高能球磨,制得的具有纳米厚度的片状光亮银粉,具有较好的调浆印刷性能,且制造成本较低,适于工业批量生产。Z.T. Zhang等[3]以水合肼为还原剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为保护剂,成功制备粒径为50~10 nm且分散性良好的球形纳米银粉,工艺方法简便易行。
国产纳米银粉与国外同行业的著名企业存在差距,如德国狄高莎(Degussa)公司等生产的纳米银粉在粒度集中度和均匀性、调浆和印刷的工艺性、烧成及导电性能等方面均有尚佳表现,其产品在中国市场畅销多年。国内学者及科技人员对纳米银粉的制造方法、基本物理化学性能的检测及表征、调浆及烧成工艺、产品的附着力及导电性能诸方面做了大量的试验研究,使得国内纳米银粉的质量水平得到迅速提升。
2 影响纳米银粉晶体结构的主要因素
化学还原法制成的纳米银粉,其晶体结构主要受晶核的原型和缺陷,晶种的大小和数量,反应时间、温度、搅拌情况等因素影响[4]。
2.1 晶种
晶种的晶型结构及结晶缺陷,对晶体的最终形貌有很大影响。银是面心立方体,当晶种是单晶时,可以生产八面体、棱柱、立方体的纳米晶;当晶种是多孪晶结构时,未来的结晶体将成为球形、二十面体、十面体、五重孪晶纳米棒;当晶种含有堆垛层错结构时,未来的结晶将生长成纳米片。而晶种的生长受热力学、动力学等反应条件的影响[5,6]。
晶种数量越多,则生长活性基点越多,反应速度越快;外来晶种的添加可促进非均质成核。由于非均质成核所需的自由能小于均质成核所需的自由能,从而提高了成核速率,同样可以达到细化晶粒和提高反应速度的目的。
2.2 表面修饰剂
在晶粒长大的过程中,表面修饰剂,如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等会选择性地包覆在晶核外面的某些晶面上,一方面阻碍晶粒团聚,另一方面导致不同晶面的生长速度不同,使得晶粒生长的形貌得到控制,PVP是聚合物表面活性剂,其氧原子与Ag的[100] 面紧密结合,其他晶面的生长不受其影响。Y. Hey等[7]通过调节PVP/Ag NO3的比例,分别制备了三角形、线性、立方体的纳米银粉。
2.3 还原剂
还原剂的选择将影响生产效率,使用强还原剂,反应速度加快,晶核大量生成,容易产生各向同性的球形纳米银;使用弱还原剂,晶核生成速度减慢,当有修饰剂吸附于晶核的某些晶面时,导致其余晶面缓慢生长,最终生成各向异性的纳米银粉体材料或胶体材料;若依次采用强弱还原剂进行顺序还原,可以依次改变银纳米粒子的结晶形貌。X.Dong[8]在低温时采用硼氢化钠还原Ag+,生成小尺寸银纳米颗粒;在高温时用柠檬酸钠还原溶液中剩余的Ag+,使银纳米颗粒转变为三棱柱形纳米银粉。
2.4 反应体系
制备纳米银粉的反应体系有非水体系(多元醇)和水体系 。采用不 同的修饰 剂、稳定剂 、还原剂,严格控制反应条件,能够生成纳米银线、纳米银片、纳米银球及立方形纳米银粉体材料。A.Siekkien等[9]采用硫化物辅助合成法,在乙二醇中,以PVP作保护剂,还原Ag NO3,制得边长为25~45 nm的银立方体,其中硫化物或硫氢化物的加入缩短了反应时间,因为Ag S的形成降低了Ag+的还原电位,加快了反应速度,并且阻碍了孪晶的生长,使银晶种快速生长成为小粒径的纳米银立方体。在多元醇体系中,引入微量的Ce3+,可以除去孪晶,以单晶为主导;在多元醇体系中,引入Br-,可以去除多重孪晶,留下单晶和单孪晶晶种。
水体系是制备纳米银粉最常用的体系。D.Yu[10]等以传统的银镜反应路线,在十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)存在的条件下,加入适当浓度的银氨络离子、D-葡萄糖,在120℃密闭反应,制备了平均粒径(D50)为55 nm的立方体银粒子。反应中CTAB既是反应 剂 ,又是模板 和稳定剂 ,CTAB胶团引导Ag+成核并长成纳米颗粒。随着CTAB与[Ag(NH3)2]+物质的量之比的增加,银粒子的形状由球形转变为立方形。王悦辉等[11]在适量的银晶种和CTAB表面活性剂存在的条件下,在水溶液中采用抗坏血酸还原Ag NO3生成银纳米立方体。其中关键因素是控制反应体系中的CTAB浓度,以及Ag NO3还原反应速度、温度、反应时间等工艺条件。
3 制备纳米银粉的常用化学试剂
近几年国内外的专家学者对纳米银粉的制备技术进行了大量研究,工艺方法多种多样,从不同角度实现对纳米银粒子的粒径大小、结晶状况及形貌的有效控制,可以制备出一维纳米银线,二维纳米银片,三维纳米柱体、球体和立方体、多面体等。其中,采用化学还原法在水体系或非水体系(多元醇类)中制备纳米银粉是最经济适用的方法之一,适合于工业批量生产。所用化学试剂见表1。
4 纳米片状光亮银粉的制造技术
