纳米材料

纳米材料（精选12篇）

纳米材料 篇1

20世纪是物理学推动高新技术飞速发展的世纪, 人类已从控制与利用大量微观粒子系统的时代进入了控制与利用单个微观粒子的时代, 纳米技术是世纪之交发展起来的技术, 是在0.1-100nm尺度空间内, 研究电子、原子和分子运动规律和崭新的高技术科学。目前人们已制造了各种各样的纳米材料, 使人们的生活和工作发生了质的飞跃, 但许多人对纳米材料的认识和了解还不多, 下面我就分四部分来讲讲纳米材料的特点、研究进展和应用前景。

一、纳米材料的特点

(一) 纳米材料的概念

纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料, 其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度 (1-100nm) 限制的各种固体超细材料。1994年以前, 纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜, 现在纳米结构材料的含义还包括纳米组装体系, 该体系除了包括纳米微粒实体的组元, 还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体, 也就是说纳米材料包括:纳米微粒、纳米块体、纳米薄膜和纳米组装体系。1纳米=10-9米, 纳米是一种长度的量度单位, 1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度, 或者说1nm相当于头发丝直径的十万分之一。

(二) 纳米材料的特点

纳米材料的主要特点就是尺寸缩小、精度提高。纳米材料的重要意义最主要体现就是在这样一个尺寸范围内, 其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质, 或对原有性质有十分显著的改进和提高。导致纳米材料产生奇异性能的主要限域应有:比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等, 这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等的物理性质与常规材料不同, 出现许多新奇特性。如光吸收显著增加, 金属熔点降低, 增强微波吸收等。

(三) 纳米材料特性在几个领域中的体现

目前, 根据纳米材料的特性制造了一些复合型材料。如:纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍, 屈服强度高12倍。对纳米陶瓷材料, 提高断裂韧性, 降低脆性, 纳米结构碳化性硅的断裂韧性比常规材料提高100倍, 断裂韧性比常规材料提高4-5倍, 原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道, 扩散蠕变大大改善了界面的脆性。又如:高居黑点、低电阻的PTC陶瓷材料添加少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度, 致密度快, 减少Pb的发挥量, 大大改善了PTC陶瓷的性能。再如:具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻, 三氧化二铝陶瓷基板材料加入3%-5%的27nm三氧化二铝, 热稳定性提到了2-3倍, 热导系数提高10%-15%。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强, 寿命提高。

近年来人们根据纳米材料的特性又设计了紫外反射涂层、各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层。如:8nm的二氧化锡及40nm的二氧化钦, 20nm的三氧化铬与树脂复合成静电屏蔽涂层, 80nm的Ba Ti O3可以作为高介电绝缘涂层, 40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层等。

二、纳米材料的研究进展

(一) 纳米材料的初始研究

研究纳米材料已有30多年历史了。自30多年前物理学家诺贝尔奖金获得者理查德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告后, 就开始了纳米尺度领域的研究。费曼认为能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器, 而这小的机器又可制作更小机器, 这样一步步达到分子线度, 他的设想包括以下几点:1、如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针部那么小的地方。2、计算机微型化。3、重新排列原子。4、微观世界里的原子。

(二) 纳米材料研究的现状特点

从研究的内涵和特点大致可划分为三个阶段。第一阶段 (1990年以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体, 合成块体 (包括薄膜) , 研究评估表征的方法, 探索纳米材料不同与常规材料的特殊性能。对纳米颗粒的纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究对象一般局限在单一材料和单相材料。第二阶段 (1994年前) 人们关注的热点是如何利用纳米材料挖掘出来的奇异物理、化学和力学性能, 设计纳米复合材料, 通常采用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) 。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米复合材料的主要方向。第三阶段 (1994年到现在) 纳米组装体系, 人工组装合成的纳米结构材料体系越来越受人们的关注, 正在成为纳米材料研究的新热点。

三、纳米材料的广泛应用

纳米材料所具有的各种效应和其独特的性质, 使其在未来各种功能器件的应用中发挥重要作用。

(一) 纳米区域表征的仪器设备——扫描隧道显微镜 (STM)

STM是一种新型的表面分析工具, 能够操纵原子。扫描隧道显微镜是一个由电子计算机操纵控制的长探针, 它的一头变得越来越细, 到细的尖端就只有几个原子的厚度了, 利用探针和材料平面间的电流, 科学家可以用STM调度材料面上的原子, 通过调节电流的大小, 能逐个地把原子吸起来并放置到其他地方。

STM具有空间的高分辩率 (横向可达0.1nm, 纵向可达0.01nm) , 能直接观察到物质表面的原子结构, 把人们带到了微观世界。

利用STM可以对材料表面进行纳米加工, 包括对原子的操纵, 对表面进行刻蚀。1990年4月, 美国国际商用机器公司的科学家宣布, 他们用扫描隧道显微镜操纵氙原子, 用35个原子排出“IBM”字样。1991年7月, 该公司的研究人员又将单个或成团的硅原子移动到预定的位置上。据英国报告, 他们已研制出一种大小只有4纳米的复杂分子, 具有“开”和“关”的特性。最近我国用自制的STM在石墨表面刻写出线宽为10纳米的字符和图案, 为制高密度的存储信息元件和纳米尺度的电子元件提供了经验。

(二) 纳米材料在日常中的应用

有了纳米材料, 超大规模集成电路的结构越来越细微, 各种微型机器不断问世。1989年初, 美国一家医疗中心的外科医生在进行手术时, 将一个仅有针头大小的心动血压敏感器附在病人跳动的心肌上, 这个小小的敏感器上竟装着三个跳蚤型机器人, 其中的硅质齿轮和涡轮机细小得如同灰尘粒。6万台这样的涡轮机所占面积仅有1平方英寸, 人只有借助高倍电子显微镜才能看到它的外型和结构。

应用纳米材料, 可以将机器、电子计算机、机器人做得越来越小。美国麻省理工学院已研制出一台名叫摩西的仅有1立方英寸的微型机器人, 能对各类刺激作出反应, 在小角落里爬行。现在, 已能做出比衬衣纽扣体积还小的电子计算机, 用肉眼几乎看不见机器人, 手术刀只有头发的1%粗细, 不用开胸就可以进行心脏病手术。

四、纳米材料的前景展望

纳米材料的研究在世界范围内受到高度重视。美国真空学会成立了纳米科学与技术的研究部, 美国国家基金会把纳米科技列为优先支持项目。美国政府在财力困难的情况下也制定了纳米技术研究计划, 在机械、光学、电子学等领域选了八个项目来进行研究。日本制定的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米科技有关。

纳米材料的研究, 它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次, 即进入到原子、分子的纳米层次。纳米技术的核心是按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团, 制造具有特定功能的产品。美国Stsnford大学的K.Eric.Drexler曾预测, 在2010年到2020年间可能实现1个原子储存1位计算机信息, 据英国New Scientise杂志报道, 日本日立公司1993年12月份宣布, 已研制成在温室下工作的单原子存储芯片, 而且是一种非丢失性存储器, 和现有的存储芯片相比, 同样存储1bit信息, 新存储器的功耗只是前者的百万分之一, 面积仅为前者的万分之一。

纳米材料在信息、生物、医疗等方面的应用, 使人类认识和改造世界的能力有重大突破, 从而给国民经济和国家安全带来深远的影响。纳米材料是纳米科技的基础, 我国已有良好的基础。在此基础上要注重与产业化的结合, 尤其是传统产业结合, 积极吸纳企业的参与和投入。纳米技术的研究水平和应用程度标志着一个国家科技的总体水平, 对信息产业及社会、经济的发展关联很大。所以, 我们要加大投入, 快速发展。

纳米材料 篇2

材料工程

2010012014

夏春亮

纳米材料的制备方法

纳米制备技术是80年代末刚刚诞生并正在崛起的新技术，其基本涵义是：纳米尺寸范围(10-9～10-7m)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。由于纳米材料具有奇特的力学、电学、磁学、热学、化学性能等，目前正受到世界各国科学家的高度重视。

一、气相法制备纳米微粒

1.溅射法

此方法的原理为：用两块金属板分别作为阴极和阳极，阴极为蒸发用材料，在两电极间充入Ar(40～250Pa)，两极间施加的电压范围为0.3～1.5kV。由于两极间的辉光放电使Ar粒子形成，在电场作用下Ar离子冲击阳极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高，超微粒的获得量愈大。

溅射法制备纳米微粒材料的优点是：1)可以制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属；2)能制备出多组元的化合物纳米微粒，如A lS2，Tl48，Cu91，Mn9，ZrO2等；通过加大被溅射阴极表面可加大纳米微粒的获得量。采用磁控溅射与液氮冷凝方法可在表面沉积有方案膜的电镜载网上支撑制备纳米铜颗粒。

2.混合等离子法 硕研10级20班

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2010012014

夏春亮

此方法是采用RF(射频)等离子与DC直流等离子组合的混合方式来获得超微粒子。该制备方法有以下几个特点：

1)产生RF等离子时没有采用电极，不会有电极物质(熔化或蒸发)混入等离子体而导致等离子体中含有杂质，故超微粒的纯度较高；

2)等离子体所处的空间大，气体流速比DC直流等离子体慢，致使反应物质在等离子空间停留时间长，物质可以充分加热和反应；

3)可使用非惰性气体制备化合物超微粒子，使产品多样化。混合等离子蒸发法制取超微粒子有3种方法： 1)等离子蒸发法

使大颗粒金属和气体流入等离子室，生成超微粒子； 2)反应性等离子气体蒸发法

使大颗粒金属和气体流入等离子室，同时通入反应气体，生成化合物超微粒子；

3)等离子VCD法

使化合物随载气流入等离子室，同时通入反应气体，生成化合物超微粒子。

例如，将原料Si3N4以4g/min的速度流入等离子室，通入H2进行热分解，再通入反应性气体NH3，经反应生成Si 3N4超微粒子。

3.激光诱导化学气相沉积法(LVCD)LVCD法具有清洁表面，离子大小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀等优点，并容易制备出几纳米至几十纳米的非晶及晶态纳米微粒。硕研10级20班

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夏春亮

目前LVCD法已制备出多种单质、化合物和复合材料超细粉末，并且已进入规模生产阶段，美国的MIT于1986年已建成年产几十吨的装置。激光制备超细微粒的工作原理是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，在一定工艺条件下，获得超细粒子空间成核和长大。例如，用连续输出CO2激光(10.6um)辐照硅烷气体分子(SiH4)时，硅烷分子很容易发生热解反应：SiH4→Si(g)+ 2H2↑，热解生成的气相Si(g)在一定工艺条件下开始成核长大，形成纳米微粒。

激光制备纳米粒子的装置一般有2种类型：正交装置和平行装置。其中正交装置使用方便，易于控制，工程实用价值大，激光束与反应气体流向正交。激光束照在反应气体上形成反应焰，经反应在火焰中形成微粒，由氩气携带进入上方微粒捕捉装置。

4.化学蒸发凝聚法(CVC)这种方法主要是利用高纯惰性气体作为载气，携带有机高分子原料，通过有机高分子热解获得纳米陶瓷粉体。例如，六甲基二硅烷进入钼丝炉(温度为1100～1400℃，压力为100～ 1000Pa)热解形成团簇，并进一步凝聚成纳米级微粒，最后附着在充满液氮的转动的衬底上，经刮刀下进行纳米粉收集。此法具有产量大、颗粒尺寸细小、分布窄等优点。

