纳米材料学范文

纳米材料学范文（精选12篇）

纳米材料学 第1篇

前途非常光明

单层石墨烯是世界上最薄、最强、最坚硬的材料,还具备极佳的导热性和导电性。童话故事常常偏爱“3”:宝藏通常藏在第3个箱子里,名利双收的也往往是第3个孩子。3种新型碳材料中发现最晚的一种石墨烯,没准儿也能继承这种幸运。科学家于1985年首次发现了足球形状的富勒烯,接下来又在1991年首次观察到了空心圆柱状的碳纳米管,这两种材料对工业界的影响至今仍相当有限。但石墨烯,这种仅一个原子厚的单层碳材料,前途似乎非常光明。不得不提的一大征兆就是,关于石墨烯性质的开创性实验,以惊人的速度摘取了2010年诺贝尔物理学奖。

随着众多公司竞相针对它的优良性能进行市场化开发,石墨烯获得了媒体的关注。2010年,大约有3 000篇研究论文和超过400项专利申请以石墨烯为主题。韩国计划投资3亿美元用于石墨烯的商业化,包括IBM、三星在内的许多公司都在开发石墨烯电子器件这种超小、超快的器件有朝一日可能取代硅芯片。

对石墨烯的宣传可谓天花乱坠,以至于对它不甚了解的人或许会奇怪,为什么它还没有征服技术应用领域。童话故事毕竟不是现实。石墨烯的几位“前辈”也经历过几乎相同的夸大宣传。然而,富勒烯至今几乎找不到任何实际应用。碳纳米管的情形稍好一些,但它生产成本高昂,而且难以控制。它们被工业界渐渐遗忘是一个很好的教训,让我们知道新材料的商业化是一件多么困难的事。

然而,在碳纳米管的故事中,有几段还是挺鼓舞人心的。尽管高科技的电子学应用在多年后才可能实现,但一种科技含量低得多的应用用于储能元件或触摸屏的碳纳米管导电薄膜,距离商业化已经很近了。另一个相对简单的用于飞机和汽车的碳纳米管强化复合材料,也将很快面市。碳纳米管生产商预感到了需求的增长,已经把生产规模扩大到每年数百吨。

优势更加明显

研究者认为,石墨烯拥有和碳纳米管类似的用途,但是石墨烯在生产和加工的某些关键方面相比碳纳米管优势更加明显,它还从20年来的碳纳米管研究工作中获益匪浅。这种后来者居上的势头,使得石墨烯生产商更清楚哪类应用值得追求,还对避免碳纳米管在前10年中遭遇到的失败开端有了更明智的见解。

碳纳米管和石墨烯共有的优异性质来源于它们相同的结构碳原子按蜂窝状图案排列而成的单原子厚的网格,极强的碳-碳键保证了高得惊人的强度重量比。石墨烯强度极大,假设存在一张由完美石墨烯制成的吊床,面积为1平方米,它可以承受住1只4千克重的猫。而吊床自身的重量比猫的一根胡须还轻,而且我们用肉眼无法看见这张吊床。

上述两种碳纳米材料里的碳原子在六边形晶格结构中都呈对称排布,使得它们的导电性远远超过了计算机芯片使用的硅材料。这也意味着它们的电阻要比硅低得多,因而产生的热量也低得多。

此外,碳材料结构上哪怕出现微小的变化,也会创造出大量新的性质。对石墨烯来说,电子学性能取决于片层的尺寸、晶格上是否存在缺陷,以及缺陷是否位于导电表面上。类似地通过改变碳纳米管的直径、长度和“扭曲度”就可以被制成半导体型或者金属型。单根碳纳米管和内部有多层柱体相互嵌套的所谓多壁碳纳米管也存在差异。这些特性很早就让研究者看到了颠覆电子学应用的希望。1998年,物理学家展示了使用一个单根半导体型碳纳米管制成的晶体管,2007年,研究人员报道合成了基于碳纳米管的晶体管收音机。

但若要实现这类电路的工业化量产,就会遇到一个棘手的问题:如何克服碳纳米管的易变性。碳纳米管大多在反应器中生产,反应器中的催化剂会引导富含碳的蒸气组成纳米管。产物通常是多壁和单壁、半导体型和金属型、以及各种长度和直径的纳米管的大杂烩,每种纳米管的电子学性质都不尽相同。多样性是美妙的,但当你的研究对象过于多样化,就成了一个令人头痛的问题。

究竟谁来取代硅片?