研究人员对纳米银粉的制造技术做了大量研究,其中以化学还原法加高能球磨法制备纳米级厚度片状光亮银粉最为经济适用。本文基于先前的研究成果,选择设计了一条符合短流程与绿色制造的工艺路线,并着重于低成本产业化生产。根据电子浆料的调制需要,制成厚度为纳米级的片状光亮银粉,可以替代进口。
4.1 化学还原法制备超细银粉
本研究采用化学还原法制备超细银粉,工艺过程如下:
(1)将外购银板(99.90%~99.95%)经刨成碎屑后,溶于硝酸制取Ag NO3,沉淀、过滤,蒸干备用;
(2)将Ag NO3溶于经离子交换处理的纯净水中,以10 kg Ag NO3为一批料,配制成200 L的水溶液;
(3)用无水碳酸钠(Na2CO3)水溶液匀速并搅拌加入Ag NO3水溶液中,沉淀出Ag CO3悬浊液;
(4)调节p H=7~8;
(5)溶液体积约为300 L,按Ag含量的适当比例向溶液中加入分散剂;
(6)用水合肼等还原剂的水溶液均匀加入上述溶液中,并匀速搅拌(还原剂的浓度,加入量及搅拌速度是关键工艺,决定着银粉析出的颗粒大小和形状,操作必须严格按工艺规程要求执行);
(7)将沉淀过滤的银粉进行去离子水清洗;
(8)真空干燥,将洗净的银粉在真空干燥箱内进行常温干燥;
(9)取样进行粒度、形貌测试,按规定进行测试D50和分散度,如有必要还可进行松装密度、振实密度、比表面积等性能的测试。
采用以上工艺制备的超细银粉,形貌如图1所示。
4.2 高能球磨法制备纳米片状光亮银粉
高能球磨能够细化银粉颗粒,并使材料变形储能,被广泛应用于材料加工和低温合金。在高能球磨机中,经过银粉与磨球的摩擦挤压和锻打,极易使银粉颗粒被碾压成片状,并呈现金属银的固有光泽。银晶体属面心立方结构,具有很好的延展性;球磨过程中或因加工硬化而进一步破碎,或因锻焊而形成大片。制得的纳米级厚度片状光亮银粉的形貌见图2。
球磨机的磨球可以采用不锈钢或硬质合金,最好是刚玉球,以减少金属污染。球径大小和配比、球料比、球磨时间和温度,以及采用干磨(空气、N2为介质)或湿磨(乙醇作润滑剂,或以醇类配成的悬浊液作润滑剂)均在工艺规程中严格规定。必要时还需添加分散剂,防止银粉发生团聚,有关工艺参数均需通过工艺试验根据产品要求作相应调整,编制作业指导书指导生产。
为了生产出具有纳米尺度(片状银粉厚度方向尺寸达到纳米级)的片状光亮银粉,原料银粉颗粒粒径必须控制在微米级及亚微米级,一般D50=0.2~5μm,根据产品要求而定,球形银粉的生产工艺也需作相应调整。生产出的片状光亮银粉,经无水乙醇清洗(如用钢球球磨还需经酸洗,以除去金属杂质污染),常温下真空干燥。经外观检查及产品规定的测试项目,合格产品包装出厂。例行实验还要作调浆、印刷、干燥、烧结和电路特性测试,完成稳定生产工艺的例行实验,保证产品出厂质量的一致性[12]。
5 结束语
(1)通过大量的试验研究,采用化学还原法—高能球磨法可以实现纳米片状光亮银粉的产业化批量生产。
(2)纳米片状光亮银粉是电子浆料的基本原料,颗粒均匀细小,厚度50~100 nm,径厚比10~20∶1,粒度分布集中,色泽均匀,产品广受用户欢迎。
(3)纳米片状光亮银粉的推广应用,在提高电子浆料的印刷质量、节约贵金属用量方面为广大用户带来了可观的经济效益。
摘要：本文在总结了纳米片状光亮银粉的制备技术发展概况的基础上,深入研究并实践了化学还原法—高能球磨法制备纳米片状光亮银粉的工艺技术,实现了批量生产。
关键词：化学还原法,高能球磨,纳米银粉
参考文献
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用纳米制造的药物“导弹” 篇3
对于癌症病人来说，化疗是除手术、放疗外，治疗癌症的主要手段之一。但大多数的化疗都会对患者造成极大的痛苦，患者在1～2个疗程后头发就掉得差不多了，每次化疗时吃什么吐什么，强烈的化疗反应让人感觉“生不如死”。原因就在于，化疗就像是用一些毒性极强的“毒药”毒死癌细胞。我们知道，是药三分毒，药物进入体内，总会不可避免地产生一些毒副作用，特别是对癌症患者，化疗在杀死癌细胞的同时，其副作用也是相当明显的，即给人体正常细胞组织带来严重的损伤，比如胃肠道，肝脏、肾脏、心脏等重要脏器基本都会遭殃。这种敌我不分的行为使人们对于化疗总是谈之色变。有没有一种方法可以使用最小剂量的药物产生最好的治疗效果，能不能只按人们的期望指哪打哪呢?于是，在众多患者的急切期盼，在全世界科学家的不懈努力下，像制导导弹一样的“靶向给药系统”应运而生。靶向给药的概念最早是在1906年首次提出的，就是想办法将药物按我们的希望选择性地分布于病变部位以降低其对正常组织的毒副作用，相对的，也就使病变组织的药物浓度增大，从而提高药物利用率。实现这一目标的关键在于有合适的载体系统。其中纳米材料以其特有的优点逐渐脱颖而出。特别是近几十年，纳米技术如同一场新的产业革命般席卷全球，在这股热潮的带领下，纳米级别的药物运载材料更是成为近年来国内外一个极为重要的研究热点。
