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纳米材料的特性和应用 摘要 本文简要介绍了纳米材料的分类及特性，并对纳米材料在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。 关键词 纳米材料；分类；特性；应用；发展 1 引言 有科学家预言, 在21 世纪纳米材料将是“最有前途的材料”, 纳米技术甚至会超过计算机和基因学, 成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992 年开始召开(两年一届) , 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010 年纳米技术市场为14 400 亿美元, 美国政府自2000 年克林顿总统启动国家纳米计划以来, 已经为纳米技术投资了大约20 亿美元。同时, 欧盟在2002～ 2006 年期间将向纳米技术投资10 多亿美元。日本2002 年的纳米技术开支已经从1997 年的1. 20 亿美元提高到7. 50 亿美元。 2 纳米材料及其分类 纳米材料（ nano- material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-100 nm 之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末（颗粒和原子团簇）、一维的纳米纤维（管）、二维的纳米膜、三维的纳米块体。 3 纳米材料的特性1 3.1 小尺寸效应 当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 使其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。如银的熔点约为900℃, 而纳米银粉熔点仅为100℃, 一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～ 50%。 3.2 表面效应 纳米晶粒表面原子数和总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质变化。纳米晶粒的减小, 导致其表面热、表面能及表面结合能都迅速增大, 致使它表现出很高的活性,如日本帝国化工公司生产的T iO2平均粒径为15 nm , 比表面积高达80～ 110 m2/g 2。 3.3 量子尺寸效应 纳米材料颗粒尺寸小到一定值时, 费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级, 吸收光谱阈值向短波方向移动。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性。 3.4 宏观量子隧道效应和介电限域效应 纳米材料能在低温下继续保持超顺磁性,对光有强烈的吸收能力, 能大量吸收紫外线, 对红外线亦有强吸收特性, 在高温下, 仍具有高强、高韧、优良稳定性等, 其应用前景十分广阔, 故纳米材料被誉为跨世纪的高科技新材料。 4 纳米材料的应用 4.1 在化工领域的应用3 纳米材料应用在化学工业领域中的许多方面，如催化剂与催化反应[3]、高分子材料改良[4]和化学传感器[5]等等。 4.1.1 在催化方面的应用 在许多化学化工领域中催化剂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。但是， 大多数的传统催化剂催化效率低， 制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪 费， 而且对环境也造成污染。所以， 在催化剂上， 纳米材料有极强的优势， 纳米材料的比表面积大， 表面活性中心多， 这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性.它可大大提高反应效率， 控制反应速度， 对比一般的催化剂， 用纳米微粒作催化剂的话， 可以将反应速度提高10～15 倍。 4.1.2 在高分子材料方面的应用 纳米材料可以作为高分子材料的改进剂和增强剂，如粘土纳米粒子、纳米SiO2、纳米CaCO3 等。它们对聚合物的物理、化学性能产生特殊的作用，可以提高高分子材料的延展性、韧性、刚性、强度、阻隔性、耐热性及尺寸稳定性的特点。 4.1.3 在化学传感器方面的应用 近年来，基于纳米材料的化学传感器的研究成为大家关注的焦点，通过利用金属纳米粒子（如金溶胶、乙二胺/Au溶胶/I-）、纳米氧化物（如Ce-PbO2、Ag2O2-PbO2）和纳米管（如碳纳米管）来修饰化学传感器，进一步提高检测的灵敏度和选择性. 4.2 纳米材料在生物医学中的应用4 纳米粒子比红血球(6～ 9μm) 小得多, 可以在血液中自由运动, 利用纳米粒子研制成机器人, 注入人体血管内, 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, 可在纳米材料的尺度上直接利用原子、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传输更为方便。 4.3 纳米材料在环境中的应用5 环境一直以来是人们十分关注的焦点话题。新型纳米材料开发对环境保护起到了巨大的推动作用。 有报道称，纳米TiO2 能处理多种有机废水的污染物，它可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、有机染料、含氮有机物、有机磷（溴）杀虫剂、木材防腐剂和燃料油、杂环芳烃、取代苯胺等很快的氧化成为CO2、H2O 等。 纳米TiO2 光催化剂能很好降解甲醛、甲苯等污染物，效率几乎达100%；用于石油和化工等工业废气处理中能改善厂区周围空气质量。利用纳米TiO2光催化性能可杀死环境中的细菌，同时降解由细菌释放出来的有毒复合物；在医院病房、手术室及生活空间安放纳米TiO2 光催化剂还有除臭作用。目前工业上利用纳米二氧化钛－三氧化二铁作为光催化剂，用于废水处理（ 含SO32- 或Cr2O72- 体系）并取得很好效果。含超细TiO2 和超细ZnO 等微粉抗菌除臭纤维不仅用于医疗，还可制成抑菌防臭的高级纺织品、衣服、围裙及鞋袜等。利用纳米光催化技术与其他技术相结合而研制出新型空气净化器，对氮氧化物、一氧化碳和甲醛等有害气体有明显降解作用，使空气中的有害气体从10μL/L 降到0.1μL/L，该设备现已进入实用化生产阶段。 纳米汽车尾气净化器：利用纳米材料可制备汽车尾气净化器，如超细Fe、Ni 与γ-Fe2O3 混合烧结体代替贵金属作为汽车尾气净化器，可降低成本、提高效率。