浅谈纳米材料与生活
浅谈纳米材料与生活
摘要：人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期，计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪，在这个日新月异的新的世纪里，科学家通过运用的发达的计算机技术，为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术，它有着广阔的发展前景，随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化，给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点，向大家普及纳米材料的特性，以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际，向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止，它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利，我相信在纳米技术不断进步、发展的未来，纳米材料一定有更广阔的空间。
关键词：纳米、纳米技术、纳米材料、应用
现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机，他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，并将成为最有前途的材料，它所见具有的独特物理和化学性质，可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。
纳米材料的特性：
纳米材料是英文“napometer”的译音，是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一，用我们能看见的最小微粒院子来表示的话，相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度，遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右，一个典型的病毒大约100纳米长，相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米，并没有物理内涵，当物质到纳米尺度后，
物质性能就会发生突变，出现特殊性能，这种既具有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构成材料，极为纳米材料。
纳米材料具有以下独特性：
小尺寸效应。当微粒光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相近或更小的时候，符合周期性的边界条件受到破坏，因此光、热、电、声、磁、等物理性能方面都会出现一些新的效应，称为小尺寸效应。
纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体就是根据纳米所具有的小尺寸效应特性而发展的新技术。
纳米粉末是开发时间最长，技术最为成熟的纳米材料。纳米粉末粒度在100纳米以下，因为又被称为超微粉或超细粉。它是一种介于原子、分子与宏观物体之间的处于中间物态的固体颗粒材料。可用于高密度磁记录材料、磁流体材料、单晶硅与精密光学器材抛光材料、人体修复材料与抗癌制剂等。
纳米纤维是指直径为纳米尺度，长度较长的线性材料。可用于微导线、微光纤材料、新型激光或发光二级管材料等。
纳米膜可分为颗粒膜和致密膜。颗粒膜指的是纳米颗粒粘合在一起，中间有极为细小的缝隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体化材料、过滤器材料、平面显示材料、超导材料等。
纳米块体指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。
表面与界面效应。纳米微粒的表面积很大，在表面的原子数目所占比例很高，大大增加了纳米粒子的表面活性。表面粒子的活性不仅英气微粒表面原于输运和构建的变化，同时也会英气表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
量子尺寸效应。当粒子尺寸降低到某一值时，费米能级附近的电子能级有准连续变为离散能级的现象，当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光于能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应能导致纳米粒子的磁、光、电、声、热、超导等特性显著不同。
宏观量子隧道效应，指的是微观粒子具有贯穿势垒的能力。
纳米材料的应用
1、技术在日常生活中的运用。
根据“荷叶效应”，我们可以运用纳米材料于生活中。我们可以用防水防油的纳米材料做衣服, 从而人们就不用洗衣服了, 而且这种衣服穿着很舒服, 不是像雨衣那样不透气；用这种材料做成的红旗, 即使下雨在室外也依然会高高飘扬。利用纳米技术可以在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊材料膜从而使产品表现出新的性能, 电视机的荧光屏上涂上纳米涂料, 都会具有防污、防尘的效果, 而且耐刮、耐磨。用纳米材料制成的茶杯等餐饮具将不易碎裂, 掺入硅质纳米颗粒的水泥抗冻性提高20 倍, 耐钢筋锈蚀提高10 倍, 耐除冰盐侵蚀能力提高8 倍以上。若将抗菌物质进行纳米处理, 在生产过程中加进去就能制成抗菌的日常用品, 如现在市场上已出现的抗菌内衣和抗菌茶杯等, 把纳米技术应用到化妆品中, 护肤、由于颗粒微小易于渗透, 美容的效果就会更佳。居家生活离不开家用电器, 而家用电器外壳多数是由树脂加碳黑的涂料喷涂而成的光滑表面, 由于有导电作用, 因而其表面的涂层就有静电屏蔽作用。如果不能进行静电屏蔽, 电器的信号就会受到外部静电的严重干扰, 采用纳米材料对家用电器有良好的静电屏蔽特性, 而且克服了碳黑静电屏蔽涂料只有同一颜色的单调性。