研究人员直到最近5年才找出了区分半导体型和金属型碳纳米管的方法。但是要在芯片上安装特定的纳米管,并把分离的纳米管连接起来,同时还要不影响它们的性能,存在更大的困难。因此大多数物理学家都认定,碳纳米管取代硅是不现实的。一块集成电路肯定要涉及数十亿个相同的碳纳米管晶体管,所有晶体管都要在完全相同的电压下工作。就目前的技术来说,这是不可行的。石墨烯可以让我们乐观一点。目前最优质的石墨烯片层是通过在真空中加热碳化硅薄片制备的,这种方法会在容器顶部表面留下一层纯净的石墨烯。相比合成碳纳米管的方法,这种方法制出的每批样品之间不可控变数较少,平面片层也比纳米管更大,更易于处理。然而石墨烯也存在问题。单个石墨烯片层传导电荷的能力非常强,以至于电流很难被截断。如果要用石墨烯制造数码设备上像开关一样控制电流通断的晶体管,这是一个必须解决的问题。

碳纳米管的前车之鉴必须警惕,碳纳米管可以从尖端发射电子去激发荧光屏上的荧光物质,因而曾被认为有希望用于制造电视机屏幕。但是实际上,它的竞争对手等离子和液晶显示器捷足先登,成为了现在使用最广泛的显示屏。

石墨烯有可能在近期实现的一种应用或许是超级电容。它通过折叠石墨烯片层,在极小的空间内创造出巨大的表面积,这将使每克这种材料存储的电荷比其他任何材料都多。还有一些研究人员试图将碳纳米材料用于制造燃料电池的催化电极,甚至制造水净化膜。但是,跟往常一样,要想做出显著超越活性炭等已有材料的新品,并不是一个简单的问题。

纳米材料之电池电极材料 第2篇

锂离子电池及电极材料

锂离子电池纳米氧化钛UG20具有能量密度高，无记忆效应，环境友好，寿命长等优点。自1991年日本索尼公司率先将其商品化以来，发展迅速，市场范围不断扩大。仅十年时间，其全球产值已超过镍镉和镍氢电池的总和。锂离子电池已在很多领域有着重要的应用，如手机，笔记本电脑，摄像机等电子产品和交通工具中，见图3.21.用锂离子动力电池改装的叫车，每次充电后可运行约480KM；从零加速到每小时100KM只需16s；反复充放电可行程2*10五次方KM；用于航空航天领域的蓄电池要求具有可靠性高，低温性能好，循环寿命长，能量密度高和体积小等特点，而锂离子电池具备这些特点，并已成功的应用与活性着陆器和漫游器的系列探测任务。在军事方面，前线部队动力系统的能量密度的高低是横梁其作战能力的一项重要指标。锂离子电池纳米氧化钛UG20可用于先进潜艇，导弹，隐性飞机等武器装备的动力电源。

锂离子电池（纳米氧化钛UG20）的广泛应用加快了锂离子电池，尤其是锂离子电极材料的研究和发展。特别是近几年来，随着纳米材料的发展，纳米电极也被很广泛应用，为锂离子电池材料的研究开辟了一种全新的思路。事实证明，利用纳米电极材料可以极大的提高电池的可用容量和扩散速率。

纳米材料口腔修复新趋势 第3篇

纤维桩：口腔医院座上宾

这个小东西是口腔医院的“座上宾”——当我们口腔里发生了龋齿，牙齿慢慢被腐蚀掉，当被腐蚀的部分到达牙根处就会伴有钻心的疼痛感。医生先对患牙进行修整，杀死牙根管暴露在外的神经，然后进行完善的根管治疗，在确认牙根没有炎症的情况下，就要用到这个小东西，它就是在医院的口腔科或牙科诊所里用作龋齿桩核修复的重要“零部件”——纤维桩。牙科医生首先会把一个纤维桩插入到牙根管里，然后在上面堆砌树脂核，光固化后预备至所需形态，再加上牙冠，最终通过打磨塑造成真牙的形状。

“过去，医院大多用的是金属铸造桩，时间长了，不仅会因其腐蚀性导致牙齿变灰暗，而且今后如果做核磁共振等医疗检查时也会受到影响。而纤维桩通过采用先进的纳米技术和复合材料成型工艺，克服了这些问题。”欧亚瑞康公司工作人员在展台上向观展者们介绍着这款新产品。

无论是金属铸造桩还是纤维桩，所起到的作用都相当于盖房子时打下的地基。在实际治疗操作中，纤维桩可以通过树脂类粘接剂与根管牙本质之间达到很高的粘接强度，延长修复体的使用寿命、减少根折的发生，有利于牙齿的保存和失败后的再修复。

由于具有独特的力学、美学和操作性能，纤维桩进入中国市场以来，受到了国内医生的一致认可和好评，在临床上广泛地得到了应用。目前，北京欧亚瑞康公司生产螺纹纤维桩的技术成果将准备落户北京市怀柔区纳米科技产业园，并建成国内唯一一条年产100万支口腔修复材料、螺纹纤维桩生产线。同时，公司目前在十二五国家“863”计划、十二五国家科技支撑计划、2010年度国家中小企业创新基金及北京市创新基金的支持下，正在加大力度研发一体化纤维桩、光固化预成型体、纳米填料增强型光固化树脂、纳米氧化锆陶瓷和纳米纤维引导组织再生膜等新型纳米口腔修复关键材料。

纳米“小”显身手

据欧亚瑞康公司技术人员介绍，科博会上展出的这款纤维桩是一种主要由石英纤维与高分子环氧树脂构成的复合材料。两种结构、性质迥异的材料如何很好地复合在一起，成为这款产品的研发重点。