5.爆炸丝法

基本原理是：先将金属丝固定在一个充满惰性气体(5MPa)的反应室中，丝的两端卡头为2个电极，它们与一个大电容相联结形成回路，硕研10级20班

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夏春亮

加15kV的高压，金属丝在500～800kA下进行加热，熔断后在电流停止的一瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，使熔断的金属在放电的过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下形成纳米粒子沉降在容器的底部，金属丝可以通过一个供丝系统自动进入两卡头之间，从而使上述过程重复进行。这种方法适用于制备纳米金属和合金粉体。

6.其他方法

近年来，由于纳米材料规模化生产以及防止纳米粉团聚的要求越来越迫切，相继出现了一些新的制备技术。例如，气相燃烧合成技术就是其中的一种，其基本原理是：将金属氯化物(MCl)盐溶液喷入Na蒸气室燃烧，在火焰中生成NaCl包敷的纳米金属微粒，由于NaCl的包敷使得金属纳离子不团聚。另一种技术是超声等离子体沉积法，其基本原理是：将气体反应剂喷入高温等离子体，该等离子体通过喷嘴后膨胀，生成纳米粒子，这种方法适合于大规模连续生产纳米粉。

二、液相法制备纳米微粒

1.沉淀法

包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH-，CrO2-，CO32-等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成的不溶性氢氧化物和盐类从溶液中析出，将溶液中原有的阴离子洗去，经分解即得所需的氧化物粉料。

2.喷雾法

喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的化学和物理相结合的一种方法。其基本过程包括溶液的制备、喷雾、干硕研10级20班

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夏春亮

燥、收集和热处理，其特点是颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米级到微米级，尺寸范围取决于制备的工艺和喷雾方法。根据雾化和凝聚过程，喷雾法可分为3种：

1)喷雾干燥法 将金属盐溶液或氢氧化物溶胶送入雾化器，由喷嘴高速喷入干燥室获得金属盐或氧化物的微粒，收集，烧成所需成分的超微粒子；

2)雾化水解法 将一种盐的超微粒子，由惰性气体载入含有金属醇盐的蒸气室，金属醇盐的蒸气附着在超微粒的表面，与水蒸气反应分解后形成氢氧化物微粒，经焙烧可获得氧化物超细微粒。这种方法获得的微粒纯度高，分布窄，尺寸可控，具体尺寸大小主要取决于盐的微粒大小；

3)雾化焙烧法 将金属盐溶液由压缩空气经窄小的喷嘴喷出雾化成小液滴，雾化温度较高，使金属盐小液滴热解形成超微粒子。

3.凝胶-溶胶法

此法的基本原理是将金属醇盐或无机盐水解，溶质聚合凝胶后，再将凝胶干燥，煅烧，最后得到无机材料。本法包括以下几个过程：

1)溶胶的制备 有两种制备方法： 一是先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经凝聚，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒。这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围内，因而可值得溶胶；二是由同样的盐溶液，通过对沉淀过程的仔细控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒沉淀，从而直接得到溶胶。

2)溶胶凝胶转化 溶胶中含有大量的水，凝胶过程中，使体系失硕研10级20班

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夏春亮

去流动性，形成一种开放的骨架结构。实现凝胶作用的途径一是化学法，即通过控制溶胶中的电解质浓度来实现凝胶化；二是物理法，即迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现凝胶化。

3)凝胶干燥 在一定条件下，使溶剂蒸发，得到粉料，干燥过程中凝胶结构变化很大。该方法化学均匀性好，纯度高，颗粒细，可容纳不溶性组分或不沉淀组分，烘干后容易形成硬团聚现象，在氧化物中多数是桥氧键的形成，球形凝胶颗粒自身的烧结温度低，但凝胶颗粒之间的烧结性差，块状材料烧结性能不好，干燥时收缩大。

4.湿化学法

湿化学法制备纳米粉末是目前公认的具有发展前途的制粉方法，也是实验室常用的手段。湿化学法的实验流程如下：

身手不凡的纳米材料 篇3

纳米（nm）是一种比微米（μm）还小的长度单位，1纳米等于1000分之一微米、10亿分之一米。而头发丝的直径为3万到5万纳米。

早在1959年，诺贝尔奖获得者理查德•费曼就畅想了纳米材料和纳米技术的未来。他在讲演中预言，将来人类一定能够把单个原子排列起来制造成物品，并指出：“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大地扩充我们获得物性的范围。”

纳米材料又称超微颗粒材料，由纳米粒子组成。在三维空间中，这些纳米粒子至少有一维是介于1～100纳米尺度的。这个尺度范围介于原子簇和宏观物质的过渡区域，既非典型的宏观系统亦非典型的微观系统，因此被称为“介观系统”。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子尺寸效应，从而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质与宏观材料有显著的不同。

纳米材料其实并不神秘。自然界中，蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿及骨骼、贝壳都是由纳米微粒组成的。人工制备纳米材料的历史有1000年以上，中国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成炭黑作为墨的原料和染料，就是最早的纳米材料。安徽的徽墨是从烟道里扫出来的碳颗粒，经过一遍一遍地筛选后得到的纳米级碳颗粒，制成的墨均匀饱满，写字力透纸背。更为有趣的是，中国古铜镜镜面的防锈层是由纳米二氧化锡颗粒构成的薄膜。

扫描隧道显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜以及场发射扫描电子显微镜技术的发展，让人们从真正意义上看到了组成物质的原子，使纳米材料的研究如虎添翼。纳米技术未来的目标是操纵原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。2l世纪，纳米技术与纳米材料同人类生活的关系会越来越密切。

下文中我将具体介绍几种代表性的纳米材料，使大家对其功能和制备技术有个初步的了解。

杀菌除污的二氧化钛纳米颗粒

二氧化钛是地球上储量十分丰富的矿物，在自然界以锐钛矿、金红石和板钛矿三种不同的结晶型态出现。当用波长小于388纳米的紫外光照射锐钛型二氧化钛时，它的表面能形成超氧离子自由基，这种自由基具有较强的氧化性，可在室温下与有害气体反应，从而使有机物和有害菌分解。二氧化钛抗菌防霉的机理是：由于其电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。对于细菌，二氧化钛直接攻击其细胞，致使细胞内的有机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。

二氧化钛的纳米颗粒由于相对表面积更大，光催化效率远远高于普通的二氧化钛粉末。然而用纯二氧化钛作为光催化剂，需要外加紫外光源照射，不符合节能的原则。于是，改变传统紫外照射催化的状况，力争使催化反应在阳光下就能有效进行，成了科学家亟待解决的问题。人们尝试了各种改良方法，如制造复合半导体，掺杂金属改性等等，来制备光催化活性较高的纳米二氧化钛。改良后的二氧化钛纳米颗粒，在自然光和常温常压下即可分解病菌和污染物，无二次污染，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。

一般常用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后，尸体会释放出毒素等有害成分。纳米二氧化钛能破坏细菌的细胞膜结构，彻底降解细菌，防止内毒素引起二次污染。纳米二氧化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染和杀灭细菌的同时，自身不分解、不溶出，具有持久的杀菌、降解污物效果。将二氧化钛粉体添加到陶瓷釉料中，具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿二氧化钛纳米颗粒表面用铜离子、银离子修饰后，杀菌效果更好，在电冰箱、空调、医疗器械等方面有着广泛的应用前景。

金红石型二氧化钛具有独特的颗粒形状、良好的分散性以及对紫外线较好的屏蔽作用，用于化妆品、防护漆等，可提高涂膜的抗老化性、耐冲刷性，并具有自洁功能。目前，金红石型纳米二氧化钛已经用于制造防晒霜和防紫外线雨伞。化妆品中只要含纳米二氧化钛0.5％～1％，即可充分防紫外线。

金红石型纳米二氧化钛颗粒所具备的优异的光催化效应，还可用于降解氮氧化物、硫氧化物等，有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气污染。其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，生成无毒的水、二氧化碳等。二氧化钛光催化剂还可用于无机物的脱毒降解，包括油烟气、工业废气、汽车尾气、氟里昂及氟里昂替代物的光催化降解。

纳米二氧化钛的光催化效应，还能用来处理有机废水。它能有效地将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚类、染料、农药等污染物进行除毒、脱色、矿化，最终降解为二氧化碳和水。将二氧化钛做成空心小球浮在含有有机物的废水表面上，利用太阳光可以进行有机物的降解，美国、日本利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行了处理。

防水防油防污的纳米布料

自然界的许多动植物都拥有神奇的“超疏水表面”。例如，水不能浸润荷叶，而是在叶面上形成水珠，在外力作用下可任意滚动。荷叶的这种“自清洁”效应，自古以来一直是个极大的奥秘。直到20世纪70年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及蜡状物共同引起的。此后人们用更加高倍的扫描电镜，观察到荷叶表面微米结构上还存在着纳米结构，这种微米与纳米结构的组合，才是引起荷叶表面“超疏水”的根本原因。

为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？ 原来，当固体表面有微小突起的时候，有一些空气会被“锁”在水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。

超疏水性在动物身上也存在。生活在池塘的水黾在水面上行动自如，不会沉没，其原因不仅是依靠分泌油脂产生表面张力效应，而且其腿部也存在特殊的微米-纳米结构。它的腿上有很多针状刚毛，直径在3微米到几百纳米不等。大多数刚毛的长度为50微米，与腿的表面以倾斜20度的方向排列。在每个微米级的刚毛上存在着很多复杂的纳米级沟槽，从而形成独特的分级结构，这种结构可使空气有效地吸附在微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，形成一层稳定膜，从而阻碍了水滴的浸润，宏观上表现为水黾腿的超疏水特性。

对荷叶、水黾的超疏水功能的研究，使人们产生了“二元协同纳米界面材料”这一概念。这种界面材料的设计思想是：当采取某种特殊的表面加工后，在介观尺度上能形成理化性质不同甚至完全相反的纳米相区，在某种条件下具有协同的相互作用，以致在宏观上呈现出超疏水性或者超亲水性。应用二元协同纳米界面理论开发出的纺织品，表面上相当于存在一层稳定的气体薄膜，水、油和污物无法与面料直接接触。水滴滴在面料表面，犹如水银珠在面料表面滚动；甚至水或油类液体泼于面料表面也不会浸入面料纤维中。水性液体只需倾斜或抖动面料，水珠即可脱离面料；油类液体用纸巾擦拭，面料表面也不会留有油渍污痕。该技术仅对面料的纤维表面进行了纳米界面处理和功能改性，纤维的内在结构和成分没有变化，因此面料原有的透气性、透湿量、牢度、色泽风格、弹力手感等均保持原样。

贵金属纳米催化剂用量少效果好

在化工领域，许多化学反应都离不开催化剂。催化剂的作用主要有三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，使反应向着预定的目标进行；三是降低反应温度。今天，纳米粒子催化剂作为一种新型催化剂，引起了人们的普遍关注，被称为第四代催化剂。研究发现，随着催化剂粒径的减小，其表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面，因而拥有了更高的活性和选择性。