2、技术在能源、交通等方面也将大有作为。
近年来开发的可用于煤和油料燃烧的纳米净化剂、助燃剂以及利用纳米技术提取粉煤灰中的有用物质的工作都已获得初步结果。将来用纳米材料做成的电池, 体积很小却可容纳极大的
能量, 届时汽车就可像目前的电动玩具一样, 以电池作为动力在大街上奔驰了。用纳米材料做成的轮胎, 将更耐磨、防滑, 以减少交通事故。用纳米材料制造出的小型飞机, 将使飞机更加普及, 交通阻塞可能得到进一步的改善。
纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的纯石油产品，它不对任何润滑油系列添加剂、处理剂、稳定剂、发动机增润剂或减磨剂等产生作用。只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层保护膜，由于这些极微小的烃类分子间的相互吸附作用，能完全填充金属表面的微孔。它们如液态的小滚珠，最大可能地减少金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑或固定添加剂相比，其极压可增加3~4 倍，磨损面减少16倍。由于金属表面得到了保护，减了磨损，耗能大大减少，使用寿命成倍增长，而且无任何副作用。
3、在涂料方面的应用
纳米涂料利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达99％以上，有长期的防霉防潮效果；纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装；纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。
4、材料在医学上的应用。
在纳米技术的参与下, 生命将不再神秘。不久的将来通过纳米计算机和可以进行人机对话的高智能机器人( 这种机器人比正常细胞小得多, 它可以自由地进出细胞壁, 可以在血液中自由运动。) 如果利用这种机器人, 装上特殊的手术刀, 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, 并且可以到DNA 链中去除有害基因片段或把正常的基因片段安装在DNA 链中, 使机体正常
运行, 使癌症的DNA 突变逆转而延长寿命。如美国能源部运用激光纳米技术研制出癌症智能手术刀, 每秒扫描10 万个细胞, 将信息输入计算机, 把“错杀”健康细胞的数量减到最小; 德国科学家采用分子医学纳米技术, 明新抗癌疗法, 通电后肿瘤部位的温度达47℃, 在杀
死癌细胞的同时不损害健康细胞。在医药方面, 纳米级粒子将使药物在人体内传输更加方便, 智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织; 在人工器官外面涂上纳米
粒子可预防移植后的排异反应。
新型纳米疫苗的研究。麻省理工大学工程人员设计出一种新型纳米粒子，可安全高效地传送抗艾滋病病毒(HIV)和疟疾等疾病的疫苗，并能更有效地激发机体免疫反应。纳米粒子中有一个脂质球，能携带人工合成的蛋白质，这些合成粒子能引发强烈的免疫反应。在治疗HIV,时，虽然人工疫苗安全性高，但是却不能很好的调动T细胞的反应。因此我们要研制一种纳米粒子，能把多种脂粒聚集在一起。一旦脂质体聚集，相邻的脂质体壁就会通过化学作用粘在一起，使整体结枸曼稳定，注射之后短期内很难裂开。一旦纳米粒子被细胞吸收，它们就会很快分解，释放出疫苗引发T细胞反应，从而改善治疗效果。
纳米技术还可以与生物技术相结合，发展成为纳米生物技术。例如，更加复杂的生物芯片技术，是将纳米技术引入生物芯片主要包括两方面：一方面是纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力促进小型化、高分辨率与多功能化另一方面拓宽生物芯片的应用范围如植物药有效成分的高通筛选癌症等疾病的
临床诊断还可作为细胞内部信号的传感器结合微电子磁技术生物芯片已应用于单细胞分离、单基因突变分析、基因扩增与免疫分析。在微小的硅材料表面制造出能够对微量样品进行变性、分离、纯化、电泳、PCR 扩增、加样检测等微小结构把过去在一个实验中的各
个步骤微缩于一个芯片上。
5、材料在电气化学生物传感器中的应用。
生物传感器是用固定的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置，用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物，是一种全新的检测技术，存在于生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各个领域。