纳米技术，可以在不破坏石英纤维的高强度性能条件下，通过纳米技术，在石英纤维表面“接”上一些纳米基团，与具有可塑性的高分子环氧树脂表面的基团紧密“结合”起来，从而使整个纤维桩兼备高强度与可塑性。由于纤维桩内部石英纤维与表面树脂的紧密结合，纤维桩可以为整个牙齿提供足够的支撑力，消除了在咀嚼中脱落的危险。

除了纤维桩以外，纳米技术还可用作口腔修复材料的强度调节、颜色调控、X射线阻射性调节。以X射线阻射性调节为例，在需要通过X射线做牙齿检查时，一颗树脂牙不能像真牙一样在X射线中显影，这样就无法看到口腔修复与周围的牙体组织是否有缝隙，无法判断是否修复完毕。如果在用于填充用的树脂中加入一些特殊的改性纳米级填料，当其均匀分布在树脂后，就可以产生X射线阻射性，从而使牙齿检查成为可能。强度调节和颜色调控也是通过添加相应的改性纳米填料来实现。

我们常说，量变会引起质变。这句话在材料学中也十分适用。当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。纳米粒子的表面积增大，粒子之间的空隙变小，与周围物质更贴合，并且粒子之间也更难被分开，从而可以产生较强的耐磨性和贴合性。这一特点在高科技口腔修复材料有很大的作用。

纳米材料的“小”除了给材料带来与众不同的才能，却也给研究者们带来不少的困扰。“由于自身尺寸微小，纳米粒子彼此吸附力强，让其均匀分布就十分困难。另外，当纳米粒子含量达到一定程度时，容易吸附在一起，就不再有纳米级材料的优势，因此，这也成为当前口腔修复材料产品研究开发的重要方向。”

纳米化：口腔修复材料研发趋势

纳米技术在口腔充填和修复材料中的应用可显著提高产品的性能。据悉，国际上常用的光固化树脂、氧化锆陶瓷、纤维桩修复材料等均已实现了纳米化。

以光固化树脂研发为例，公司技术人员介绍了纳米技术在口腔修复材料应用的趋势。

最初，传统的光固化复合树脂在使用时，通常处于玻璃态，脆性大，导致耐磨性较差；另外，在树脂分子聚合时存在一定的体积收缩，这种收缩会影响充填修复的预后效果，容易引发继发龋齿。

根据传统光固化复合树脂的问题，研究者们通过研究发现认为，通过引入纳米无机填料，可减少固化收缩、线性膨胀和材料吸水性，降低树脂固化时的热释放，提高复合树脂的综合机械性能。

然而由于纳米填料易团聚，在树脂基体中难以均匀分散，因此，添加量也难以提高。目前研究中认为比较有效的改进途径是，采用与树脂相容的高分子对无机纳米填料表面进行接枝改性，从而发展具有超低收缩率的充填修复树脂。

纳米技术的应用在口腔修复材料主要体现在两个层面，一是新型无机纳米颗粒的制备，二是对无机纳米材料进行表面改性，提高其与树脂基体的界面结合性。伴随着研究中的一个个问题的破解，納米技术从单纯的引入纳米级颗粒，已发展到对纳米填料本身进行物理化学变化，与周围的材料结合得更好，将整体材料性能发展到更加优异。

纳米材料应用浅析 第4篇

广义上的纳米材料是指组成物质的粒子至少有一维尺寸处于纳米级别。按照纳米粒子单元三维空间尺寸, 纳米材料可以分为三类, 分别是: (1) 一维纳米材料, 主要包括纳米颗粒和原子团; (2) 二维纳米材料, 其知粒子仅有一维尺寸处于纳米级别, 例如纳米丝; (3) 三维纳米材料, 其粒子仅有二维尺寸处于纳米级别, 例如薄膜材料。

2 纳米材料的发展和应用前景

2 l世纪的三大技术支柱是指新材料技术、生物技术和信息技术, 而纳米技术的问世则显著地提升这三大支柱技术的性能指标。

2.1 纳米切削刀具纳米化

我国第一把纳米涂层金刚石刀具是在合肥工业大学问世的, 这标志着纳米材料已成功地应用到了机械加工领域。纳米材料涂层刀具与硬质合金刀具的比较如图1所示。

与硬质合金道具相比, 纳米涂层的金刚石刀具是在工具钢的基体上, 在真空状态下, 利用金属原子的电沉积性质, 将特殊性能的化合物氮化钛或氮化铝钛形成厚度为2~3μm的硬质涂层。其表层的硬度可达到HRC90, 心部材料为工具钢硬度HRG55, 有一定的韧性, 因此可以在切削加工时, 减少因轴向切削力作用而产生崩刃或断刀等情况。由于纳米涂层的金刚石刀具表层有足够的硬度, 因此不但可以切削硬度较高的材料, 而且还可以提高切削的效率。纳米涂层在提高刀具表面硬度的同时, 还提高了刀具表面的耐磨性。这样就可以减少刀具的磨刀次数, 进而延长刀具的寿命。对于刀具材料来说, 具有足够的热硬性是不可或缺的, 而涂覆纳米涂层可使刀具的使用温度达到750℃, 同时刀具的切削表面硬度仍能保持在HRC80以上, 这样, 刀具就有了持续切削的能力。