催化剂种类繁多，其中贵金属固体催化剂占有重要的地位，锇、铱、钯、铂、铑、钌、钯等贵金属广泛应用于石油化工、精细化工、环保催化、生命及生物化学等领域。例如，银和金催化剂可用于氧化反应，铑催化剂可用于烯烃选择性加氢。由于贵金属价格昂贵，将其制成超细粉末，可以大大节省催化剂的用量，降低工业成本。同时，纳米级超细颗粒与反应物充分接触，大大提高了催化活性。例如，铂是高效的氢化催化剂，纳米铂粒子催化剂较之以往的铂丝或铂网催化剂，催化活性大大提高；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细铁粉可在气相热分解中起成核的作用而生成碳纤维；将金超微粒子负载在氧化铁、氧化钴或氧化镍中，70摄氏度时就具有较高的催化氧化活性。这些金属纳米粒子通常被负载于分子筛或其他孔型材料基质上，使其均匀分散，不仅能达到更好的催化效果，而且便于这些催化剂的回收利用。

最新的研究还表明，金属纳米粒子的不同的晶面，可以显示出不同的催化活性，如甲醇的氧化反应在铂（111）晶面比在铂（101）晶面上更容易进行。因此，人们将铂制成有更多（111）晶面暴露的纳米粒子，以利于反应的更快进行。

（作者单位：上海师范大学生命与环境科学学院）

纳米材料 篇4

一、一种硅铝酸盐矿物

埃洛石 (Halloysite, 常缩写为HNTs) 是一种硅酸盐矿物, 分子式可以表示为Al2Si2O5 (OH) 4·n H2O, n=0或2, 分别代表脱水和水化状态。埃洛石具有球形、片状和管状结构, 管状结构最为普遍[2]。分子中的硅酸盐组成埃洛石纳米管的管层, 管层向内卷二十几层形成管状结构 (如图1所示) [3]。管内径一般为15~100 nm, 管长一般为500~1000 nm[4], 层间距为10Å[2]。分子含有的水分子位于层间。在100℃下, 层间水分子可脱去, 脱水埃洛石纳米管的层间距缩小为7Å。这个过程不可逆。

二、独特的管状结构

埃洛石纳米管管层的内部结构如图2所示, 管层细分还可分为a, b两层[5]。a层中, 每4个O原子堆积形成1个四面体, Si原子填充在四面体中心, 形成以Si原子为中心的硅氧四面体 (如图2右上角所示) 。这种四面体上方的3个O原子分别与相邻的3个硅氧四面体共用顶点, 这样四面体之间彼此连接 (如图2上部俯视图所示) , 形成一个平面层。四面体的另一个O原子朝下, 参与b层的形成。b层中, 每6个O原子排列形成1个八面体, Al原子填充在八面体中心, 形成以Al原子为中心的铝氧八面体 (如图2右下角所示) 。每个铝氧八面体通过共用3条边与旁边的3个铝氧八面体连接, 形成铝氧八面体层 (如图2下部俯视图所示) 。a层中硅氧四面体向下的O原子与b层的铝氧八面体共用顶点 (如图2左侧下部所示) , 两层就这样形成一个完整的埃洛石层。在b层中每个铝氧八面体的下方, 有3个顶点上的氧连有H原子, 形成Al—OH羟基基团, 氢指向层间 (如图2左侧上部所示) 。

埃洛石纳米管就是由这种内含双层的片卷成的。层片弯卷时, 硅氧四面体在外, 铝氧八面体层在内。因此, 管外壁表面暴露的是O—Si—O基团, 管腔内壁表面暴露的是Al—OH基团 (如图1所示) 。管的层间, 一侧为铝氧八面体, 表面为Al—OH基团, 另一侧为硅氧四面体, 表面为O—Si—O基团。管边缘暴露出硅氧四面体和铝氧八面体中未共用的O原子, 分别以Si—OH和Al—OH基团形式存在。水分子通过氢键作用力而存在于管层内[2], 共存在水分子之间、水分子与硅氧四面体层的表面O原子之间, 以及水分子与铝氧八面体层的表面—OH基团之间的3种氢键。

这种中空、多壁埃洛石纳米管具有较大的比表面积 (比表面积指单位质量物质所具有的表面积) , 表面含有大量羟基和硅氧基, 边缘也含有羟基, 这些特点使其在物质的吸附运输、催化以及纳米反应器等众多领域具有重要的应用价值。以下举例介绍两方面的重要应用。

三、优良的吸附性能

埃洛石纳米管通过其外壁及中空管腔的大表面积, 以及表面羟基和硅氧基, 可以有效吸附物质, 例如有毒的有机污染物和重金属离子, 是一种很好的天然吸附材料[6]。

如果对埃洛石的表面进行修饰, 可以使埃洛石的吸附特性更佳。举一个研究实例[7], 用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (C16H33 (CH3) 3NBr, CTAB) 修饰埃洛石, 用于吸附Cr (VI) , 过程如图3所示。让埃洛石表面上羟基―OH与Na Cl反应, 使其转化为―ONa (如图3 (1) 所示) 。然后让―ONa中的Na+与大阳离子C16H33 (CH3) 3N+交换, 表面基团就修饰好了 (如图3 (2) 所示) 。由于Cr (VI) 常以阴离子HCr O4–和Cr2O72–形态存在, 嫁接在埃洛石表面的大阳离子C16H33 (CH3) 3N+对它们具有很强的静电吸引力, 因而有效地将Cr (VI) 束缚在埃洛石表面 (如图3 (3) 所示) 。

具体的实验方法[7]是将埃洛石纳米管放入1 mol·l–1HCl中, 室温下搅拌2 h后静置24 h。过滤, 用去离子水洗至洗涤水的p H为6。将此酸化的埃洛石放入1 m o l·l–1 N a C l溶液中, 室温下搅拌2 0 h后静置4 8 h。过滤、洗涤、干燥后, 得表面上羟基―O H转变为―ONa的埃洛石。取4 g这种埃洛石, 加入到200 m L浓度为0.014 mol·l–1 C TA B溶液中, 6 0℃下机械振摇12 h, 过滤、洗涤、干燥, 即得表面修饰CTAB的埃洛石。25℃下, 取0.5 g经CTAB改性的埃洛石, 加入50 m L 50 mg·L–1 Cr (VI) 溶液中, 振摇。5 min后, 测得每克埃洛石吸附Cr (VI) 的量为4.3mg (即清除率为90%) 。10 min后, 测得每克埃洛石吸附Cr (VI) 的量为4.4 mg (清除率为92%) 。

改性埃洛石可以多次利用。仍以上述实验为例, 每次使用完后, 将0.5 g吸附有Cr (VI) 的埃洛石加入50 m L某种洗脱液中 (洗脱液可以是含1 mol Na2SO4, Na Cl和Na NO3的溶液, 或同时含有1 mol Na NO3和Na OH的溶液) , 振荡1 h, 洗去吸附的Cr (VI) , 然后再用于吸附实验。经过5次这样的吸附、解吸附的过程后, 埃洛石依然具有60%的吸附活性。改性埃洛石可以快速吸附Cr (VI) , 并可回收利用的优点, 使它在去除废水中Cr (VI) 领域具有很好的应用前景。

四、广泛的催化应用

埃洛石纳米管自身具有优良的催化性能, 它的催化作用是通过其羟基酸性来实现的, 可以催化石油裂化、直链脂肪酸与醇的酯化等反应。

在催化领域, 目前埃洛石纳米管的一个热门研究方向是用作其他催化剂的载体。埃洛石纳米管可以通过其表面基团, 在中空管腔或外表面将某催化剂固定下来, 从而提高该催化剂的催化效率。例如, 酶这种生物催化剂, 催化效率高, 专一性强, 但是遇高温、强酸、强碱以及重金属盐容易失活, 使用寿命短, 并难以回收, 应用受到限制。用埃洛石纳米管将酶分子固定下来, 是解决问题的重要方法之一。

以固定α–淀粉酶为例。α–淀粉酶是生命体中专一催化淀粉水解反应的一类酶, 是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一[8]。在p H为6时, 它带有负电荷。而在p H低于8.5条件下, 埃洛石内表面的Al―OH可结合H+, 生成Al―OH2+, 使内表面带上正电荷[9]。因此, 控制适宜的酸度可使α–淀粉酶通过静电作用吸附在埃洛石管的内腔, 从而固定下来, 得到固定酶。举一个这种固定酶与游离酶活性对比研究的实例[10]。将固定酶和游离酶分别分散在p H为6.07的Na H2PO4–Na2HPO4缓冲溶液中, 4℃下振摇, 不同时间下取等分溶液测定酶的相对活性, 研究它们的储存稳定性。结果表明, 储存15天后, 固定酶还保留90%活性, 而游离酶已全部失活 (如图4所示) 。在反应过程中, 没有发现酶脱离埃洛石纳米管, 表明固定效果很好。

其他条件不变时, 改变温度 (50℃~90℃) , 振摇60 min后, 在冰水浴中迅速冷却并测定酶的活性, 研究固定酶的热稳定性。结果发现, 固定化使酶的耐热性大大提高, 80℃下固定酶只损失了19%活性, 而游离酶则损失了87%活性 (如图5所示) 。

此外, 游离酶的最佳催化温度为60℃, 固定化将此温度提高到了70℃, 表明酶可以在更高的温度下正常发挥催化功能。70℃下研究酶的再生效果发现, 固定酶经过连续7次循环后还保留56.2%的初始活性。

五、结束语

与碳纳米管相比, 埃洛石纳米管这种新型纳米材料具有独特的结构特点和明显的资源优势, 对它的研究已经成为国际材料领域的一个前沿和热点。目前该领域的研究还处于初级阶段, 许多问题需要解决。例如, 天然埃洛石矿物常常伴生有许多杂质, 纯度不高, 这限制了它在高科技领域的应用。又如, 在我国管状结构埃洛石矿物大多分布在南方, 北方储量丰富的矿物主要为非管状结构, 其利用受限。针对这些问题, 学者们提出了各种研究策略, 包括人工合成埃洛石纳米管, 将其他结构埃洛石矿物转变为管状纳米管, 利用埃洛石纳米管的表面羟基进行各种修饰, 等等。这些措施可望有效促进埃洛石纳米管在国防、电子、新材料、能源等领域得到更多的应用[1]。

参考文献

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[2]Joussein E, Petit S, Churchman J, Theng B, Righi D, Delvaux B.Halloysite clay minerals–a review[J].Clay Miner, 2005 (40) :383-426.

[3]Pasbakhsh P, Ismail H, Fauzi M N A, Baker A A.EPDM/modified halloysite nanocomposites[J].Appl Clay Sci, 2010 (48) :405-413.

[4]Yuri M L, Dmitry G, Helmuth M, Ronald R P.Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents[J].Acs Nano, 2008, 2 (5) :814-820.

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[6]传秀云, 卢先初.天然矿物材料降解有机污染物的应用研究[J].中国粉体技术, 2008 (14) :164-168.

[7]Wang J, Zhang X, Zhang B, Zhao Y, Zhai R, Liu J, Chen R.Rapid adsorption of Cr (VI) on modified halloysite nanotubes[J].Desalination, 2010 (259) :22-28.

[8]Vihinen M, Mantsala P.Microbial amylolytic enzymes[J].Crit Rev Biochem Mol Biol, 1989 (24) :329-418.

[9]Giuliano T, Iuliu B, Celso S F, Jose M F F.Modification of Surface Charge Properties during Kaolinite to Halloysite-7Transformation[J].J Colloid Interf Sci, 1999 (210) :360-366.