制备纳米药物载体系统的材料基本都是高分子化合物，大体可分为两大类：一是人工合成的可生物降解的材料，就是人们采用理化的方式合成一些具有特定作用的聚合物体系，如聚氰基丙烯酸烷基酯、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等；二是天然的大分子体系，这是来源于自然界纯天然的材料，如天然的蛋白、明胶、多糖等，像近些年非常热的壳聚糖，广泛存在于许多海洋生物的甲壳中，以及昆虫和菌类的细胞壁中，是地球上储存量仅次于纤维素的最丰富的天然资源之一，而且本身也具有无毒、很好的生物相容性和可降解性等许多的优点。对于不同材料的选择主要依据的是治疗用途，所运载药物的外形和生物相容性等因素。无论是人工材料还是天然材料，进入我们身体后，材料本身都不会对身体产生伤害，可以与机体内的组织细胞和平共处，相安无事，而且随着时间的流逝，材料会慢慢被身体内的酶所逐步降解或者吸收，最后无影无踪。
纳米载体的优点
纳米载体最显著的特点——超微小体积，使其可以穿过严密的组织间隙，自由来往于人体最小的毛细血管，通过最难以逾越的血脑屏障——脑部毛细血管，阻止某些物质(多半是有害的)进入脑部血液循环结构。纳米载体甚至可以被细胞吸收，深入到细胞内部，对核酸、蛋白质等生命物质进行分子水平的治疗。当纳米载体进入体内后，可以被某些组织专一地吸收，实现前面提到的靶向性，减轻药物活性成分对其他器官的毒副作用，治疗这一组织系统的疾病。纳米粒的性质(如聚合物的类型、疏水性、，生物降解性等)及其所携带药物的性质(如分子量、电荷、与纳米粒结合的部位等)都会影响药物的分布。
这种靶向还仅仅是属于一种被动的靶向，依赖于组织和器官对纳米材料的吸收。但人们希望能够更好地控制纳米粒，按我们设计的路径和目的地来治疗疾病，于是人们对纳米粒进行了一些有益的改造，真正实现“指哪打哪”。比如近年来的研究热点：磁性纳米粒子，其基本原理是将药物和铁磁性物质(像四氧化三铁，三氧化二铁等)共包于或共分散于纳米载体中，静脉注射到体内后，在体外加一个外加磁场。就像我们儿时玩的游戏，将铁钉放在纸上，在纸下面用一块磁铁来回移动，让铁钉“跳舞”。在外加磁场下，通过纳米粒子的磁性导航，使药物定向移动到病变部位，达到治疗的目的。
纳米粒第二个优点就是对药物的缓释。我们经常在广告中听到“缓释胶囊”这个词，它可以让药效持续若干小时。简单地说，缓释就是让药物在体内缓慢地释放。纳米粒不但可以在体内保持长时间的循环’，从而延长药物作用时间，而且当其进入靶向组织后，药物才开始缓慢地从纳米粒内部释放出来。缓释的原因一方面是药物从内部渗透扩散到外部需要跨越纳米材料的阻碍；另一方面，机体对纳米材料的降解也是一个逐渐的过程。如果我们服用一般的药物，会在服药后的较短时间内体内形成较高的药物浓度，而过一段时间，药效则会显著下降，然而，采用纳米粒来运载输送药物，可在保证药物作用的前提下，大大减少服药次数，减少给药剂量，从而减轻或避免毒副反应，延长药物活性。总结以上两个优点，纳米粒的显著作用就是：将更少的药物更精准地运到更需要的部位，实现更长时间，更有效的治疗。
纳米载体的应用
纳米药物载体系统最有前途的应用之一是作为抗恶性肿瘤药物的输送系统。在化疗中如何尽可能地降低患者的痛苦，而不影响治疗效果，一直是困扰科学家的一个难题。纳米药物载体系统的闪亮登场则使人们看到了解决问题的曙光。将抗肿瘤药物与纳米粒相结合来进行治疗，因为肿瘤组织血管的通透性也较大，当以静脉给药的方式注射了纳米粒子后，纳米粒子能从肿瘤有隙漏的内皮组织血管中溢出而滞留在肿瘤内，从而延长药物在肿瘤中的存留时间，减少给药量和毒副反应。但这只是纳米药物载体系统对肿瘤作用的一个开始。通过对纳米粒的修饰改造，可以增强其对肿瘤组织的靶向特异性。比如用叶酸修饰的纳米粒，因为肿瘤细胞表面有大量的叶酸受体——就是专一吸引并接受叶酸的一种物质，其数量远高于正常细胞，利用这一特点，纳米粒便可以携带药物主动靶向肿瘤细胞。由于肿瘤组织的细胞活性加强，有较强的吞噬能力，于是，纳米粒在肿瘤细胞内部开始了积极的工作。
无毒、靶向、缓释、持久等纳米粒的优点都是其他输送体系所无法比拟的。纳米药物载体系统在医学领域，特别是在肿瘤的治疗方面得到了越来越广泛的研究，具有广阔的应用前景。但目前，我们对纳米技术的研究还刚刚起步，而对抗肿瘤药物纳米载体系统，也正在加强其实用性及商品化的研究，现在的大多数研究还仅处于体外和动物体内实验阶段，要想用于临床，还需要大量的研究和人体实验。令人欣喜的是，我们国家在纳米研究和开发上与发达国家基本上处在同一起跑线。我国卫生部纳米生物技术重点实验室研发的抗肿瘤药物——纳米载体系统治疗恶性肿瘤技术已取得显著成果，并开始逐步从动物实验阶段转入临床实验阶段。专家认为，在不远的未来，这种治疗恶性肿瘤的新疗法将会在医学临床广泛应用并有望征服一部分恶性肿瘤。可以预见，随着合成方法、分析设备的进一步改进，分析手段的加强及理论实践工作的进一步修正，纳米药物载体系统必将得到广泛的开发应用。
纳米制造论文 篇4
我眼中的纳米材料与纳米技术的未来