2.2 纳米隐身技术

正是由于具有高超的纳米隐身技术, 因此以美国为首的多国部队的战机才在第一次海湾战争中成功地避开了伊拉克雷达的监控, 并以迅雷不及掩耳之势出现在伊拉克首都的上空, 一举摧毁了伊拉克的重要目标, 那么, 纳米隐身技术的原理是什么呢?其原理就是:当材料粒子的尺寸小于或接近光波的波长时, 粒子吸收光波的能力就会明显增强, 从而使光波的反射能力大幅衰减, 这样, 雷达就无法接受反射波, 进而达到了隐身的目的。另外, 由于纳米添加剂的尺寸很小, 因此增加了基体的表面积, 也就是说, 位于基体表面积的原子数量与原子总数量的比值将大幅度提高。研究表明, 在加入纳米添加剂后, 原子数比值增加了100倍左右, 从而提高了基体的表面能, 加强了原子的表面活性和粒子的吸附能力。

2.3 能源产业纳米化

绝大多数能源, 如煤炭、石油和天然气等都是不可再生资源, 照目前的能耗情况发展下去, 地球可能会出现能源枯竭的现象, 因此, 可再生能源的发展受到了各国的重视, 而纳米能源材料的研究也已经成为了世界上发达国家研究的重要课题。近年来, 我国开发和利用的新能源材料的研究获得了新的突破, 主要表现在纳米催化材料和光电转换材料上。由于纳米染料敏化太阳电池具有充电快、容量高、寿命长等特点, 因此国内一些高校和科研院所也都致力于纳米Ti02染料敏化太阳电池的研究。

3 结束语

纳米技术的发展与工业领域中其他技术的发展是密不可分的, 同时, 纳米技术的发展已经渗透到其他各种技术的发展中, 特别对信息工程、生物工程和机械工程中的技术变革起到了至关重要的作用。随着纳米技术研究的不断深入, 它会在各领域的发展中起到越来越大的作用。

摘要：纳米技术的发展水平决定了一个国家的工业技术发展水平。结合纳米技术的定义, 简单介绍了纳米材料的主要性能和具体应用, 最后展望了纳米材料的发展应用前景。

关键词：纳米材料,纳米技术,粒子,光波

参考文献

[1]孙权, 李志.纳米科技应用[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[2]杜锋.微纳米刀具材料成分及其性能M].北京:机械工业出版社, 2005.

纳米材料论文 第5篇

关键词：纳米材料; 表面化学; 生物分析; 应用;

1 无机纳米材料表面化学分析

纳米材料形成后， 表现会完全呈现出无机界面， 并且能有效包裹在表面活性剂中， 其本身并不具备生物动能， 且不能直接应用在细胞或者是生物活体上。基于此， 相关操作人员要对其进行表面化学的改性处理和修饰， 保证纳米材料生物功能得以发挥。并且， 在纳米材料表面化学研究体系内， 主要是对生物相容性、生物稳定性以及生物分散性等进行集中传递， 保证纳米颗粒研究效果更加直观[1]。

1) 表面物理化学性质出现变动， 多数无机纳米材料都是非极性物质， 基本的沸点较高， 要求在高温环境中形成， 表面都会出现油胺、油酸以及三辛基氧膦等物质， 能溶于非极性溶剂中。在对生物应用进行分析的过程中， 纳米材料溶解在水相中， 具备非常好的分散性以及稳定性， 为了其能发挥实际价值， 就要对溶解性等数据等予以综合处理， 整合表面改性。目前， 较为有效地表面改性处理机制就是替代法， 能和无机材料亲和力更好的分子进行处理， 完善替代性处理效果。

2) 进行靶向修饰操作， 主要是借助靶向功能分子完成基础的处理工作， 利用识别靶细胞的过程有效对受体进行识别处理， 将定位体系确定在目标组织中， 并且有效发挥相关物质的治疗和诊断功能。

3) 生物传感和检测。因为纳米材料本身具备光信号、电信号的传递能力， 因此， 在生物电子和生物传感器设计工作中， 要发挥纳米材料的生物相容性特征， 规避生物识别能力较差的弱项， 合理性完善纳米材料生物功能水平。并且， 进行生物传感处理后就能提升生物分子和组织细胞的固定能够效果， 也能借助生物高特异性判定相关数据， 构建更加有效的生物传感系统。

2 纳米材料表面化学在生物分析中的应用

2.1 细胞分析

伴随着科学技术的发展， 将技术应用在生物体系中， 主要利用的就是生物传感机制。目前， 生物体传感项目主要分为细胞结构、活体结构等， 相较于传统的研究项目和分子结构探针元素， 纳米材料能有效提升影像信号的强度， 并且整体细胞结构的靶向性能更加突出， 能为代谢动力学可控效果优化奠定基础。例如， 正电子发射断层成像技术、电子计算机技术以及核磁共振技术等都是较为常见的技术项目[2]。