纳米材料论文 篇5

摘要：纳米技术是在10到100纳米尺度的空间内研究电子、原子和分子运动规律及特性。纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能。随着国际科学研究的发展，人们发现当物质达到纳米尺度以后，大约在1～100纳米这个范围空间。物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能的物质构成的材料，即为纳米材料。纳米材料是纳米技术的重要的组成部分。

关键字：纳米粒子，纳米材料，纳米管，磁纳米材料，纳米存储，纳米武器。

引言

现如今科学界普遍认为：纳米技术，信息技术与生物技术，是21世纪最有影响力的三大关键技术，不仅对人类社会的进步起到了重要的作用，而且对与促进各国经济、文化的发展起到了关键性的作用。纳米技术是现代高新技术的主要组成部分，它为许多特殊材料的制造提供了技术基础。目前，此项技术已经获得了巨大的研究成果，制造出许多高科技产品，但是也存在一系列困难和挑战。本文将讨论纳米科学和技术目前所获得的成果以及在新时期里发展所面对的困难和挑战。一系列新的方法将被讨论。我们还将讨论倘若这些困难能够被克服我们可能会有的收获。

1.医学方面的应用

目前，国际医学行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医学就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法，随着健康科学的发展，人们对药物的要求越来越高。控制药物释放减少副作用，提高药效，发展药物定向治疗，这些都必须凭借纳米技术。纳米粒子可使药物在人体内方便传输。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，尤其是以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滚动，因此可以用检查和治疗身体各部位的病变。利用纳米系统检查和给药，避免身体健康部位受损，可以大大减小药物的毒副作用，因而深受人们的欢迎。

2.在工程中的应用

纳米科技在混凝土中的应用。随着经济全球化的进一步发展以及我国经济建设的全面开展，混凝土作为建筑中应用量最大、使用范围最广的建筑材料，其产量和用量都在不断的增加。纳米科技的不断发展，为传统混凝土的改造提供了前所未有的广阔前景。应用纳米技术改造后的混凝土，不仅具有传统混凝土的特性，而且拥有了新的特性：

2.1净化环境的混凝土：将纳米技术应用于混凝土，从而使得混凝土具备了净化环境的功能，不仅可以有效的分解有毒物质和某些微生物，净化空气和地表水等，还可在空间和地面同时起到保护环境的良好作用。

2.2智能预警混凝土和在线修复混凝土：利用纳米技术，使混凝土在产生破坏前具有报警功能，可以有效的避免事故的发生，具有非常广阔的发展前景。

2.3弹性混凝土：利用纳米材料特性，可以提高混凝土的弹性和韧性，应用于建筑应用中可提高建筑物防震能力及其他相关性能。

2.4自我修复混凝土：当混凝土出现裂纹等缺陷时，通过纳米技术的机制，调动混凝土自身的原子微区反应，进行自我修复，延长工程寿命，提高建筑物安全性

3.在陶瓷中的应用

陶瓷不仅广泛应用于日常生活和工业生产中。由于传统陶瓷材料存在质地脆，韧性强度差的先天性不足，使得其在应用中受到了限制。纳米科技的发展改变了这一不足，纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点，使它们具有像金属一样的柔韧性和可加工性，这使得使纳米陶瓷材料的应用前景更为广阔。近年来国内外对纳米陶瓷的研究表明，在微米级基体中引人纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性大大提高2至4 倍，使最高使用温度提高400％一600％，同时还可使材料的硬度、弹性模量、抗蠕变性和抗疲劳破坏性能提高。

4.在化工方面的应用

4.1制造特殊性能的橡胶材料：在橡胶塑料等化工领域，纳米材料能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3和SiO2加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。

4.2超高活性催化剂：我们知道，当物体被多次分割后，表面积会不断增大。如果把化学催化剂分割到纳米量级，其比表面积（面积与质量的比）就会变得非常大，所以纳米催化剂可以大大提高化学催化效率。例如，纳米TiO2能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有利污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。

5.在信息产业的应用

5.1磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

5.2纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。5.3磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。

5.4磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。

6.军事领域的运用

6.1电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

6.2高强度防弹衣、武器外壳材料：碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。可用于制造超级防弹衣。

7航空航天领域的应用

7.1高强度，耐高温材料：细晶是目前唯一的一种既可以提高金属强度，又可以提高韧性的方法。在纳米金属材料中普遍存在着细晶强化效应，即材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，若把超微细陶瓷粉末引入金属基体（如向铝、铜、银、钢、铁等合金中引入SiC、Si3N4、TiN)可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。纳米氮化钛应用于合金钢、铁纳米TiN具有高硬度、耐高温、粒度小和分散好的特点。表面ZETA电位：-18.0mV，与金属具有非常优秀的结合力。在钢水结晶过程中成为晶核相，大大增加成晶数量和减少晶粒尺寸。达到细化合金晶粒的效果，改善合金性能的目的。晶粒越细，单位体积内的晶粒界面越多，由于晶界间原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱，因而位错密度较高，致使晶界对正常晶格的滑移位错产生缠结，不易穿过晶界继续滑移，变形抗力增大，表现为强度提高。由此可制造出高强度推进器，满足大型火箭发射需求。

7.2缓解树脂老化材料：树脂复合材料中加入一定量的SiO2后，可以强烈地反射紫外线，大大缓解树脂降解作用，从而延缓材料的老化。外太空的紫外线辐射非常强，将此种纳米材料涂于各种航天器表面可以大大延长航天器的寿命。

8.在制造电器元件的应用

8.1纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。

8.2巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（SQUIDS）等

8.3磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

9.纳米结构的制备

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和 build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down 方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）；“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。

纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up” 方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

10.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。⑴ 电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。

⑵ 聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。

⑶ 扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。

⑷ 多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。

⑸ 倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。

⑹ 与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。

⑺ 将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。

11.纳米制造所面对的困难和挑战

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80 nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV 的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。

对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100 nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

12展望

目前，已有不少纳米尺度图形刻制技术，它们仅有的短处要么是刻写速度慢要么是刻写复杂图形的能力有限。这些技术可以用来制造简单的纳米原型器件，这将能使我们研究这些器件的性质以及探讨优化器件结构以便进一步地改善它们的性能。必须发展新的表征技术，这不单是为了器件表征，也是为了能使我们拥有一个对器件制造过程中的必要工艺如版对准的能进行监控的手段。随着器件尺度的持续缩小，对制造技术的要求会更苛刻，理所当然地对评判方法的要求也变得更严格。随着光学有源区尺寸的缩小，崭新的光学现象很有可能被发现，这可能导致发明新的光电子器件。然而，不象电子工业发展那样需要寻找MOS晶体管的替代品，光电子工业并没有如此的立时尖锐问题需要迫切解决。纳米探测器和纳米传感器是一个全新的领域，目前还难以预测它的进一步发展趋势。然而，基于对崭新诊断技术的预期需要，我们有理由相信这将是一个快速发展的领域。总括起来，在所有三个主要领域里应用纳米结构所要求的共同点是对纳米结构的尺寸、材料纯度、位序以及成份的精确控制。一旦这个问题能够解决，就会有大量的崭新器件诞生和被研究。纳米技术是本世纪前20年的主导技术,纳米材料是纳米技术的核心,是21世纪最有前途的材料,也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战,纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向,但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究,以全面提高企业的技术水平和竞争能力,在世界民族之林树立中华民族的大旗。

参考文献：

浅谈纳米材料的应用研究 篇6

关键词：纳米材料；应用研究

前言：材料科学技术的应用范围广泛，是国民经济发展很重要的支撑，是航天、航空、国防、信息等高新技术进步和发展的基础。随着科技发展和科学进步的需要，材料的组成己开始由单一型向复合型、杂化型进行转化，颗粒粒径也由微米级向纳米级过渡。近些年来，纳米材料所具有的独特的化学和物理性质，给物理、化学、生物、材料、医药等学科的研究带来了新的机遇和挑战。因此，如何能够快速、简便、有效地制备出纳米粉体，正成为纳米材料的研究首先需要攻克的难题之一。

一、纳米材料的特殊性质

1.力学性质。纳米微晶材料有很大的表面积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，因此提高了材料的力学性能，由此可见晶界对于物质的力学性能有这重大影响。高韧、高硬度、高强度是结构材料开发应用的经典方向。具有纳米结构的材料强度会与粒径成反比，晶界纯度的提高和晶粒尺寸的减小，可以提高陶瓷类材料的反应活性及降低烧结的温度。纳米材料的位错密度比较低，位错的滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后的位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中的位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。据报道，不少纳米陶瓷和金属的硬度均高于普通材料的4-5倍以上。与硬度相对应，纳米销的屈服应力的强度也比普通的钯高出5倍。研究结果表明，纳米材料的弹性范围被大幅度展宽，屈服应力被大幅度提髙。

2.磁学性质。磁性金属和合金一般都会有磁电阻现象，所谓磁电阻现象就是指在一定磁场下电阻改变的一种现象。纳米多层膜系统的巨磁电阻效应会比普通磁头高出一倍以上，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。纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外界磁场间存在着近似的线形关系，可用作新型的磁传感器材料。r-Fe2O3高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数也比传统粗晶材料低得多，因此磁性比FeBO3和FeF3等透明磁体至少高1个数量级，而对红外波段的吸收系数要比传统的粗晶材料低三个数量级，即使有透光性略低的缺点，但可广泛在磁光材料、磁光系统中得到应用。

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型的粗晶材料，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企堵塞效应制成的纳米电子器件则具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点，由于纳米桂薄膜中存在着大量的纯净界面，其导电机制以晶粒界面陷阱模型为主要途径，类似于多晶薄膜的传导机制，纳米微晶材料的电导率明显地高于同成分的晶态或非晶态材料的电导率，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

二、纳米材料的种类

1.纳米微粒。纳米微粒是指线度处于1-lOOnm之间的粒子聚合体，它是处于该几何尺寸范围的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不局限于球形，还有片状、针状、棒状、网状、星状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时被称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好正处于这两者之间，所以又常被称作超微粒。

2. 纳米固体。纳米固体是指由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又可称作纳米结构材料。

3.纳米组装体系。由人工组装合成的纳米结构材料的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及其组成的纳米丝和管作为基本单元，在一维、二维和三维空间进行组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能按照人们的意愿进行设计，使得整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料学、化学和物理学的重要前沿课题。

三、纳米材料的应用现状

1.在催化剂方面的应用。纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数也大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子的配位不全等导致表面的活性位置增加。纳米颗粒因表面积大、表面活性中心多等优势，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。纳米粒子用作催化剂，可大大提高反应效率、控制反应速度，甚至使得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会提高10-15倍。纳米微粒作为催化剂应用的较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物的制备方面。

2.在精细化工方面的应用。精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多、用途广泛，并且会影响到人类生活的方方面面。纳米材料在性能上的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示出它的独特魅力。在塑料、棵胶、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米Si02，就可以提高橡胶的抗紫外辑射和红外反射能力。普通橡胶中加入纳米Al2O3和Si02，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且其弹性也明显优于其他用白炭黑作填料的橡胶。在塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的韧性和强度，而且其致密性和防水性也会相应提高。纳米管在作纤维增强材料方面也有着潜在的应用前景。

3.在传感材料方面的应用。纳米粒子具有高活性、高比表面积、特殊的物理性质及超微小性等特征，是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳米粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化，因此利用其电阻的显著变化可做成传感器，其特点是灵敏度高、响应速度快、选择性优良。

四、结语

纳米材料是一种新型的材料，它具有广阔的应用前景。研究表明，纳米材料有其独特的结构和性质，具体表现在：一是有体效应，即由于纳米级的材料体积小、质量轻；二是有表面和界面效应，即由于组成纳米材料的基本单元的微粒子表面原子的不稳定性和纳米材料的界面组成的气体样结构而引出的效应。这两种效应互相影响、互相制约，某一种具体的宏观特异性质可能会是二者共同作用的结果。

参考文献：

[1] 漆宗能，尚文字.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践.[M].北京：化学工业出版社，2002.