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我眼中的纳米材料与纳米技术的未来
摘要:
21世纪，纳米材料与纳米技术在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了我了解的纳米材料，包括其基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米技术的未来。
关键词： 纳米材料；性能；应用；纳米技术；
一、纳米材料
1.1纳米材料
纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。
对于纳米材料的研究包括两个方面：
一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；
二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料的纳米修饰与改性。目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。
1.2、材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。（1）纳米陶瓷
利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服
陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料（2）纳米粉末
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。（3）纳米纤维
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。（4）纳米膜
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。（5）纳米块体
纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
1.3纳米结构
以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的新体系。它不仅具有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性。
Gleiter认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量界面，晶界原子达15%一50%。可以利用TEM、X射线、中子衍射和一些其它方法来表征纳米材料及其结构。对于纳米材料晶界的结构有三种不同的理论:
[3]（1）Gleiter的完全无序说。这种假说认为纳米晶粒间界具有较为开
放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序，又无短程有序。（2）Seagel的有序说。有序说认为晶粒间界处含有短程有序的结构单元，晶粒间界处原子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的最低状态;（3）叶恒强、吴希俊的有序无序说。该理论认为纳米材料晶界结构受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化。
二、纳米技术
纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：
第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。
第二阶段(1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： •
纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，•
纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，•
纳米复合薄膜(0-2复合)。
第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。
三、纳米材料的基本性能
2.1力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强 度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。2.2热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。2.3电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。2.4磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