(1) 将纳米探针应用在细胞环境中。细胞微环境中， 主要的影响因素不仅包括p H数值和细胞因子， 也包括氧化还原环境等， 温度和离子浓度也会对其产生影响。目前， 主要的研究方向就是对早期淋巴祖细胞进行环境分析和系统化数据处理。相关部门在对这项技术进行深度研究和探讨， 旨在为干细胞移植工作和化疗治疗提供更加有效的技术体系。例如， 在高p H环境中， 多巴胺分子处于不稳定的状态， 就会发生氧化还原反应， 形成多巴醌， 这种物质本身具有较强的还原势， 在对其进行量子点电子激态处理的过程中， 能形成转移就会对辐射跃迁造成影响， 造成荧光动态淬灭。

(2) 将纳米探针应用在酶活性测定项目中， 尤其是酶催化反应过程。因为在肿瘤组织中， 酶本身就会出现变动， 利用水解细胞结构间质的方式， 癌细胞就会从原发部位直接脱落， 借助血液循环实现癌症的转移， 正是对其异常问题进行分析后不难发现， 有效借助那么纳米探针对酶结构异常表达进行测定对医疗项目研究具有重要意义和价值。

2.2 癌症诊疗

化疗治疗过程在医学研究中具有重要意义和价值， 在临床化疗中主要应用的是阿霉素以及紫杉醇等药物， 药物依旧存在靶向性不好的问题。目前， 较为有效的`靶向性处理机制中， 主要是借助主动靶向完成纳米药物的运输， 并且对肿瘤成像以及治疗过程进行约束和管理。基于此， 合理性将纳米材料表面化学应用在癌症治疗中， 能对包裹和吸附过程进行控制， 并且有效达到缓释的效果， 减少副作用对人体的伤害。在纳米技术不断发展的背景下， 二氧化硅、贵金属以及氧化铁纳米颗粒等物质的应用范围更加广泛， 能有效完成靶向处理以及药物释放过程的可控性， 从根本上推进了诊疗一体化以及药代动力学体系的融合， 也为诊疗水平和效果的优化奠定了坚实基础[3]。

3 结束语

总而言之， 在对纳米材料表面化学在生物分析中应用进行研究的过程中， 要结合科学技术的发展现状， 并且有效结合临床诊疗效果， 完善材料分析的同时， 对靶向性等因素予以集中分析， 促进生物分析和药物治疗水平的全面进步。

参考文献

[1]卢灵龙.土建工程施工进度的控制与管理策略[J].中华民居， ， (7) :543-544.

[2]张薇.土建工程施工进度的控制与管理策略[J].建筑工程技术与设计， ， (33) :1765.

纳米材料的特性及应用前景 第6篇

关键词：纳米材料；特性；应用

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）14-001-01

一、引言

自从20世纪发现纳米材料以来，纳米材料被誉为是21世纪构成未来智能社会的四大支柱之一，而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。由于碳纳米管具有强度高、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、比表面积大并具有许多吸引人的电子性质。

二、纳米材料的基本特性

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。

1、表面效应

纳米材料的表面效应[1]是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

2、小尺寸效应

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质：

（1）力学性质

（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。

（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。

（4）磁学性质

小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体

三、纳米材料的应用前景

1、信息产业中的纳米技术

纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。

2、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。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。

3、能源环保中的纳米技术

合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。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。

4、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，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。

5、纳米生物医药

这是我国进入WTO以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药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。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。

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，尤其是能源、人类健康和环境保护等重大问题。可见，纳米技术对我们既是严峻的挑战。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。

参考文献：

[1] 王旭.浅论纳米材料的特性.大观周刊,2012(6).

[2] 汪云.纳米材料应用前景十分广阔.广州化工,2007.35(6).

[3] 周震.纳米材料的特性及其在电催化中的应用.化学通报,1998(4).

[4] 单志强.纳米材料特性及其在环境保护领域的应用.环境技术,2005,23(2).

[5] 吉云亮.刘红宇.纳米材料特性及纳米技术应用探讨.中国西部科技,2007(7).

纳米材料的潜藏风险 第7篇

经济合作与发展组织认为, 凡是尺寸在1~100 nm范围内的化学物质均可视为纳米材料。其中, 富勒烯、氧化铝、纳米粘土等纳米材料优先列入风险评估工作。目前, 全球涉及纳米材料的消费品有1 827种。其中, 中国生产的基于纳米材料的消费品多达58种。在我国, 纳米材料研发机构采取了常规职业卫生安全措施。然而, 仅33.3%机构设有针对纳米材料的专门防护, 且执行力度欠佳。这些资料警示我们在纳米材料生产和 (或) 使用过程中亟需按最新研究认知, 采取职业卫生安全防护措施。

散溢至作业场所空气环境中的纳米材料, 至少有33.3%的粉尘处于可吸入粒径范围。在自动化程度低、职业卫生安全防护意识薄弱、防尘措施不到位的企业中, 劳动者可能面临着不可接受的职业健康危害风险。多年来的纳米材料毒理学证据揭示了其具有独特的生物学效应。即便是同种化学物质, 纳米材料的毒性远大于微米级材料。除化学元素外, 尺寸效应也是影响纳米材料毒效应的参考因素。美国国家职业安全卫生研究所 (NIOSH) 发布的关于纳米二氧化钛、纳米碳管和碳纤维职业接触限值研究报告认为, 对于微米级二氧化钛而言, 其职业接触限值为2.4 mg/m3, 而纳米二氧化钛的职业接触限值为0.3 mg/m3。此外, 纳米二氧化钛还存在一定的致癌性, 而微米级二氧化钛尚未发现其致癌风险。纳米碳管和碳纤维的职业接触限值仅为1μg/m3, 远远小于石墨的职业接触限值 (5 000μg/m3) 和黑炭的职业接触限值 (3 500μg/m3) 。