在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求，纳米颗粒的表面积大、吸附能力强，可以很牢固的吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附置和稳定性，且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面仍能保持生物活性，纳米金可与巯基结合，形成牢固的共价键，增加了其固化GOD的稳老性而不影响其活性：纳米颗粒增加了三维电极的有效固定而积，可以结合更多的GOD，使得检测下限延长：同时纳米金的存在加快了GOD活性中心FDA／FDAH2与金电极表面的氧化还原反应，因此制成了高灵敏度的生物传感器。并且经研究分析，在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD制成的电极，纳米铜加入后对葡萄糖的检出线低2倍，最大响应电流高3倍，灵敏度提高f2．5倍。
6、技术在环境保护方面的应用。
随着社会的不断进步，人类对环境保护也越来越重视。纳米技术的发展与纳米材料的运用对于我们面临的严峻环境形势而言，有着极为重要的意义。
近年来人类制造出的大量有机物垃圾如塑料制品、快餐盒等如不进行特殊处理, 光靠自然分解则需要几十年甚至上百年才能分解, 运用纳米技术在塑料制品以及泡沫盒中掺入一定的纳米材料可大大减少其降解时间。另外纳米技术对空气中20 纳米以及水中的200 纳米污染物的降解是不可替代, 例如我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备, 可使空气中的大于10ppm 的有害气体降低到0. 1ppm; 利用多孔小球组合光催化纳米材料, 已成功用于污水中有机物的降解, 对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污
染物, 有很好的降解效果; 采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造也取得显著效果。除了讲解垃圾外，纳米技术对解决大气污染也有很大作为。
大气污染一直是各国政府需要解决的难题空气中超标的二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（ NOC）是影响人类健康的有害气体纳米材料和纳米技术的应用能够最终解决产生这些气体的污染源问题工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等由于含有硫的化合物在燃烧时会产生SO2气体。这是SO2的最大污染源，所以石油提练中有一道脱硫工艺，目的是降低其硫的含量纳米钛酸钴（COtiO3），这是一种非常好的石油脱硫催化剂。以半径55nm~70nm的钛酸钴，作为催化活体多孔硅胶或Al2O3陶瓷作为载体的催化剂其催化效率极高经它催化的石油中硫的含量小于0.01%达到国际标准工业生产中使用的煤燃烧时也会产生SO2气体如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂，不仅可以使煤充分的燃烧，不产生一氧化硫气体提高能源利用率。而且会使硫转化成固体的硫化物而不产生二氧化硫气体从而杜绝有害气体的产生。
7、技术在污水处理方面的应用
污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除由于传统的水处理方法效率低、成本高，存在二次污染等问题。污水治理一直得不到很好解决，纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质，它从污水中流失，其实也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属，如金、钌、钯、铂等安全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝10~20 倍。因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，先使水中不含悬浮物，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。前二道净化工序后，水体清澈，没有异味，口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理
膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以将水中的细菌、病毒100 % 去除得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质元素则保留下来。结论：
纳米材料如今还只是在初级阶段，它还有待于进一步发展，在纳米尺度上很多问题还尚待研究，但是它的前景一定是光明的。就向钱学森先生在上世纪所说的那样：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。
参考文献：
1)丁斌峰《纳米材料与技术在环保中的应用》
2)赵强、庞小峰《磁性纳米生物材料研究进展及其应用》
3)赵强、庞小峰、张怀武《纳米生物技术及其应用》
4)宫纯文、周芳《纳米技术在汽车上的应用前景》
5)陈艾《纳米科技与纳米材料》
6)藤荣厚《纳米级材料的内涵、判据及其研究方向》
7)严东升、冯端《我国纳米材料研究的进展》
8)董伟、范微《跨世纪的新材料——纳米材料
9)孙琦、盛宋《纳米材料的技术发展及应用
10)黄开金《米材料的制备及应用》
11)李晓俊《材料的制备及应用研究》
12)张立德《材料和纳米结构》
13)李权龙、东星、庆梅《壁碳纳米管的纯化》
14)项丽《用纳米碳管固相萃取环境中有机污染物研究进展》
15)李凤生、毅《米／微米复合技术及应用》
16)赵弘韬、丽芳、玉宝《纳米管纯化工艺的研究》科技创新导报, 2008
17)薛增泉《科技探索》北京：清华人学出版社，2002
18)邓春锋《纳米管增强铝基复合材料的制备及组织性能研究》哈尔滨工业大学, 2007 .