三、纳米材料的主要应用
借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。
3.1特殊性能材料的生产
材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1 200℃～1 311℃。复合材料的烧结 由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备 通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作 3.2生物医学中的纳米技术应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。
3.3纳米生物计算机开发
生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。
科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。
目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影
3.4新的国防科技革命 纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为
3.5其他领域
除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。
四、纳米技术的未来
20世纪80年代开始的纳米技术在90年代获得了突破性进展，其与医学的结合形成了新兴边缘学科———纳米医疗，即在分子水平上利用分子工具和已掌握的关于人体的知识，从事的疾病诊断、医学、预防、保健和改善健康状况等。在认识生命的分子基础上，人们可以设计制造大量的具有奇特功效的纳米装置，它们能够发挥类似于组织和器官的功能;它可以达人体的各处甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成畸变的基因修复、扼杀初发的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒、探测机体内化学或生物化学成分的变化、适时地释放药物和人体所需的微量物质、及时改善人的健康状况等特殊使命。纳米技术在医学领域中的普遍应用将使21世纪的医学产生一个质的飞跃。
经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。
纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从 历史的角度看：上世纪70年代重视微米 科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。
五、参考文献
纳米材料论文 篇5
【摘 要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的分类、特性以及纳米材料在催化、涂料、医药等领域的应用，并展望了纳米材料广阔的应用前景。
【关键词】纳米技术；纳米材料；分类；特性；应用；前景
一、纳米科技及纳米材料的涵义
纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
二、纳米材料的分类
按其颗粒组成的尺寸和排列状态，可分为纳米晶体和纳米非晶体。前者指所包含的纳米微粒为晶体，后者由具有短程序的非晶态纳米微粒组成，如纳米非晶态薄膜．
按其结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维的原子团簇和纳米微粒；一维调制的纳米单层或多层薄膜；二维调制的纳米纤维结构；三维调制的纳米相材料。
三、纳米材料的特性
纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与本体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应。
1、小尺寸效应指当超微粒的尺寸与光波波长，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，热力学等性能呈现新的尺寸效应。陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性和延展性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。
2、表面与界面效应指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。