纳米材料市场发展趋势 篇7

该公司指出, 经济衰退对汽车、建筑和部分电子行业影响最大, 但预计对健康护理和生命科学不会造成太大影响。在纳米材料中, 由于碳纳米管和陶瓷纳米颗粒较多地应用于汽车和建筑行业, 因此受经济衰退的影响较大。在纳米中间体中受经济下行影响最大的, 则是纳米复合材料和涂料领域。

分析指出, 与美国和欧洲相比, 组合纳米技术的产品销售额在亚太地区增长较快。美国和欧洲占所有纳米材料销售额的2/3以上, 但到2015年这两个地区所占的市场份额均将下降2%~3%。导致这种趋势的主要原因, 是亚太地区汽车工业发展较快, 该地区纳米材料销售额将增长5%。

纳米材料在环境领域的应用预计将强劲增长。从事市场研究的bcc公司预测, 2008~2014年, 纳米技术应用于环境领域的市场规模年增长率将为61.8%, 销售额将从2008年的11亿美元增长到2014年的218亿美元。

巴斯夫是开发用于印刷电子等领域纳米材料的领先企业, 该公司与工程电子设备制造商德国heidel berger druck maschinen公司和darmstadt科技大学合作, 开发出应用于柔性电子部件的一系列工艺, 他们开发的许多产品都基于纳米颗粒功能材料。该联合体将在3年内推出第一款印刷有机电子纳米产品。

此外, 巴斯夫还与比利时纳米电子研究集团imec公司拓展研究领域, 联合开发用于半导体工业的化学品。巴斯夫-imec联合体开发了选择性清洗解决方案, 可减少生产22纳米芯片所需的步骤, 联合体的第一款产品将于2011年上市。该公司还开发出应用于氢气贮存的纳米立方体等。

赢创工业公司是致力于纳米材料开发的又一重要的化学品制造商。该公司用纳米材料新技术改进诸如光伏和电池产品, 以及表面处理、汽车电子、催化剂、陶瓷和复合材料等。赢创工业公司推出的一个很有发展前景的解决方案是, 将柔性纳米陶瓷分离器应用于混合动力汽车和电动汽车用高性能锂离子电池。

《纳米材料》教学研究 篇8

在综合考虑我校师资力量和学生基础知识水平的情况下,笔者结合长期的教学实践,从《纳米材料》课程教学内容的选择、教学方法和手段的创新、理论教学和实践教学相结合、成绩考核方式等几个方面对《纳米材料》课程建设谈几点思考。

1 教材建设及教学内容的选择。

纳米科学与技术的研究对象交叉十分广泛,涉及很多学科,内容广泛、内涵丰富。对于材料类学生,开设《纳米科学与技术》课程要以介绍纳米材料的相关知识为主。只有内容丰富,体系逻辑严密,难易繁简适当,并且符合教学规律以及学生认知规律的教材才能全面提高教学质量,促进学科和专业建设,目前教材以自编教材为主。

我校材料科学与工程学院是在青岛科技大学纳米材料研究所的基础上经过二十年发展起来的,学院不少老师的科研都与纳米材料相关。本院1999年已经开展《纳米材料》课程,属于专业必修课程,有64学时。要想在有限的学时内完成教学任务,优选精讲、重点突出尤为重要。为了让学生更好地掌握纳米材料的知识,我们对教材中教学内容的重难点进行了针对性筛选。纳米材料课程的课堂教学内容应主要包括:纳米粒子的基本理论;纳米材料的结构和基本效应;纳米材料特殊性质;合成和制备方法;应用及前景。同时通过课外交流或推荐相关课外书籍、文献等方式来满足优秀学生的要求。另外,需要安排时间来给学生介绍一些纳米结构和纳米材料领域前沿的研究成果和应用。这方面的成果更新速度很快,这就要求教师能够与时俱进,不断提高和完善自我知识水平,使学生能够学到前沿的科学知识,为将来从事纳米材料方面的工作和学习打下良好的基础。从前几届毕业的学生反映的情况来看,确实收到了不错的效果,这门课是学生收获较大的专业课程之一。

2 教学方法的探索与创新

《纳米材料》课程涵盖面广、信息量大,单一的教学手段很难满足该课程的教学需求。笔者对教学方法进行了一些尝试。

2.1 用实例启发教学

由于专业课程本身的特点,学生学习时很容易感到枯燥乏味、内容呆板、理论高深、实践空洞,因此,授课切忌照本宣科。要多联系一些学生感兴趣的实例,启发学生去主动思考,激发学生学习的积极性,最大限度的调动学生的主观能动性。例如,在讲解团簇概念时,可以用胚胎的发育进行类比;在讲解光学性质时,给学生提小问题,让学生去思考。例如:对于常见的金属(金、铂、铜和铁等),都知道它们具有不同的颜色,这是常识。当这些大块金属被细分到一定小的尺寸后,颜色和块体的不同,金从原来的黄色变成了红色,银白色的铂金变成了黑色,美丽的紫铜也变成了黑色。为什么会出现这种奇异的现象?在讲解磁学性质时,首先提出生活在佛罗里达的海龟靠什么导航来实现几万里的迁徙?然后,引导学生思考其头部里的磁学纳米粒子具有什么样的磁性?借此引起学生的思考。

2.2 多媒体和板书相结合

纳米材料的发展日新月异,理论知识更新很快。在教学过程中,教学方法和手段也应该与时俱进,帮助学生更好地学习,从而提高教学质量[4]。由于纳米材料主要的研究对象是材料的微观领域,单靠语言与文字的描述,学生很难理解。应用多种媒体课件,教师对教学内容进行调整和更换非常方便,还能通过链接等多种方式引入丰富的动态学习资源,做到图文并茂、有声有色、生动形象,特别适合本课程的教学特点。通过这种方式调动学生的好奇心,在轻松愉快的环境中,把知识不知不觉地传授给学生。例如在引入纳米材料的概念时,从同学们熟知的蜻蜓为起点,不断放大这只蜻蜓,看到蜻蜓复眼的结构,将学生带入一个奇妙缤纷的纳米世界。碳簇如C60、C70等的结构也非常奇特,学生看到其结合模型后非常感兴趣。在化学气相沉积中,讲解气液固生长机理时,将拍摄的碳纳米管的实时生长的视频给学生播放,使学生对这种生长机理印象深刻。多媒体教学的最大优点是:信息量大、教学效果生动形象、可以实现抽象问题的直观表达。然而由于多媒体教学速度比传统的讲课快,学生跟不上记笔记,课后容易忘记。板书具有示范性、直观性和简洁性等特点。这些特点使板书成为重要的、很有效的教学手段。在每节课的知识点和难于理解的地方,将多媒体教学与传统的板书授课方式相结合,提升教学效果。

2.3 互动式教学

采用多种途径实现师生交流,发挥学生的主体作用。(1)调查问卷:主要针对教学内容、教学效果设计了调查问卷,特别鼓励学生对教师教学中的不足提出意见和建议。收到的有效问卷中,不少学生的建议非常中肯。例如:有学生提出应多介绍些纳米材料的应用,如日常生活中哪些是与纳米材料有关的,有同学提出应该多安排些实验内容等。(2)让学生动脑:课堂提问不但是教师获取反馈信息的一种方法,也是学生了解自己有关学习信息的一种手段,并有助于学生集中精力,跟上教师讲课的内容、节奏和思路。(3)布置作业:批改作业是高校教师检查学生学习状况、取得反馈信息的重要途径,也是促进学生自我提高学习能力的手段。

2.4 理论和实践相结合

《纳米材料》课程专业性和实践性很强,课程实验对学生理解和掌握纳米材料的基础知识具有重要的作用[5]。我们学院结合理论教学内容,开展一些合成实验,如气相蒸发法、沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、还原法和模板法等典型物理化学制备方法的验证实验。这样不仅培养了学生的学习兴趣,而且加强了对课程内容的理解,能够让学生更加深刻地掌握纳米材料的知识。针对一些能力较强的学生,我们还设计了具有开放性、创新性和综合性的课程实验,让学生由被动变为主动学习。

2.5 学生参与教学的形式

《纳米材料》课程中的应用及前景这部分内容比较零散,除了穿插在课堂内容中以提高学生的学习兴趣外,笔者在教学过程中尝试了一种教学手段,取得了较好的效果:在讲解了纳米材料的性质后,给学生们布置了一个小论文,要求学生结合性质以纳米材料的应用为题撰写小论文,要求学生尽量加入自己的见解,着重培养学生自身分析问题和解决问题的能力。分组进行讨论后,每组选一个学生亲自上讲台讲解,让学生参与教学。通过此途径一方面培养了学生语言表达能力、自学能力、独立思考能力和综合分析能力。另一方面,他们亲身经历查阅文献资料,对资料进行收集、整理和总结,做课件或写讲稿,直至最后站在讲台上进行内容讲授等一系列的过程,提高了学生利用图书馆、网络等资源的能力,主动地接触了许多关于纳米材料的前沿知识,加深了对课程的理解和兴趣,提高了学生独立完成任务的能力,熟悉了科技论文的写作方法,为今后的科研工作打下一定的基础。另外,学生体验了此过程的复杂与繁琐,了解到教师在课堂上所讲授的内容是通过花费大量的时间和精力来完成的,学会尊重教师的教学成果,提高学习的自觉性。增强学生在课程建设中的归属感和主动意识,发挥学生的主体作用。学生参与教学法不但加深了他们对课程内容的理解,而且培养了他们的综合能力,这种教学方法深受学生的欢迎。

2.6 突出科技思维、培养创新意识

纳米科学技术也是在前人大量的科学研究基础上不断积累而发展起来的。从我国古代习字作画用的墨到现在的形形色色的纳米微粒,从最初对胶体溶液性质的认识到现在溶胶-凝胶制备技术的诞生,从众多纳米科技工作者的默默工作到诺贝尔化学奖的获得,诸多事例表明,只有历史的沉淀,才有今日的发展,没有空中楼阁式科学技术繁荣。在诸多历史事例中,有些具有典型的教育意义,如纳米材料C60的发现及对其结构的认识,充分显示了辩证思维在科学研究中的伟大意义。要指导学生在科学试验过程中注意一些特殊现象,并对其进行深入的理论分析,得到一些规律性的结论,在教学中逐步培养学生的科学思维能力、科学创新意识。

3 考核、考察方式的改革

考试只是检验学习效果的一种手段,并不是学习的目的。纳米材料是一门新兴学科,重点是培养学生的创新思维和分析解决问题的能力,因此本课程综合评价学生在整个课程学习过程中的表现,将学生的平时成绩、作业成绩、小论文成绩和期末考试成绩加权平均,作为学生的最终考核成绩。结果表明,这种不拘于旧形式的考试方式,充分调动了学生的积极性和创造性,不仅检验了学生对本课程知识的掌握,更是对学生综合素质与能力的检验。

4 结 语

在材料类专业中开设《纳米材料》课程是材料学发展的必然趋势。课程的开设有利于材料类专业学生掌握新材料发展的主要方向。学习这门课程,可以让学生对纳米材料和纳米技术增加了解,激发兴趣,提高创新意识,为学生毕业后从事纳米科技方面的工作奠定基础。同时让学生们知道:科学的发展中,还有许多未知的和未竟的事业需要他们去进行和完成,以激发学生的使命感和责任感。在《纳米材料》课程的教学过程中,教学内容的选择、教学方法和手段的创新等教学改革符合我院《纳米材料》课程教学的实际情况。在授课过程中,通过对课程进行设计,优化教学内容,采用板书与多媒体相结合、师生互动的形式,培养学生的兴趣,最大限度的调动学生的积极性,使学生不仅掌握纳米材料的相关知识,并能运用相关知识分析、解决问题,提高学生的综合能力。只有在教学实践中勇于创新,不断总结经验教训,与时俱进,才能促进教学质量的提高,培养出高素质的人才。

参考文献

[1]张立德.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2001:1-22,476-521.