19)张麟《纳米管改性双马来酰亚胺复合材料的研究》西北工业大学, 2007 .
20)胡惠平《世界水资源状况不容乐观》
纳米材料与技术思考题2016
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 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
2纳米科技潜在的危害
二、纳米科技潜在的危害 当人们陶醉在纳米材料的许多新奇功能和它将给我们生活带来的美好前景时，医学界出于特殊的职业敏感性，开始冷静地考虑纳米料将对人类健康产生的深远影响。事实上，纳米技术还将在生态环境、经济、政治、伦理道德等等方面引发诸多问题，从而在社会各个层面产生不可估量的后果，影响遍及农业、医疗、制药、计算机、国防甚至人类的文明———它将取代基因技术成为最受争议的应用技术。 1.纳米技术对人类健康和环境的潜在危害 纳米材料作为一种人工制造的新的物质形态, 人类对它的认识只能说刚刚开始。目前学术界大多重视发展纳米材料制备科学和工程研究, 扩大研究对象以及发现神奇功能和新产品的开发, 较少注意到纳米材料的特殊性对机体产生的潜在危害。 首先, 纳米材料广泛的应用性使研究者、生产者和消费者今后将有许多机会接触纳米材料，而纳米材料的超微性提醒我们, 应该重新认识和理解人体对颗粒性物质的吸收过程和它可能引起的生物学影响。我们知道, 皮肤是人类阻挡外源性物质的重要屏障系统, 它能有效地阻止宏观颗粒物经皮肤进入体内。现在人们已经能够生产粒径只有头发丝直径1/ 7000 的金属纳米材料和粒径为0.15nm的纳米碳。粒径如此之小的纳米粒子，完全有可能通过简单扩散或渗透形式经过肺泡和皮肤进入体内。纳米材料的另一个显著特点是表面积
大, 粒子表面的原子数多, 周围缺少相邻原子, 存在许多空键, 所以具有很强的吸附能力和很高的化学活性。与此同时, 科学家发现药物制剂的粒径变小后, 其毒副作用也得到不同程度的增大。常规药物被纳米颗粒物装载后, 急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性明显增强, 而难溶性药物的消化道吸收率和药效与药物的粒径呈负相关关系, 是人们已知的常识。纳米微粒是飘浮和运动的, 它遵循布朗运动规律进入食品和人体, 进而进入人体细胞内。产品成分中若含有氧化硅、氧化钛、氧化锰或者银, 这些成分在人体内将“如同幽灵一样飘浮”, 如果潜伏在细胞内就有可能诱发细胞病变, 进而可能导致癌症。这些事实提示我们, 过去宏观物质的安全性评价结果也许不适用于它的纳米材料。 纳米材料除了比较容易进入人体之外, 还可能比较容易透过生物膜上的孔隙进入细胞内或细胞内包括线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体和细胞核等细胞器, 并且和生物大分子发生结合或催化化学反应, 使生物大分子和生物膜的正常立体结构产生改变。其结果将导致体内一些激素和重要酶系的活性丧失, 或使遗传物质产生突变导致肿瘤发病率升高或促进老化过程。纳米材料也可能比较容易通过胎盘屏障对胚胎早期的组织分化和发育产生不良影响,导致胎儿畸形。 这些忧虑虽然目前仅是根据纳米材料的特殊性质推测的潜在有害作用, 但我们目前还没有足够的证据对这些不良影响进行否定。材料变成纳米级后, 活性更大、毒性也更大, 其废弃产品暴露在空
纳米材料论文
应用技术大学2017—2018学年第二学期 《纳米材料与未来生活》期（末）试卷 课程代码: 学分: 2 课程序号: 班级：学号：: 我已阅读了有关的考试规定和纪律要求，愿意在考试中遵守《考场规则》，如有违反将愿接受相应的处理。 试卷共页，请先查看试卷有无缺页，然后答题。 本课程以小论文形式进行期末考核，要求如下： 一、请同学们在下列题目中按照指定题目，写成期末论文。 1、纳米材料先进制备技术 2、纳米材料与未来生物医药 3、纳米材料与未来汽车 4、纳米材料与先进催化 5、纳米材料与未来锂电 6、纳米多孔材料与超级电容器 7、纳米催化剂与燃料电池 8、纳米材料与光催化技术 二、论文写作要求： 论文题目应为授课教师指定题目，论文要层次清晰、论点清楚、论据准确；论文写作要理论联系实际，同学们应结合课堂讲授容，广泛收集与论文有关资料，含有一定案例，参考一定文献资料。 三、论文写作格式要求： 论文题目要求为宋体三号字，加粗居中； 正文部分要求为宋体小四号字，标题加粗，行间距为1.5倍行距； 论文字数要控制在2000－2500字； 论文标题书写顺序依次为一、（一）、1.。
四、论文提交注意事项： 1、论文一律以此文件为封面，写明班级、、学号等信息。 2、论文一律采用书面提交方式，在规定时间提交，逾期将不接受补交。 3、如有抄袭雷同现象，将按学校规定严肃处理。
目录 纳米材料的概念 (1) 未来汽车的概念 (1) 未来汽车的外饰 (2) 未来汽车外饰与纳米材料 (2) 未来汽车的饰 (2) 未来汽车饰与纳米材料 (3) 总结 (4)