以活性炭为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2 粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，转化为对人体和环境无害的气体——二氧化碳和氮气。 4.4 在食品方面的应用 随着纳米技术的发展，纳米食品生产也取得了很大的成就。纳米技术可以赋予食品许多特殊的性能，如提高某些成分吸收率，减少生物活性和风味的丧失，并可以将食品输送到特定部位，提供给人类有效、准确、适宜的营养。目前，纳米胶囊技术、纳滤技术和超微粉碎技术已应用于食品加工中。纳米技术在食品上的研究和应用主要包括纳米食品加工、纳米包装材料和纳米检测技术等方面。然而，纳米材料在食物链中是否还存在潜在的风险及其对生物的安全性问题尚存在争议，这是人们自思索转基因食品安全性问题之后面临的另一个话题值得深入研究。 4.5 纳米材料在磁性材料方面的应用6 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。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（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） 的防尘密封。 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。 4.6 纳米材料在涂料中的应用7 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， 有长期的防霉防藻效果； 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。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。 4.7 纳米材料在陶瓷上的应用8 纳米陶瓷， 是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。它具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。英国著名材料专家Gleiter 指出， 如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成， 则能够在低温下变为延性的， 能够发生100%的塑性形变。并且发现， 纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。 4.8 在电子工业方面的应用 4.8.1 用作导电浆料 导电浆料是电子工业重要的原材料, 由于纳米材料可使块体材料的熔点大大降低, 因此用超细银粉制成的导电浆料可以在低温下烧结, 此时基片可以不用耐高温陶瓷, 甚至可采用塑料等低温材料。 4.8.2 用作敏感元件 利用纳米材料巨大的比表面积, 可以制成温敏、光敏、气敏、湿敏等多种传感器。仅需微量纳米颗粒其功能就能得到充分发挥, 由它构成的集成化纳米颗粒多功能传感器具有高灵敏度、高响应速度、高精度、低功耗等优点。 4.9 纳米材料在纺织领域中的应用9 纳米功能纤维 我国辽宁光达公司开发的亚纳米氧化锌改性丙纶纤维及织物，对200－400 nm 紫外线吸收率达99.7%，辐射屏蔽率80%。日本仑螺公司将氧化锌微粉掺入聚酯中，开发出防紫外线涤纶纤维。日本帝人公司利用纳米ZnO 和纳米SiO2 混合微粉开发抗菌除臭尼龙纤维。抗菌纤维除用于手术服和手术护士服外，还研制出高级纺织品，如内衣、外装、鞋袜、帽、睡衣、床单、浴巾和雨伞面料等。 纳米功能涂层织物 日本住友Cement 公司开发出5－15 nm 氧化锌分散在丙烯酸系树脂中制备织物涂层剂，经此涂层剂整理的夏季织物有抗菌、防臭、防紫外线等多种功能，可耐10 万次洗涤，其开发的产品主要用于衫类。 纳米后整理织物 青岛大学应化所利用50－60 nm氧化锌制备纳米功能棉、涤棉和毛织物，有显著抗菌功能。 4.10 航天技术领域 由于纳米材料可以满足传统材料所达不到的要求，因此应用纳米材料可以满足航天航空领域中对材料性能的特殊要求。纳米材料是制作航天器结构材料的理想材料，例如将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基体（铝、铜、银、钢、铁等合金）中，可以制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域。同时，纳米材料已经广泛使用在航天器功能材料方面，如纳米陶瓷类材料具有吸收波段宽及吸收强度大等特性，它有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂；将纳米金属粉添加到固体火箭推进剂中，可显著改善固体推进剂的燃烧性能，也可以作为 固体火箭推进剂在航天航空领域中广泛使用。 5 总结 纳米技术和纳米材料是当今世界深受重视的高新技术, 同时它又是各高新技术的基础。尽管还有不少技术问题有待深入研究, 如纳米颗粒尺寸及其分布和形貌控制; 团聚体的控制与分散; 纳米颗粒的表面特性及表面改性; 纳米材料的基础理论等, 但它已显示了强大的生命力。欧洲联盟委员会在1995 年发表的一份研究报告预测, 今后10年内纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。市场的突破口很可能在信息、微电子、医药、环境等领域。我国有发展纳米材料的丰富原料和广阔市场, 纳米材料的应用将前途无量。 参考文献 1 李良训 . 纳米材料的特性及应用 . 金山油化纤,1999,1 2 薛蒽钰, 曾敏修 . 阻燃科学及应用. 国防工业出版社, 1988:96 3 王广贺，张浩. 纳米材料的应用及其发展.190 Magnificent Writing 华章,2010 4 谢济仁, 邵刚勤, 易忠来, 段兴龙. 纳米材料应用. 武汉理工大学学报,2004,2(26) 5 朱光威,许国根 . 纳米材料在环境保护中的应用 . 纳米科技,2008.10(5) 6 都有为. 纳米磁性材料及其应用. 材料导报,2001,15(7) 7 左美祥,乔健，陈君飞.纳米材料在涂料中的应用.中国涂装,2002,8 8 何彦达. 纳米材料的应用及展望. 应用科技,2010,1 9 张小琴,谭镜明. 纳米材料的应用进展.环球博览,2006,29(10) 本文来源：https://www.dywdw.cn/a07a8b3268d97f192279168884868762caaebbcc.html
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2022-10-07
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