[2]张邦维.纳米材料物理基础[M].北京:化学工业出版社,2009:1-14.

[3]徐国财.讲授前沿课程促进教学相长[J].化工高等教育,2004(2):93-95.

[4]刘玉芹,杜高翔,杨静.《纳米材料》课程教学内容与教学方法探索[J].中国科技信息,2008(3):210-211.

纳米材料 篇9

关键词：纳米,纳米材料,纳米技术,智能材料

材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质, 但不是所有物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命, 又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。新材料的出现以及材料科学技术的重大突破, 都会引起科学技术的重大变革, 都会加速社会发展的进程。纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域, 它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础, 许多科技新领域的突破都迫切需要纳米材料和纳米科技支撑, 传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。

1 纳米及纳米材料

纳米是物理上的长度单位, 用nm表示。1m等于10亿nm。l纳米相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说, 相当于万分之一头发丝粗细。长度单位主要有;光年、千米、米、分米、厘米、毫米、丝米、忽米、微米、纳米、埃。所以纳米是长度单位中非常小的单位。用肉眼是看不到这么小的长度, 所以必须利用显微镜才能观察到。纳米是一个长度单位, 本身并没有物理内涵。当物质颗粒大小达, 到纳米尺度以后, 大约是在lnm~100nm这个范围空间, 物质的性能就会发生突变, 出现特殊性能。这种既不同于原来的原子、分子, 也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料, 即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米, 而没有特殊性能的材料, 也不能叫纳米材料。第一个真正认识判定它的性能并引用纳米概念的是日本科学家, 他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子, 并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后, 它就失去原来的性质, 表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此, 像铁钴合金, 把它做成大约20nm~30nm大小, 磁畴就变成单磁畴, 它的磁性要比原来高1 000倍。80年代中期, 人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

2 纳米材料的种类

纳米材料分为纳米颗粒和纳米固体, 纳米颗粒 (颗粒的尺寸, 一般指直径不超过10nm最大不超过100nm) 也称超微粒。纳米固体也称为纳米结构材料, 由纳米颗粒凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维等统称为纳米固体。

3 纳米材料的制备方法

纳米材料的制备方法很多, 一般有物理的、化学的、机械的方法等等。最常见的方法是在惰性气体环境中采用凝聚技术制备纳米材料。制作过程就是将金属原材料置于一个电加热的蒸发皿中, 然后将蒸发皿放在充满惰性气体的密闭容器内加热蒸发。在蒸发皿的上部放置一个冷凝系统使得受热蒸发的金属原子 (或原子簇) 在冷凝器外壁沉积下来, 蒸发、冷凝过程结束后, 抽出惰性气体, 在真空状态下, 取下冷凝器上的金属微细颗粒。压制成块, 便得到这种金属的纳米固体材料。纳米材料制备技术迫切需要解决的问题是如何提高制备的速度和率, 降低成本, 尽快使纳米材料的科学技术转化为生产力。

4 纳米材料的奇异特性

在纳米量级内, 物质颗粒的尺度已经很接近原子的大小。材料的纯度越来越高, 缺陷却越来越少。因而, 纳米结构材料与普通结构材料相比, 在力学、磁学、光学、声学、电学、热学等方面都有很大差异。第一, 强度和硬度都有很大提高。例如, 由纳米的铁晶体颗粒压制而成的铁纳米结构材料与普通钢铁材料相比, 强度提高12倍, 硬度提高超过100倍;第二, 熔点降低。例如金的熔点为1 064℃, 加工成10nm左右的粉末的熔点降到940℃, 加工至2nm左右时, 熔点降到327℃;第三, 表面活性增强, 具有很强的催化作用。因纳米材料是由众多尺度很小的纳米颗粒所制成。表面积显著增大, 表面能也相应增加, 同时随着颗粒尺度的藏小, 颗粒表面的原子数占颗粒的总原子数的比例迅速增大。因此, 纳米颗粒的表面活性大大增强, 因而使材料具有很强的催化作用, 例如:在火箭燃料中添加少量的镍纳米颗粒。可以成倍提高燃料的燃烧效率;第四, 纳米颗粒对光有极强的吸收能力。例如, 金属纳米颗粒对光的反射率很低, 一般低于1%, 所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现为黑色。纳米颗粒尺寸越小, 材料颜色越黑。第五, 材料的磁学性能和电学性能与常规材料却有很大差别。很多在常规下导电的物质, 当制成纳米材料时就不导电了, 而不导电的物质在制成纳米材料后却能够导电。

5 纳米材料的神奇妙用

第一, 纳米陶瓷发动机。一般材料制成的发动机所能承受的温度比较低, 燃料因此不能充分燃烧, 不仅效率低, 造成能源的浪费, 而且会污染环境。陶瓷材料所能经受的温度比金属高得多, 因此纳米陶瓷发动机具有耐高温、效率高、燃料能充分燃烧、减少大气污染等优点;

第二, 纳米传感器。可用纳米材料制成光传感器、可燃气体泄漏报警器、湿度传感器等等;

第三, 可制成纳米微机械零件与微电子器件, 从而使未来的计算机、卫星、电视、机器人等的体积变得越来越小;

第四, 纳米催化剂。铜的纳米颗粒是冶金和石油化工中的优良催化剂, 在制造高分子聚合物化学工业的反应中, 铜的纳米颗粒催化剂有极高的活性和选择性;

第五, 纳米光学材料。纳米材料具有普通光学材料不具备的光学特征。因而在现代的光学通讯中有着许多重要的应用。用纳米材料制成的光纤材料可能降低传输光信号的损耗;

第六, 纳米机械—细菌大小的机器人。用纳米技术可以制成比细菌还小的机器人。这种机器人中的发动机, 依靠人体细胞中一种叫做磷酸腺苷的物质分子所驱动, 这种物质能够给细胞提供能量。可以用这种机器人来治疗心脑疾病;

第七, 碳纳米管的妙用。所谓碳纳米管是指一种栅网组成的胶带状的石墨薄片, 厚度只有一个碳原子大小, 大约在百万分之一毫米到百万分之十毫米之间。它具有极高的强度和柔软性以及极强的导电能力。主要用来制成人工肌肉、航天器的燃料储罐等等。

参考文献

[1]李春霞, 李立平, 酒金婷, 王柏华.纳米粒子的表面改性研究进展[D].第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集, 2002.

纳米材料改性涂料研发进展 篇10

光催化涂料

采用纳米二氧化钛进行光催化是一项正在蓬勃兴起的新型空气净化技术。它能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，达到从空气中清除这些污染物的效果。在当今世界性的环境污染问题越来越受到各国政府重视的情况下，这种技术已经成为西方各国高科技竞争中的一个热点。

目前，在光催化技术的理论研究方面，日本、美国、德国均投入巨资开展研究与开发工作，并大力推动其产业化，其中纳米光催化涂料已经用于医院、隧道、隔音墙和住宅等。在日本，大批公司正在这个新兴的技术领域进行角逐，其中最突出的品牌是ARC-FLASH光触媒，为日本光触媒涂料第一品牌，其功能受日本厚生省实验证明，效果获日本国土交通省认可，杀菌、脱臭、自净、防霉，可有效防止各种疾病的传染，杀菌率高达99.99%，迅速消除空气中令人不适的气味，除臭率高达99.8%。该类涂料可以用于各种场合的室内污染的治理且效果突出。

透明耐磨涂料

Nanophase Technologies公司将自己的纳米材料产品NanoTek氧化铝与透明清漆混合，制得的涂料能大大提高涂层的硬度、耐划伤性及耐磨性。应用此涂料比传统的涂料耐磨性提高24倍。涂膜性能如此大的提高主要归功于纳米氧化铝，该材料是非常硬的圆球物质，纳米尺寸的颗粒比传统的涂料添加剂使涂覆的表面更加均一。耐磨涂料可以制成水性或溶剂型，含有纳米氧化铝的透明涂料可广泛应用于透明塑料、高抛光的金属表面及木材和其他的平板材料的表面，提高耐磨性和使用寿命。

美国TritonSystem公司生产的NanoTufCoatings透明超耐磨纳米涂料，把有机改性的纳米瓷土加入到聚合物树脂基中制得，是传统耐磨涂料的4倍。这种耐磨涂料还具有隔热功能和优异的耐化学性能，可用作头盔的护目镜、飞机座舱盖和玻璃，轿车玻璃和建筑物玻璃等的保护涂层。

SDCCoatings公司直接将纳米Si O2及纳米金属氧化物溶胶用于耐磨透明涂料SILVUE系列产品，这种涂料还可以防紫外光和防雾化，已成功用于汽车、飞机、建筑物等的玻璃窗及其他透明度和耐磨性要求高、环境苛刻的场所。

汽车金属闪光面漆

国外将无机纳米材料用于涂料中的另一个成功例子是豪华轿车面漆。用纳米级二氧化钛与铝粉颜料或云母珠光颜料混合用于涂料中，其涂层具有随角异色性，从不同角度观察其反射光可看到不同的颜色。与闪光铝粉或云母珠光颜料并用于涂料体系时，能在涂层的照光区呈现一种金红色亮光，而在侧光区则反射蓝色乳光，因而能增加金属颜色的丰满度和视角闪色性。这使得该涂料在高档轿车涂料中很快得到推广应用，BASF公司、Silberline公司己能生产多种含纳米Ti O2的金属闪光面漆。目前已有福特、克莱斯勒、丰田等著名的汽车制造公司使用含Ti O2的轿车金属闪光面漆。

屏蔽涂料

在紫外光屏蔽方面，作为重要的光学颜料，纳米Ti O2的紫外光屏蔽特征一直受到广泛关注。纳米Ti O2粒子是一种稳定的无毒的紫外光吸收剂。将无机纳米材料与树脂复合制备的涂层涂覆在固体表面，得到纳米级“褥垫”可以缓解原子或分子簇的高速冲击。该技术可以用来制备纳米级表面涂层。美国NSR最近也提出了一个有关项目申请，其要点是研究含无机纳米化合物的涂料性能，通过精细分散控制，研究纳米粒子与树脂基体的界面相互作用，涂膜的阻透性、热稳定性、抗氧性、拉伸性和抗低温性等，为进一步研制用于飞机、太空及相关工业的高性能涂料提供依据，以大大降低维修费用。