案例

严格的职业接触限值势必要求企业执行更高规格的职业卫生防护措施。临床病例报道显示, 在职业安全卫生防护措施不到位的场所, 职业性纳米材料接触可产生潜在的不良健康结果。2009年, 《欧洲呼吸杂志》 (Eur Respir J) 刊登了纳米材料所致肺部损伤的临床案例报道。在工作场所职业卫生条件较差的情况下, 7名女性工人在接触纳米材料后, 因气短和胸腔积液而入院诊治。入院观察7个月后, 经肺功能检查结果显示, 她们有不同程度的小气道损伤和限制性通气功能障碍。经组织病理检查可见, 肺组织上皮细胞内含纳米颗粒, 而肺间质血管内红细胞周围集聚大量纳米颗粒。2014年, 《美国工业医学杂志》 (American Journal of Industrial Medicine) 刊登了纳米镍对接触工人健康影响的个案报道。在未采取任何个体防护措施的情况下, 1名26岁女性工人对纳米镍粉体进行称重和处理作业后, 出现喉咙刺激、鼻塞、面部潮红等过敏症状。“斑片”试验显示其对镍过敏, 肺功能检查发现激发试验呈阳性。由于上述症状的反复出现, 该工人难以继续在该企业工作。

尽管现有流行病学研究资料尚不足以论证纳米材料暴露与健康危害风险的关系, 但人群生物样本检测结果数据显示:纳米材料接触可能造成机体小气道损伤、抗氧化分子下调、炎症效应分子上升、呼出气体成分改变等现象。这些研究资料促使人们更加重视纳米材料的职业健康问题及其应对措施。

防护措施

为了维护工人健康权益和促进纳米产业绿色发展, 国际社会在卫生工程及个体防护方面取得了一些实践经验。2009年, NIOSH发布的《工程纳米材料职业卫生安全管理》指南为应对纳米材料产业的职业卫生问题提供了较为系统的参考建议。

工程防护

2014年, NIOSH在纳米材料生产场所的工程防护方面提出了参考指南。由于纳米材料的合成在反应釜或密闭容器内完成, 仅当反应过程发生泄漏事故时, 劳动者才有接触风险;而在纳米材料混合、干燥、热处理、收集、包装、反应釜清洁过程中, 劳动者具有一定的接触风险。总体而言, 企业可考虑使用自动化的产品转运装置, 使劳动者避免接触纳米材料或其蒸发生成的气溶胶;螺旋送料装置或气动输送装置等闭合装置也可大大减小纳米材料的散逸概率。另外, 管道间连接处需应用法兰式垫片, 避免纳米材料向外泄漏;管道内要尽可能保持低压, 避免因作业场所的空气与管道内的气体产生的压力差造成纳米材料外泄;可考虑增加局部通风装置。出料口的袋子应采取必要的密闭处理, 防止纳米材料扩散至作业场所空气环境中。若需手工处理纳米材料, 应考虑减小容器容积, 控制单次处理总量和潜在的接触风险;如有条件, 可考虑在相对低温和低压的环境中对纳米材料进行处理和加工。此外, 常规的通风和除尘设施可降低作业场所空气环境中纳米材料浓度水平。

个体防护

2015年, 美国工业卫生协会 (AIHA) 发布了《工程纳米颗粒个体防护用品》文件, 该文件主要作了如下4点规定:

一是, 在存在纳米颗粒散逸的作业条件下, 需配置符合相应国家标准的呼吸面罩或防尘口罩。凡是使粉尘截留效率达95%、99%、99.97%的防尘口罩或呼吸面罩, 都能达到有效阻隔纳米颗粒的目的。值得注意的是, 呼吸防护用品的密闭性和舒适性在能否达到预期防护效果方面具有重要的现实意义。

二是, 在纳米材料生产或使用过程中, 劳动者可考虑选择适当的防护服。既要考虑纳米材料本身的化学特性, 还要考虑用于储存或承载纳米材料的溶剂的化学特性。在相对低毒且低暴露风险的条件下, 涤纶或棉织物材质的防护服即可达到防护目的;而在相对高毒且高暴露风险的条件下, 高密度聚乙烯材质的防护服可起到较好的防护效果。要注意避免使用纸质、羊毛、棉料或无纺布类材质的防护服。

三是, 在存在纳米材料皮肤接触的情况下, 有必要佩戴手套。当处理的纳米材料溶于溶剂时, 安全数据表对于如何选择手套提供了参考建议。绝大多数情况下, 氯丁二烯、丁腈橡胶、乳胶等材质的一次性手套可满足皮肤防护要求。视手套品质和厚度以及操作过程产生手套变形的概率, 可考虑穿戴2副手套。