3、当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。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，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的特性，称之为量子尺寸效应。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。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。
4、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。
四、纳米材料的应用
1、在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，主要是在有机物制备方面。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂或钮催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2、在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的非凡性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3、在医药方面的应用
21世纪控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。
纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质非凡是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。
五、纳米材料的前景
21世纪将是纳米技术的时代，纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
纳米科技论文 篇6
摘 要：纳米科技是近期发展起来的新兴科学领域,它正在化学、物理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成,而且不断有新的发现和突破。本文论述了国内外纳米科技研究现状，阐释了纳米科技发展的过程，同时阐述了纳米科技在工业、医学、通信等方面的实际应用。关键词：纳米科技；纳米材料；纳米通信引言
纳米技术是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界定为1～100nm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。2 中国纳米科技的研究现状
中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20世纪80年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982年发明的扫描隧道显微镜和1986年发明的原子力显微镜(是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入到实质性研究阶段。纳米科技的技术优势
在纳米研究快速发展的基础上,纳米在工业、能源、医学和环境等传统产业中的应用研究也愈加广泛和深入,推动着纳米科技自身的 1 / 3
发展和相关领域的技术进步,主要表现在:(1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新;(2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池,成为未来太阳能电池的主导;(3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料;(4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能;(5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力;(6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探测活细胞中的致癌毒素或追踪癌症药物的效用,可用于化疗监测;(7)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路迈出重要一步。纳米科技的广泛应用
5〃2 纳米科技将在医学更广泛应用
通过纳米级微型探测器可以大幅提高医学诊断和疾病检测精度,同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治疗目前基于发现肿瘤标志物并快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前景。