纳米材料与未来汽车 一、纳米材料的概念 （一）、纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。 （二）、纳米材料的补充 人们普遍认为纳米科技源自费曼于1959年的一次演讲，而“小就是与众不同”在现在几乎成了纳米科技界的一句口头禅。纳米科技近年来的发展可以说是非常迅猛，从国际上犹如雨后春笋一般冒出来的数十种纳米科技类杂志就可见一斑，其中英国物理学会率先出版Nanotechnology,美国化学学会继成功出版Nano Letters之后又推出了ACS Nano可以发现纳米科技有着魔力让人们着迷。 我国把纳米翻译为奈米。我国先后成立了国家纳米科技指导协调委员会和纳米技术专门委员会，建立了国家纳米科学中心、国家纳米技术与工程研究院（天津）、纳米技术及应用国家工程研究中心、国家纳米技术国际创新园。 纳米塑料———强度更高汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性更是黄铜的27倍。除此之外，纳米塑料除了可回收外，还有长期耐紫外线、色泽稳定、质量较轻等优点，在汽车配件中的应用领域相当广泛。在汽车外装件中，主要用于保险杆、散热器、底盘、车身外板、车轮护罩、活动车顶及其它保护胶条、挡风胶条等。在饰件中，主要用于仪表板和饰板、安全气囊材料等。 二、未来汽车的概念 （一）、未来汽车 未来汽车有别于我们家庭所使用的目前所了解的汽车，未来汽车的发展方向
纳米材料和纳米结构
纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念： （1）关于颗粒及颗粒度的概念 （i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 （ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。 （iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 （iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。 （2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式） 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳
浅谈纳米技术的研究与应用
浅谈纳米技术的研究与应用 1.引言 当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”这在当时只是一个美好的梦想。 如今，这个预言和梦想终于实现了。费曼所预言的材料就是现在的纳米。 今天，不少科学家又在预言，纳米科技将在新世纪里得到惊人的发展，纳米科技将给人类的科学技术和生活带来革命性的变化。科学家认为，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机，并成为未来信息时代的核心。 我国著名科学家钱学森早在1991年就指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。” 英国理论物理学家斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的物理学家。他预测：“未来一千年人类有可能对DNA基因重新设计。而生化纳米材料则是设计DNA基因所必须具备的医药材料基础。” 近年来，科学家勾画了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子备件，巨型计算机可装入口袋；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的；世界还将出现1μm以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。 海内外科技界广泛认为，纳米材料和技术的大规模应用可望在10年内实现。现阶段纳米材料和技术正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。 1998年8月20日，《美国商业周刊》发表文章指出，21世纪有三个领域可能取得重大突破：生命科学和生物技术；纳米材料和纳米技术；从外星球获得能源。并指出这是人类跨入21世纪所面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：“70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪先进国家。” 1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院的德雷克斯勒也提倡纳米科技的研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。1982年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率揭示了一个“可见的”原子、分子世界。到80年代末，STM已不
纳米材料科学与技术
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
纳米材料在现实生活中的应用
纳米材料属于纳米技术中的一种，是一种很特殊的材料。物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—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。纳米材料指的就是这种尺度达到纳米单位的、具备特殊性能的材料。它在现实生活中的应用广泛，包含以下几点： 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳
米材料的延展性的高性能陶瓷。 3、纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。 4、纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 5、纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。 利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，然后生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能
浅谈纳米材料与生活
浅谈纳米材料与生活 摘要：人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期，计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪，在这个日新月异的新的世纪里，科学家通过运用的发达的计算机技术，为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术，它有着广阔的发展前景，随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化，给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点，向大家普及纳米材料的特性，以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际，向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止，它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利，我相信在纳米技术不断进步、发展的未来，纳米材料一定有更广阔的空间。 关键词：纳米、纳米技术、纳米材料、应用 现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机，他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，并将成为最有前途的材料，它所见具有的独特物理和化学性质，可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。 纳米材料的特性： 纳米材料是英文“napometer”的译音，是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一，用我们能看见的最小微粒院子来表示的话，相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度，遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右，一个典型的病毒大约100纳米长，相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米，并没有物理内涵，当物质到纳米尺度后，
纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米材料发展之利弊辩论
发展存在有利的观点 ●当物质小到1—100 nm(10一～10～m)时，由于量子效应、局域性及巨大的表面与界 面效应，使物质的一些性质、性能发生了质变，原子、分子水平上制造的纳米材料和器件在化学、材料、生物、医学等领域有着广泛的应用，引发了一场“新的工业革命”。 ●纳米医学纳米材料已经或正在走进我们生活的诸多方面，如生物医学领域的纳米 制药和疾病监测的方面。因为纳米材料尺度小、活性强，用纳米材料制成的药物可以准确的杀死病变细胞不会对健康细胞产生影响，这是常规药物所不能实现的。纳米生物芯片技术将传统的生物样品检测实验室集成到一个芯片上来，大大增强了检测速度和精度。 ●纳米材料的生物效应研究纳米材料以其独特的性质被广泛应用于生物领域，下面以碳 纳米材料和药物纳米输送系统作为代表进行阐述。(一)富勒烯近年来合成制备方法的改进和突破有力地促进了富勒烯研究的发展。有关C60及其衍生物的生物活性的研究越来越广泛和深入，现已证明它们具有抑制细菌感染、抗病毒活性和抗肿瘤等特性。 水溶性c。衍生物是一类具有生物活性的物质，其羧基化衍生物可以清除体内的自由基，还可以抑制角化细胞增生，保护人角化细胞免遭紫外线(uVB)介导的细胞凋亡Foley等旧。的研究发现c。羧基衍生物能够穿透细胞膜与线粒体结合，由于细胞内的活性氧自由基来自线粒体内电子传递链，富勒烯清除细胞内自由基可能与这种结合有关。c60羧基衍生物的抗氧化作用可保护中枢神经系统，用于治疗神经退化疾病，如帕金森病等” ●(二)碳纳米管碳纳米管(cNTs)，又名巴基管，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研 究表明cNTs或含cNTs的复合材料与神经细胞、成骨细胞、纤维原细胞等各种细胞具有很好的生物兼容性，而且它们有独特的管状结构，所以被认为是良好的药物载体。 王海芳等"o用平均约1个”I原子标记羟基化单壁碳纳米管(”I—swNT，直径1．4 nm、长400 nm，)，研究了它们在小鼠体内的生物分布以及代谢过程。发现“5 I—swNT可以很快地分布在整个鼠体内，4种不同给药途径对其分布影响不大，表明这种表观分子量高达60万的羟基化的水溶性纳米碳管可以像小的活性分子一样在不同器官之间快速转运，通过尿液排泄。 ●纳米材料技术与生物技术结合为生物医学领域带来了全新的视野，纳米材料也医药学 方面和生物芯片方面取得了显著的成绩。随着纳米材料在生物医学领域更为广泛的应用，疾病诊断、临床治疗等将会变得更有效率，治疗费用也会随着纳米技术的不断成熟又逐步降低，从而我们的生命健康保障将会得到很大提高。 ●药物纳米输送系统(靶向运输)纳米载药系统是纳米技术与现代药剂学结合产生的新兴 技术，它的药物缓、控释性和靶向性可以大幅度提高药物的生物利用度、降低用药量、减少毒副作用，所以已成为国际药物研制中的热点和前沿。从药代动力学角度看，由于纳米药物载体的隔绝效果，降低了体内介质对药物的作用，从而延缓了药物的释放； 调节纳米药物载体的结构，可使药物按一定的规律释放；选用可生物降解的材料作为纳米药物载体，使难以扩散的大分子药物通过纳米药物载体自身的降解实现控制释放。 ●米材料已经应用在众多国防和军事领域，如美国B-2隐形轰炸机的表面涂层材料，新 型的特种兵作战服。而且，纳米材料作为其他行业的基础，为传统的制造业带来了新的生机，纳米材料有着巨大的市场前景。 ●纳米材料在化妆品、涂料、纺织业、汽车工业和半导体产业都有着很好的市场前景。 就我国纳米材料市场来看，其主要产品为金属纳米颗粒材料、纳米氧化物、纳米碳化物和半导体纳米材料，如银、铜和铁等纳米颗粒材料，纳米氧化锌，碳纳米管和纳米
浅谈纳米材料与技术的应用与发展
浅谈纳米材料与技术的应用与发展 二十一世纪是信息技术、生命科学和纳米技术的世纪，科学技术的飞速发展以及国民经济的提高为纳米材料与技术这一专业的发展奠定了坚实的基础。纳米材料不同于传统的材料，拥有其他材料不具备的优异性能，同时，纳米材料应用范围十分广泛，可应用在环境保护、航空航天、生物医学、防护装置等各个方面，因此，发展纳米材料与技术具有十分重要的意义。本文主要论述了纳米材料与技术的应用，并对其发展前景进行了阐述，期望能为我国的纳米材料与技术的发展提供一些建议。 标签：纳米材料与技术；应用；发展 一、引言 纳米材料是物质的颗粒大小属于纳米级，主要是通过压制、烧结由金属、无机物或者聚合纳米微颗粒产生的材料。它处于1-100纳米这个范围空间，拥有着特殊的性能，是一种介于微观和宏观物质结构之间的特殊材料[1]。納米材料与技术概念率先提出于20世纪60年代，在1984年纯物质纳米细粉的制得则标志着其研究进入了新的阶段；而在1990年7月，纳米材料科学正式成为材料科学新的分支。二十一世纪以来，纳米技术是二十一世纪三大科技之一，纳米材料进入高速发展的阶段，各国不断加大对纳米材料研究的投资，例如美国的NNI，欧盟的“地平线2020”，以及我国在“八五”期间，将“纳米材料科学”列入国家项目之中，并于2006 年启动了纳米技术科学研究计划。现在纳米材料逐渐步入2.0时代，与医药、测量技术等学科的结合研究已走上日程，相信在未来，纳米材料在安全、环境、健康方面的研究也会不断深入，更好的应用于我们社会的各个领域[2]。 二、纳米材料与技术的应用 2.1 在环境保护上的应用。 随着科学技术的发展，我国的工业越来越强，但是在发展过程中污染了环境，所排放的废气废水已经严重超过环境自身的承载力，其恢复效果十分差，给人们的生活以及身体健康带来了十分不利的影响。但纳米材料的发现，其良好的性能有助于保护环境。工业发展过程中汽油、柴油的使用，因其含有硫的化合物在燃烧时产生有害气体，过量排放导致了大气污染，纳米材料和纳米技术的应用能够解决这些有毒气体的污染问题。具有良好性能的纳米钛酸钴，有良好的催化效果，催化后的石油含硫量满足了国际要求，有效地抑制了有毒气体的排放。污水中包含有毒物质、泥沙、悬浮物、细菌病毒等，将这些有害物质去除就是污水处理。使用纳米材料与技术可以提炼出污水中的金属材料，以便继续使用。污水中的有毒有害物质可以使用纳米微粒光催化作用将这些污染物转化为矿化物。 2.2 在防护装置上的应用。
纳米材料与技术作业
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，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；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
对纳米材料的认识
浅谈对纳米材料的认识 “纳米”这个词语我们并不陌生，生活中常见的有“纳米洗衣机”、“纳米羊绒衫”等等。纳米材料几乎无处不在，在这里简单谈谈我对纳米材料的认识。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，将从微米层次深人至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 纳米材料具有许多的特殊性质。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。 纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。 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四大领域高速发展。 目前，不少国家纷纷制定相关计划，投入巨资抢占纳米技术的战略高地。每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能，尤其是纳米机器人具有不可限量的应用前景。