四是, 在避免纳米材料飞溅并造成眼部接触的时候, 可考虑配戴防护眼镜。紧密贴合眼廓且伴有防尘功能的护目镜可起到良好防护效果。

此外, 要避免在去除防护用品的过程中造成的二次污染。劳动者应首先缓慢脱外层手套, 注意将手套内侧外翻, 并将脱离的手套放至统一集中的容器内;其次摘除护目镜;再脱防护服, 将防护服内侧外翻并将受污染的衣服轻轻地折叠, 放至统一集中的容器内;最后依次摘除呼吸防护用品和内层手套;随后以流水清洗手和前臂。

纳米材料学 第8篇

纳米氧化镁具有优良的耐热性、绝缘性、热传导性、补强性和很高的抗拉强度,当其用作塑料、金属和陶瓷的改性与增强材料时,显示出极佳的物理、化学性质和优异的机械性能[2,3]。而且氧化镁与金属基、非金属基相容性好, 在结构复合材料的基体中有很好的分散。

本方法以碳纳米管为模板,采取前驱物分解法制备出碳纳米管/氧化镁纳米复合材料,有望成为一种新型的功能材料。

1 实验部分

1.1 设备及分析仪器

SX-5-12型箱式电阻炉,天津市斯特仪器有限公司生产;美国FEI公司quanta 200扫描电子显微镜;配带OXFORD INCA 250能谱仪;SIMENS公司D5005X-射线衍射仪;美国Nicolet/instruments公司NEXWS 470傅立叶红外光谱仪;法国SETARAM公司TG-DTA92/DSC-111热重/差热联用分析仪。

1.2 分析测试方法

(1)在SIMENS公司D5005X-射线衍射仪上分析样品的物相。测试条件:CuK a辐射,管流15mA,管压35mV,扫描速度0.2°/min。

(2)在美国FEI公司Quanta 200扫描电子显微镜上观察晶化产物的形貌,结合OXFORD INCA250能谱仪分析元素的组成。

(3) 美国Nicolet/instruments公司NEXWS 470傅立叶红外光谱仪对样品红外吸收特征进行表征,KBr压片。

(4)TG-DTA92/DSC-111热重分析仪对样品进行热分析。

1.3 样品制备

1.3.1 碳纳米管的制备

碳纳米管的制备参照相关文献[4]

1.3.2 碳纳米管/氧化镁晶须复合材料的制备

将一定量的碳纳米管超声分散于无水乙醇中,然后加入到一定浓度的MgCl2溶液中,搅拌均匀后,升温到50℃,在磁力搅拌下,缓慢滴加入一定量氨水溶液,形成白色沉淀。滴加完毕,继续反应2h,室温下静置2h。将沉淀物过滤分离,滤饼分别用水和无水乙醇洗涤数次后,于80℃下真空干燥,得到白色前驱体。最后在空气气氛中600℃下煅烧4h,即得到碳纳米管/氧化镁纳米复合材料(称为样品S)。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

对样品S进行XRD分析,如图1所示。显示出碳纳米管和氧化镁的衍射峰,说明样品S是由碳纳米管和氧化镁组成的复合材料。

2.2 红外光谱分析

对样品S进行IR分析,如图2所示。3356.31cm-1的峰为水的吸收峰,可能是样品中或KBr中有微量的水分,也可能是在测试过程中吸收了空气中的水分;428.83cm-1的峰是Mg-O的弯曲振动吸收峰, 538cm-1的峰为Mg-O的伸缩振动吸收峰。图中没有C化合物的峰,说明碳纳米管在反应中未受到破坏,也没有与MgO形成化学键。

2.3 扫描电子显微镜分析

对碳纳米管和样品S进行扫描电子显微镜观察和能谱分析,结果如图3、图4所示。从图3可以看出,碳纳米管管壁光滑,说明碳纳米管管壁上的缺陷较少,这为氧化镁的沉积提供了很好的衬底。与碳纳米管相比,氧化镁在碳纳米管表面沉积后,管径变粗且管壁表面较粗糙(b、c是不同放大倍数的前驱物扫描照片,从c图可以更清楚地看到管壁表面沉积的小颗粒)。前驱物煅烧后,形貌保持不变。

图4是样品S的面扫描能谱图,可以清楚地看到样品S由C、Mg、O组成。

2.4 讨论

晶体成核理论认为,在晶体成核过程中,根据成核发生的方式,大致可分为三种类型:均相成核(自发的),非均相成核(由其他粒子诱发)和二次成核(由晶体诱发)。非均相成核的成核功较均相成核的成核功小,也就是说非均相成核比均相成核容易。

在本研究体系中,加入了碳纳米管,提供了发生非均相成核的界面,而非均相成核比均相成核容易,所以加料结束后,溶液中离子扩散碳纳米管表面,在碳纳米管表面发生非均相成核,随后晶核在过饱和浓度的驱使下生长成晶体,也即含碳纳米管的前驱物,经化学分析(络合滴定)为5Mg(OH)2MgCl28H2O。因为晶体生长沉积在碳纳米管上,所以反应结束时管径变粗。