纳米材料在包装中的研究现状 篇11

如今，随着纳米技术在科技领域越来越活跃，也广泛地应用到了包装领域中。纳米技术作为包装领域的新兴技术，研究其在包装中的应用，能够推动包装工业快速发展。纳米材料相比于普通材料，大大增强了食品的保鲜期限，满足了消费者对食品新鲜程度的需求，纳米包装材料还减小了物品在运输当中的安全隐患，有些纳米材料也应用在包装机械的部件中。因此，研究纳米材料在包装领域的应用，能改善包装领域的局限，完善包装领域的不足，满足人们的需求，方便人们的生活。

纳米包装材料

纳米包装材料是指通过纳米技术将分散相尺寸为1～100nm的纳米颗粒或晶体，与其他包装材料通过纳米合成、纳米添加、纳米改性等方式加工成为具备纳米结构、纳米尺度及特异功能的新材料。纳米包装则是指应用纳米技术，采用纳米复合包装材料，使包装具有超级功能或奇异特性的一类包装总汇。纳米包装改变了传统包装技术，通过有效地利用原子、分子赋予材料的新特性，改变包装材料的功能从而满足特种包装的需求。与传统包装材料相比，纳米包装材料具有良好的机械性、优异的物理化学性能、优良的加工性能以及环保性能。

纳米材料具有稳定性、可塑性、阻隔性，能够杀菌消毒、去除异味、降低食物中营养物质受自身酶的分解和空气氧化的程度，有效地保持了包装食品的新鲜度，延长了包装食品的保质期，同时可以降低食品中营养成分的流失。

1.纳米抗菌包装材料

纳米抗菌薄膜是在聚烯烃薄膜中加入无机纳米抗菌剂和增效剂，利用金属离子作用和光催化作用，使菌体变性或沉淀，遇水还可对细菌发挥更大的杀伤力，其吸附力和渗透力很强，此包装材料广泛应用于液体奶、饮料等无菌包装中。在尼龙66中掺入一种特殊的纳米黏土复合材料，改性后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有明显的杀伤效果，同时降低了生产成本，目前应用于食品等高档包装薄膜的生产。

日本某公司开发了以银沸石为母料的新型无机抗菌剂，其抗菌效果持续的时间长，不会对包装物产生影响，加工稳定性高，对环境无污染，广泛应用于熟食类、水产品和液体等食品包装。

2.纳米保鲜包装材料

水果蔬菜在包装过程中易放出乙烯，乙烯达到一定浓度后会加快水果蔬菜的腐烂程度，在包装材料中加入纳米Ag可以起到良好的保鲜效果，纳米Ag具有乙烯氧化催化作用，可以加速水果蔬菜释放出的乙烯，减少包装中乙烯的含量，使其保鲜。紫外线可使肉类氧化变色，破坏食品中的维生素和芳香化合物，降低食品的营养价值，纳米TiO2可以有效屏蔽紫外线，用纳米TiO2制成透明塑料包装材料可以有效地降低紫外线对食物的破坏作用，以保持肉类的新鲜。

例如在金针菇包装中加入纳米Ag和纳米TiO2，两种物质协同可以更好、更安全地发挥抑菌作用，并减少袋内乙烯的含量，从而调节金针菇的内部代谢和改善外部贮藏环境来发挥保鲜效果。将混合了纳米Ag、纳米TiO2和高岭土的纳米包装材料用于生菜的包装，由于纳米材料具有良好的阻隔性，能够有效地保持袋内较高的空气湿度，保证生菜在贮藏期间的质量，降低生菜中叶绿素酶对叶绿素的分解，延缓生菜酶促褐变，保持生菜的鲜嫩。

用天然活性陶土和聚乙烯混合制成的包装袋，可以过滤水果蔬菜在熟化过程中产生的气体和水分，使真菌不易在袋内生长，以延长水果蔬菜的保鲜期限。国内江南大学的陈正行等将纳米Ag、纳米TiO2、聚乙烯塑料、偶联剂、润滑剂、抗静电剂和稳定剂混合均匀后制成纳米保鲜膜，可用于盘菜的保鲜。采用纳米复合技术制成的新型纳米包装材料聚酶铵-6塑料，降低了氧气和二氧化碳对于包装的透过率，同时降低了水的透过率，用于香肠、火腿、泡菜等食品的包装，延长了食品的保质期。

气调包装是用自动混合保鲜气体（常为CO2、N2、O2）置换包装袋内的空气，并利用包装材料的透气性，使食品处于适宜的气体环境中，多用于肉类食品、果蔬、乳制品的等的包装，以延长食品的保质期。郭玉花等研制了纳米活性分子筛气调包装，以LDPE/LLDPE为基材，添加A型纳米活性分子筛，制成的保鲜包装膜，其拉伸和热封性能下降，撕裂性能上升，透气性和透湿性提高，对于果蔬的保鲜起到很好的作用。

3.新型纳米阻隔性材料

随着轻量化材料的应用，在塑料薄膜上真空沉积约50纳米厚的铝层，这种纳米薄膜材料可以应用于糕点、咖啡的包装。在玻璃包装容器中加入纳米有机硅烷，使用等离子技术或高温技术做表面处理，能够阻碍氧气、水、香气交换的通道，降低扩散率，从而保持了食品的香味和口感。

中科院化学所研究人员用PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）复合技术，将有机蒙脱石与PET单体加到聚合釜中，研制出PET纳米塑料（NPET），这种纳米塑料比普通PET瓶的氧气阻隔率提高20倍多，对二氧化碳的阻隔率提高7倍多，对水汽的阻隔率提高8倍多，用于盛装啤酒，能使啤酒达到4～5个月以上的保质期，保持了啤酒的新鲜口感。

F.M.Yang等人将聚乙烯纳米粉末与纳米Ag、高岭土、锐钛矿TiO2、金红石TiO2混合制成的新型纳米包装材料在4℃条件下包装草莓果实，因其具有较低的相对湿度、较低的氧气透过率和较高的纵向强度，能够有效阻隔氧气和水的透过，提供了一个低湿度的不利于真菌生长的环境，从而有效地抑制了草莓的腐烂，延长了草莓的保鲜期限。

4.防伪包装

纳米金属微粒呈黑色，具有表面活性高、比表面积大、对温度等周围环境敏感，能够吸收红外线等特点。当把这种纳米微粒加入到包装材料中，制成涂料或上光涂布在包装材料表面，人们可以利用光线或温湿度来鉴别商品，以达到防伪的目的。

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纳米复合变色防伪薄膜是将纳米材料与金属薄膜复合，形成AlSiO2为主体的多层复合薄膜，由于多层薄膜对光产生干涉作用，而使薄膜反射光的颜色随光反射的角度变化而变化，達到多层变色的目的，从而对商品进行防伪。在多层聚合物包装中填入带有内存信息的纳米塑料薄膜，制成的防伪塑料包装，在打开包装后，包装内部薄膜上会显示出商品的内存信息，用来防伪。

德国某公司研制出一种新型的光点全息图防伪包装标签系统，这种系统是利用激光束把微米大小的数据信息以光点的形式打入到标签中，通过识别光点在标签形成的全息图来鉴别商品的真伪，这种新型的防伪技术在标签生产和包装领域应用广泛。

5.防静电包装

纳米掺锑二氧化锡颗粒有良好的导电性、透明性、耐候性、稳定性及红外发射率低等特性，而且纳米金属、纳米掺锑二氧化锡颗粒还具有消除静电的作用，在包装材料中加入纳米掺锑二氧化锡颗粒，涂层的导电性可以明显改善，达到消除静电的目的。并且包装表面不会吸附灰尘，减少了摩擦造成的擦伤。因为材料表面无静电吸附现象，材料在印刷过程中能够提高印刷速度，获得更好的印刷效果。将0.1%～0.3%的纳米TiO2、ZnO、Fe2O3、SiO2、Cr2O3等粉体在造纸过程中掺入到造纸浆料中，由此制作的特种纸，能够耐摩擦、耐腐蚀、防水、防油、防锈，而且对静电产生良好的屏蔽作用，降低静电效应，提高包装产品的安全系数，可做高精密仪表电器、光洁度要求高的不锈钢材料、各种合金材料的包装衬纸。

6.军用包装材料

随着包装不断地发展，包装对特种功能的需求也不断增加，在军用包装方面，如防爆包装、迷彩包装、隐身包装、防雷达包装等新要求的出现，促使了纳米技术在包装中的进一步发展。

将4.7%的胶岭土材料与尼龙-6型聚合物混合，从而制造的纳米复合材料有较强的抗拉强度和抗弯强度，应用于军用包装中可以提高军用物品的抗变形能力、抗高温能力，能够使军用物品在运输中适应多变的环境，保证了安全性和抗击打能力。美国在20世纪80年代对雷管等火药用品的防爆包装进行了试验，研制出可注塑填充在包装容器内的防爆材料，这种防爆材料不仅能防止一个容器内的爆炸物发生爆炸，还能防止相邻容器内的爆炸物发生爆炸，具有吸收动力冲击波、多空、减震、重量轻等特点，在军用防护包装中得到广泛的应用。

7.韧性包装材料

玻璃容器和陶瓷容器具有无毒无害、密封性好、表面光滑等优点，在包装产业中占有一席之地，但玻璃和陶瓷还存在易碎易坏、不便于搬运的缺点，从而逐渐被金属包装取代。基于这样的特点，欧美一些国家将纳米粒子添加入普通的玻璃材料中，使其具有了韧性，减少了玻璃的脆性。

纳米SiO2应用在高分子包装材料中能够提高高分子材料的抗老化性、耐热性、抗冲击性、拉伸强度、阻气阻水性等，并且能与基体材料很好地结合在一起，增强了包装材料的韧性。孟祥胜等采用纳米SiO2对PVA薄膜改性，使PVA薄膜的耐水性提高了2.4倍。天津大学化工学院姜云鹏和清华大学邓国宏用正硅酸乙酯制备二氧化硅溶胶，再将其加入到PVA水溶液中，最后在玻璃板上进行涂膜，这种复合膜与普通PVA膜相比，力学性能有了很大的提高。

纳米材料在包装机械中的应用

纳米材料不仅在包装材料中有广泛的应用，也在包装机械中有较多的应用，能够提高包装机械的耐磨性、硬度、使用寿命等。

1.纳米陶瓷

纳米陶瓷正在取代金属材料用于食品包装机械的密封环、轴承等部件，纳米陶瓷具有高强度、高韧性、高耐磨性，且价格低廉、性能良好。它能够高供食品包装机械部件的耐腐蚀性和耐磨性，也可做表面涂层提高输送机械和沸腾干燥床等关键部件的性能。

日本公司利用纳米TiO2具有催化作用，将其用在玻璃或陶瓷表面，可以在光照条件下将附着在玻璃或陶瓷表面的油污、细菌等脏物质氧化成气体或容易清除的物质，从而研制的自洁玻璃或自洁陶瓷，用于制作食品包装机械的箱体，可以更好地除菌，便于清洁。德国研究所利用纳米硅基陶瓷防污防尘、耐刮耐磨、防火等特性，将其制成耐磨、不污染的透明涂料，将此涂料涂在塑料、玻璃等物体上，使塑料、玻璃具有耐磨损、防火、防脏的功能，可做表面涂层用于食品包装机械中与食品直接接触的部件。