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料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。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓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。 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、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。 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。
纳米材料与生活
纳米材料与生活 材料是一切事物的物质基础。作为前沿学科的纳米材料，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。有人曾经预测，在21世纪纳米技术将成为超过基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。随着高科技技术的发展，纳米材料和纳米技术已经被大多数人所熟知，它也在不知不觉中走进了我们的生活，并影响着我们的生活。 什么是纳米材料？纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料具有力学、磁学、电学、热学、光学等特殊性质。 运用纳米材料的纳米技术，在生活的各个方面都得到了广泛的应用，以下是纳米技术在某些领域的运用。 纳米材料在环保中的应用： 1.环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。 2.能源环保中的纳米技术：在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。 纳米材料在医药方面的应用： 1.纳米粒子用作药物载体 一般来说，血液中红血球的大小为6000 nm～9000 nm，一般细菌的长度为2000 nm～3000 nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80 nm～100 nm，而纳米包覆体尺寸约30 nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口、上下呼吸道、肛门以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。 2.纳米抗菌药及创伤敷料 Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。 3.智能—靶向药物 在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功。
浅谈纳米材料应用及发展前景
Jiangsu University 浅谈纳米材料应用及发展前景
摘要 纳米材料展现了异常的力学、电学、磁学、光学特性、敏感特性和催化以及光活性，为新材料的发展开辟了一个崭新的研究和应用领域。纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一，被认为是世纪的又一次产业革命。纳米材料向国民经济和高新科技等各个领域的渗透以及对人类社会的进步的影响是难以估计的。 关键词：纳米材料；纳米应用；量子尺寸效应 1.前言 纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构，只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。 在工程方面，纳米材料80年代初发展起来的，纳米材料其粒径范围在1—100nm之间，故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各
国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破；我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目[1]。美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心”[2]。 2.纳米材料的制备 现行的纳米材料制备方法很多。但是真正能够高效低成本制备纳米材料的方法还是现在各个国家研究的重点。目前已报的工艺方法主要有以下几种：物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金融合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。 3.纳米材料的主要应用 3.1纳米材料在工程方面的应用 纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC 等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结,另一方面,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度,缩短烧结时间。纳米粉体可用于改善陶瓷的性能，其原因在于微小的纳米微粒不仅比表面积大，而且扩散速度快，因而进行烧结时致密化的速度就快，烧结