5〃4 纳米科技在未来通信技术上的应用
通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作用。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。
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参考文献
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纳米制造论文 篇7
【搜狐科学消息】据英国新科学家杂志报道, 大自然是一位聪明的化学家, 并不像仅在实验室烧瓶中进行冒泡反应, 而是通过酶和核糖体等细胞机械式地逐步构造分子。目前, 基于人造核糖体技术的快速发展, 人类化学家能够赶上地球25亿年来的生物进化, 纳米机械有朝一日将作为“蛋白质工厂”, 成功组装青霉素等抗生素。
核糖体能够与氨基酸结合在一起, 核糖体的一部分可以“读取”RNA (核糖核酸) 信息链, 它携带着构造氨基酸序列的代码, 期间另一部分核糖体可以获取所需的氨基酸。之后核糖体组装成为较长的蛋白质结构或者较小的缩氨酸。
为了模拟这一过程, 英国曼彻斯特大学戴维-利和同事使用环状分子螺旋体附加在一个由小型分子链构成的刚硬轨道上, 这个轨道上有3个氨基酸, 像一个较大惰性化学结构, 一个末端作为阻滞, 避免环状结构滑落。
添加一个氨基酸到这个系统来激活它, 导致环状结构沿着轨道移动, 直至其路径被第一个氨基酸分子阻滞。环状结构上的催化剂获取氨基酸并添加在环上, 之后继续完成它的“旅程”。
纳米制造论文 篇8
关键词：纳米技术与纳米材料；教学改革；教学实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0029-02
纳米科技是继信息技术之后，人类的又一次技术革命，在人类未来的生活中有着非常重要的影响，纳米科技包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米检测与表征等多种学科，是21世纪飞速发展的一门新兴学科，[1]它涉及到物理、化学、生物、电子、机械等多个学科，一个交叉性综合性学科。而纳米材料是整个纳米科技的基础，纳米技术则是整个纳米科技的灵魂，两者在纳米科技中相互交织，一起构成了纳米科技的主体，将会带动整个纳米科技发展。认识纳米技术与纳米材料将会是学生能够了解并跟上未来科技的发展，使学生能够对纳米这种新的科学技术有较为全面认识，开拓视野，扩展知识，从而能够让学生在今后从事纳米方面的工作打下良好的技术，所以很多高校在本科生中开设了《纳米技术与纳米材料》课程。《纳米技术与纳米材料》是一门交叉性综合性学科，涉及到物理、化学、电子、生物等学科的基础知识，而授课所面向的学生在这些技术知识方面存在不同程度的不足，在教学方面存在很大的难度；同时纳米科技发展迅猛，需要不断地更新纳米科学技术的最新进展。如何让学生能够全面地了解纳米科技，理解纳米科技中的一些基本原理，对纳米科技产生兴趣，并培养学生的创造能力和思考能力，这是授课中需要思考的问题。针对上述问题，需要对课程的内容安排，教学的方式方法，教学形式以及考核方面做出一些改进和补充。
一、教学内容的安排与更新
《纳米技术与纳米材料》这门课基本涵盖了纳米科技的整个领域，具有内容多，更新快，范围广等特点，且需要在规定的时间内将整个纳米领域讲授给学生，这就需要教学内容条理清晰，重点突出，逻辑性强，结合纳米科技的特点具有较强的创新性和启发性。在我校这门课所选用的教材为国防工业出版社的《纳米技术与纳米材料》（张志焜，崔作林著），该书主要以纳米材料为中心，介绍了纳米材料的制备、特性以及纳米材料的加工、表征手段，内容丰富，知识面广，介绍详细且深入，是一本较为全面的图书。但对于课程的授课对象——本科生以及学校的实际授课课时来说，这本书的还存在一定的问题，如学时较少，涉及的知识面较宽，书中涉及到的理论较为深奥，而学生的基础知识较为薄弱，且授课课时受限，因此导致学生很难接受教材中的知识，全面地理解书中内容。为此，需要将整个教材的内容重新规划，根据纳米科技领域中所涉及到的学科，故将这门课分为纳米基础及概况、纳米材料的应用、纳米材料的制备、纳米材料加工、纳米电子学、纳米机械学，纳米生物学，纳米的发展前景八个部分，这八个部分既相互独立，也相互联系。以这八个部分为主线，将纳米材料的制作，性能，原理以及应用通过总体介绍、分类介绍、综合讲述，全面地介绍纳米科技以及纳米材料的总体以及两者的相互联系。并且在实际授课中，需要言简意赅，重点突出，条理分明，前后贯通，对于纳米科技所涉及的知识尽量深入浅出，对于抽象的知识，通过比喻等方法，将其形象化，易于让学生接受。