2.纳米磁性材料

纳米TiO2和纳米SiO2能够制成多层干涉膜，具有较高的透光率和较强的红外反射能力，能够省电，可用于包装机械的红外线杀菌和干燥设备。纳米微晶磁阻抗材料由于具有良好的稳定性、线性度和较高的灵敏度，制成了纳米磁敏开关及传感器，提高了包装机械的自动控制系统性能。在高硬度耐磨涂料中加入纳米相材料，可以提高涂料的硬度和耐磨性，从而防止金属材料被腐蚀，并减慢复合材料的老化速度，具有较高的韧性。在表面涂层中加入纳米颗粒，可以减小摩擦系数，制成自润滑材料，作为包装机械关键部件的金属表面涂层，能够提高机械的硬度和耐磨性，延长使用寿命。纳米磁性液体利用适合的磁场，能够将磁性润滑油固定在所需机械的零件上，能够让机器在工作时降低噪声、减少材料损耗、控制温度。

3.纳米橡胶

橡胶在食品包装机械中用于食品真空密封部件，是食品包装机械中的原材料，其具有高强度、高耐磨性和抗老化性，但这些性质是由于橡胶中加入炭黑实现的，黑色的橡胶不适宜在食品包装中应用，因此，纳米橡胶材料能够解决这样的问题。纳米橡胶材料的性能较普通橡胶有了更大的提高，抗老化性能是普通橡胶的3倍，使用寿命能达到30年以上，色彩鲜艳，还具有很好的保色性。

纳米材料在包装中的发展前景

纳米材料作为一种新兴材料，人们对它的认识才刚刚开始，科学界目前只重视纳米材料优良功能的发现和新产品的研发，并没有注意到它的特殊性可能会对机体产生潜在的危害。目前没有专门的机构对纳米材料进行完整确定的安全测评，也没有足够的证据说明纳米材料是绝对安全的。科学界有必要对纳米材料通过食品包装对人体潜在的影响给予足够的关注，为食品包装中应用的纳米材料提供科学依据。同时，纳米材料对于包装机械来说，拥有昂贵的检测设备，纳米材料制备困难也对纳米包装材料的推广造成影响。

纳米材料在包装中已经有了广泛的应用和较为成熟的技术，因其具有良好的阻隔性、抗菌性、稳定性，已在食品包装中得到了较多的应用。笔者认为，纳米包装材料具有较低的透氧率、透水蒸气率和良好的阻隔性，还可作为茶叶、咖啡、调料品等食品的防潮包装。纳米包装已在食品包装、防伪包装、军用包装中有了一定的发展，在以后的研究中也会逐步取代普通包装应用于各种生活用品的包装中。纳米材料不仅可应用于食品包装材料、包装机械中，依据纳米材料小分子、轻量化、可降解等特性，也可应用于绿色包装，通过纳米改性技术向包装材料中加入纳米成分，可将原有的污染材料变成无污染材料，提高包装材料的分解能力和生物可降解性，达到环保的目的。

综上所述，纳米材料在包装材料中的应用已经较为成熟和广泛，在食品包装中能够起到良好的抗菌、保鲜和阻隔作用，尤其对果蔬的包装，降低了果蔬的呼吸率，能够最大限度地保持果蔬的新鲜程度，也延长了肉制品、奶制品这类保鲜期较短食品的保质期限。纳米包装材料提高了防伪包装的防伪性能，增强了军用包装轻便、防爆等性能，韧性包装材料减小了运输过程中对包装品产生的损坏。同时纳米材料在包装机械部件中也有应用，它能够提高包装机械耐磨损性、防尘污性、耐腐蚀性，延长包装机械的使用寿命。在未来，纳米材料还可能普及于绿色包装，提升包装材料的环保性能，对于未来纳米材料在包装工业中的应用，还有更为广阔的空间。

典型纳米材料的毒性研究 篇12

关键词：人工纳米材料,毒性,生态效应,环境效应

自从20世纪90年代人类发现富勒烯(C60),碳纳米管(CNT)等人工碳纳米材料以来[1],人工纳米材料凭借着其本身微小的尺寸和特殊的结构,具备了许多其他材料不曾拥有的理化性质,在材料化学、药学、生命科学、电子产业和能源产业等诸多领域被广泛应用。纳米技术是近年来迅速发展起来的前沿科技,具有广阔的应用前景[2]。

但随着人工纳米材料的大量使用,它们将不可避免地被释放到环境中,有极大的概率进入生物体内或者和生物发生接触,由此可能引起的生态风险引起社会各界的广泛关注[1]。许多顶级刊物也曾多次刊载过有关纳米材料对人体、对环境的毒性影响和潜在风险的研究报道的文章[2]。因此研究纳米材料在环境中的转化降解和生物毒性有着十分重要的意义。

本文结合了中外研究成果着重综述了几种典型纳米材料的毒性。通过文献查阅,对典型纳米材料的毒性和环境效应有了初步了解,并对未来的研究方向进行展望。

1 纳米材料

1.1 纳米科技

纳米材料是由纳米颗粒组成的具有特殊理化特性的一种新型材料。其组成单元纳米颗粒则是在空间上长度小于100 nm的微粒。在这个微观层面通过纳米颗粒组成新的具有特殊理化特性的材料———即纳米材料[3]。纳米技术就是在微观层面上,通过研究纳米颗粒的特性来制造纳米材料的技术[4],这是一门新兴的高速发展的科学技术。

纳米材料凭借着它微小的体积和本身的结构具备了其他材料不能比拟的反应活性和理化性质,在电子应用、磁学、光学、生物医学、药学、化妆品、能源、传感器、催化以及材料学等各个领域均有十分广泛的用途。在尖端科技领域有着不可动摇的地位的同时,纳米材料也为传统领域注入了新鲜的血液,推动了传统产业的进一步发展,因此纳米技术也在世界范围内发展迅速,受到了各个国家的重视[5,6]。

1.2 纳米材料的分类

常见的纳米材料的分类方式有以下几种:

根据纳米粒子在最终的纳米材料产品中的不同的存在形态,纳米材料可以分为纳米粒子、纳米块体材料和纳米组装体系;也可以根据纳米材料的空间形态将其分类为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料[7]。

纳米材料也可以根据维数分为三类:量子点、量子线和量子阱。量子点是零维纳米材料比如纳米尺度颗粒和原子团簇;量子线是一维纳米材料,常见的碳纳米管就是此类纳米材料,还包括纳米线纳米棒等;量子阱是二维纳米材料,如超薄膜、多层膜这一类纳米材料就是典型代表[5]。

此外,凭借纳米材料在环境中的多样的存在形式还可以将其划分为:1碳质纳米材料,如富勒烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管等;2纳米金属氧化物,如Zn O、Ce O2、Fe3O4、Cu O及Ti O2等;3零价金属材料,如零价铁、银、金等;4半导体材料,如各种纳米晶粒材料,量子点(QDs)等;5纳米型粘土矿物,如纳米型蒙脱土、高岭土、羟基磷灰石等[7]。

2 纳米材料的毒性

下面从纳米材料在环境中的存在形式来分类,分别阐述不同类型的常见的纳米材料对微生物的毒性影响。

2.1 碳质纳米材料

碳质纳米材料最常见的有三类:碳纳米管,富勒烯和石墨烯纳米材料。

在纳米毒理学中,膜损伤是一种标志性的监测结果。在某些特定情况下,膜损伤是纳米毒性的起源[3,7]。它往往发生在NP渗透,水渗透,离子迁移和脂质触发器将被触发后。据报道纳米材料可能会通过切割细胞膜来诱发对细胞的毒性影响,例如碳纳米管,它可以降低细胞的完整性,实验报道通过分散碳纳米管以及更快地晃动碳纳米管,对细菌产生了更大的毒性作用[8,9,10]。

同理,石墨烯纳米材料,由于它有着锋利的片层结构,同样可以引发细胞膜的损伤[8]。也有报告指出的石墨烯破坏分子膜的机制:首先,石墨烯渗透到细胞膜大肠杆菌。然后,磷脂是由石墨烯层提取。在TEM和仿真结果一起表明,这两个步骤造成了磷脂破坏性提取,这就是石墨烯纳米材料的分子基础毒性。

以富勒烯对黑鲈的影响试验为例,最终实验研究表明富勒烯通过诱导脂质过氧化(LPO)反应干扰了细胞正常的功能和生命活动,使黑鲈鱼的大脑产生损伤,破坏了他的脑中枢神经细胞[3,6]。一系列的富勒烯对水生生物的实验表明产生生物毒性的主要机制可能是C60诱导水生生物的氧化应激,这种氧化应激所产生的氧化胁迫或自由基引发了水生生物的细胞膜破损,进而影响生物细胞的正常生命活动,导致细胞凋亡[2,7,10,11]。

2.2 纳米金属氧化物和纳米金属

近年来n Ti O2,n Zn O为代表的一类典型的纳米金属氧化物研究结果[6,12,13,14,15]表明影响纳米金属氧化物的毒性的一个重要因素是其溶解度强弱,可溶性的纳米金属氧化物对生物细胞的毒性可以更明显的表现出来,影响细胞的正常的生命活动,不可溶的纳米金属氧化物也会沉积潜伏在细胞体内,也会诱发生物体的不良变化,例如癌变、畸形[2,10]。另一个影响纳米金属氧化物的毒性效应的重要原因是纳米金属氧化物的化学稳定性,在发生氧化还原反应的过程中,由于电子或离子的释放、转移,强氧化性(Mn3O4,Ce O2等)或还原性(Fe O,Cu O等)的纳米金属氧化物会产生细胞毒性和遗传毒性[7,16]。此外,由于粒径大小的原因,粒径越小,表面活性越高,毒性就越强,对微生物的伤害就越大[2,17]。

已纳米银为例的金属纳米材料:研究表明,这一类金属纳米粒子有着较强的生物毒性,纳米材料的粒子大小和纳米材料的化学稳定性是影响其毒性的重要原因。例如:1带负电的纳米银粒子可破坏了细菌细胞膜,使细菌菌膜渗透性显著增加,最终导致细胞死亡。2粒径越小的纳米粒子的活性越强,对硝化细菌的毒性越明显;同时Ag NPs可使硝化细菌细胞内活性氧(ROS)含量增加并诱导细胞损伤。研究表明了金属纳米材料有着较强的生物毒性,粒径小的纳米粒子的活性和对生物毒性越强,而产生毒性的机制是纳米粒子的氧化应激,这种行为破坏了生物的细胞膜,影响了细胞的正常生命活动,使其死亡[7,18,19,20,21,22]。

2.3 量子点

影响量子点(QDs)的生物毒性的原因有很多,有外界因素也有本身的因素,例如:外界因素包括外包被材料的生物活性、氧化性,量子点的浓度等;同时量子点本身的组成材料的毒性和其颗粒大小也会影响量子点的毒性[3,7,8,23,24]。

3 总结和展望

综上所述,纳米颗粒的对微生物的生物毒性主要体现在:粒径小的纳米材料由于本身的活性更容易对微生物细胞造成急性毒性影响,影响微生物正常生命活动;粒径较大进入并沉积到微生物细胞内产生癌变或者致畸,具备基因毒性影响微生物细胞的繁殖,影响细胞内的蛋白质的正常表达;通过切割破坏微生物细胞膜结构或通过氧化应激破坏了生物膜结构,产生细胞损伤,导致死亡[3,8]。

纳米材料和纳米技术在日益发展的社会各个领域中有着很大的比重,是当前社会研究的热点和重点,例如废水处理、净化空气、抗菌等[4],促进了植物的生长和光合作用[3,25],氮的新陈代谢[26,27,28,29]等等。但是纳米技术广泛应用于社会各个领域的同时不得不考虑它对环境的潜在风险的毒性影响。