如讲授纳米电子学的时候，就需要将纳米材料有哪些特殊的电子学特性及优越性明确指出来，以提起学生的兴趣，随后介绍出为什么纳米材料以及纳米结构会出现这种特性，通过比喻等方法，形象化介绍纳米电子机理、机制。针对本科生基础知识薄弱，所以要尽量减少一些不必要的理论知识，并且重点介绍纳米科技中的方法以及思路，从而能够让学生既能够了解纳米科技，又能从纳米科技的发展中学习到纳米科技的创新思路，从而能够培养学生的创新精神和科学素养。同时针对纳米科技这一新兴学科不断发展的特性，适时、适当地开展专题课程介绍目前纳米科技发展的最新动态，从而能够让学生更多地了解目前纳米科技的科研动态，引导学生关注纳米科技的最新动态。希望能够通过这些内容的学习，从而能够使学生真正的了解纳米科技，掌握其中的基础知识，以及其中的一些实用基础，并拓宽知识面，养成科学、严谨、创新的基本素质。
二、课堂教学方式方法的改变
课堂讲授在教学中是一个非常重要的环节，如何有效地利用课堂时间，激发学生的兴趣、注意力，提高学生的学习能力在教学中一直是一个至关重要的问题。这就需要通过启发、诱导、提问、互动等方式，引起学生的注意力，让学生能够参与到课堂中，培养学生的学习自学能力。[2-7]在讲授方面需由浅入深、深入浅出，务必让学生能够理解课堂所讲述的内容，并根据学生的兴趣，引入一些相关感兴趣的内容，激发学生的学习热情和兴趣。这就需要在教学方式，以及教学方法上，根据课程自己的特点和学生的特点对课程的教学进行一些改革，充分利用多媒体教学，通过影像、板书、图片等方法将一些抽象的知识以丰富多彩的方式讲授给学生，同时，这种课堂的互动，通过提问，自发提问，以及课堂小讲演等方法，激发学生的学习兴趣以及自学能力，培养学生的基础素质。首先针对纳米科技教学内容的特点，其中第一部分纳米的基础及概况即导论将介绍整个课程大体情况，是一门课的开篇，这部分将总体介绍课程的特点，课程的结构，以及教学大致内容，纳米导论部分的讲授将直接影响学生对这门课的印象以及日后学习的兴趣。纳米科技已成为人们普遍关注的一个热点领域，并且已经有一部分纳米产品已经在军事，医疗以及日常生活中出现，并且展示出其独特的魅力，如在军工已经应用的雷达波隐身涂层，纳米衣物，纳米灭菌涂层等，由于纳米科技诞生不久，这些只是纳米科技在未来应用的冰山一角，而目前很多性能奇特的纳米材料以及纳米科技还在科学工作者的研究中，所以很多同学对于纳米科技的了解很浅，知其名而不解其意。针对这个现状，就要通过导论的讲授，让学生了解纳米科技的整体轮廓以及纳米科技的长远意义，使学生能够对纳米科技产生较为浓厚的兴趣。为此，对于导论的讲述需要分为四个部分，第一部分，首先要介绍什么是纳米，以及纳米材料和纳米科技的定义，并举一些纳米材料特例，第二部分介绍纳米材料与纳米技术所研究的范围以及构成，从而让学生能够了解纳米科技的整体雏形以及纳米材料与纳米技术在整个纳米中的关系，以及与传统学科之间的关系。第三部分为纳米科技的发展历程，第四部分为纳米科技的研究热点以及研究现状，结合科技和生活实例，并且配合丰富多彩的图像，引领学生进入纳米领域，让学生对纳米科技有一个直观全面的了解，同时激发学生的学习兴趣。同时在课堂上让同学举出自己所了解的一些纳米科技以及纳米材料，进行互动式讨论。让学生对纳米科技有一个较为深刻的印象。其次，利用多媒体教学中丰富的图片以及影像，直观地让学生了解纳米科技中的一些内容。图片以及视频以直观形象的讲授，让学生更容易了解纳米科技中的一些抽象难懂的内容。利用多媒体教学，可以通过文字讲解，配合形象的图片以及视频可以以多种方式相互配合，让学生了解纳米科技，并对其产生兴趣，同时丰富了教学内容。纳米科技日新月异，在纳米领域，不断有新的科技成果出现。针对这一个特点，对于纳米科技的授课，就需要不断地给学生介绍一些最新的具有价值的科技成果，从而能够对学生有所启发，培养学生的创新精神。同时通过学生参观纳米科技相关的科学仪器，组织学生进纳米材料实验室自己动手制备一些纳米材料，培养他们的科研和创新能力。另外，在教学中需要学生能够积极参与，通过讨论、上台讲解的方式将学生的思维、思想引入课堂，以互动的方式进行教学，能够让学生更加深入地了解纳米科技。
三、考核方式的改变
与基础知识课程不同，纳米科技是一门新兴的且实践性较强的课程，所以通过传统的闭卷或者开卷考试，让学生了解知识点对于纳米科技这门课不是非常适合。对于这门课程，需要注重学生的学习效果，学生的平时表现，平时成绩，学习态度，以及独立创新的素质养成，避免学生为应试而死记硬背，所以需要取消考试，以出勤（10），课堂表现（10），平时作业（20），书面调研报告（30），口头报告（30）的考查形式考核学生，培养学生良好的学习习惯。综上所述，在教学工作中教师应有效地掌握所学知识，激发学生的学习热性，引导学生养成良好的学习习惯，培养学生实事求是的科学素养，以及用于探索的创新精神。
参考文献：
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