图5是前驱物的DTG-TG曲线。由图5可看出,主要有4个峰值。前3个峰是失去表面吸附水和结晶水,并伴随氯化镁的水解失去部分氯化氢气体,最后一个峰是碱式氯化镁分解变成氧化镁。

由前驱物的DTG-TG曲线可知,含碳纳米管的前驱体在600℃煅烧4h时,沉积在碳纳米管上的碱式氯化镁分解变成氧化镁,而碳纳米管没有发生变化。在煅烧前后复合材料形貌保持不变,即所谓的假象技术。

3 结 论

以碳纳米管为模板,采用前驱物分解法合成了碳纳米管/氧化镁纳米复合材料。该材料是由氧化镁均匀包裹在碳纳米管上构成的一种复合材料,管径约100nm。和碳纳米管相比,复合材料管径变粗且表面粗糙,有望成为一种新型的复合材料增强剂。

摘要：以碳纳米管为模板,采取前驱物分解法合成了碳纳米管/氧化镁纳米复合材料,用XRD、IR、SEM和TG-DTG对产物进行了表征。结果表明,产物是由氧化镁均匀包裹在碳纳米管上构成的一种复合材料,管径约100nm。和碳纳米管相比,复合材料管径变粗且表面粗糙。

关键词：碳纳米管,氧化镁,前驱物分解,纳米复合材料

参考文献

[1]Florian H G,Jacek N,Zbigniew R.[J].Chemiccd Physics Let-ters,2003,370:820-824.

[2]Evans C C.Whiskers[M].London:Mills Boon Li mited,1972:1-68.

[3]Li Wu(李武).Inorgan Whisker[M].Beijing:Chemistry Indus-try Press,2005,120-130.

纳米材料学 第9篇

纳米科技的发展,不仅把人们的思维引入到先前被忽视的介于宏观和微观之间的中间领域,而且已经带来了实实在在的纳米产品;在我们的周围不仅出现了新型材料,而且因为纳米技术的引入,传统材料的性能也得到了升级换代。

无机非金属材料工程是一门本科专业,涉及的主要是硅酸盐等传统材料,但基于当前材料发展的趋势,以及部分学生未来研究的需要,有必要为他们开设一门新的课程——《纳米材料与纳米技术》。这不仅仅是为了拓宽他们的知识面,了解材料科学研究的前沿领域,更重要的是让他们从中得到启发,了解科学研究的一般性思维,培养其创新能力。笔者根据本课程的特点,结合该专业学生的情况以及教学实践,从教学目的、教学内容、教学方法及课程考核等方面作出一些思考和探索。

1 教学目的的制定

无机非金属材料工程专业的培养目标之一是学生要具备材料测试、生产过程设计、材料改性及研究开发新产品、新技术和设备的能力。虑及于此,我们在制定《纳米材料与纳米技术》课程的教学目的时,应该要结合这一目标和该门课程的特点,作出具体规定。即通过课堂教学、课堂讨论及实验教学使学生理解纳米材料的基本概念和基本理论;了解纳米材料的物理性能和化学性能;了解、掌握纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围;掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法;了解纳米材料的功能特性、实际应用、研究进展以及对当今社会的影响等。培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。

无疑,这种教学目的的制定为该专业培养目标的实现起到了补充与强化的作用,尤其在材料改性及研究开发新产品、新技术方面,纳米技术的应用为其增添了新的思维和方法。

2 教学内容的选择

无机非金属材料工程专业开设了无机及分析化学、物理化学、大学物理、无机材料物理性能、材料研究与测试方法等课程,这为进一步学习《纳米材料与纳米技术》课程奠定了基础。基于此,结合该门课程自身特点以及实际的学时数,我们将教学内容进行了适当的选择和安排。先是简单介绍纳米科技的基本概率、研究内容及发展状况,在此基础上进一步介绍纳米材料的基本知识及研究现状,重点讲解纳米材料的四大效应等基本理论。然后是按照纳米材料维度的顺序安排教学内容,即从零维、一维、二维到三维纳米材料的顺序分别介绍其基本概念、结构、制备方法、性能及应用。其中零维纳米材料,即纳米微粒的制备与表面修饰是重点内容,其难点是各种制备方法的比较以及应用范围;一维纳米材料中重点学习碳纳米管的有关内容;二维纳米材料中重点学习陶瓷薄膜,其难点是比较制备陶瓷薄膜与纳米粒子工艺要素的不同及工艺控制;三维纳米材料中重点介绍纳米陶瓷、纳米玻璃等无机非金属材料,其难点是纳米固体材料烧结过程中晶粒长大的机制及控制。再是从单一纳米材料到纳米复合材料的学习,其中陶瓷基纳米复合材料是重点;最后是纳米材料的测量与表征,这是该门课程的重点章节。

3 教学方法的探索

《纳米材料与纳米技术》是一门交叉性学科,涉及到的知识较为宽泛;而授课的对象又是相对较为浮躁的大四学生,所以为了取得更好的教学效果,有必要作出一些教学方法上的探索与改进。

3.1 教学设计的调整

由于受传统教育思想的影响,在以往的教学实践中,“师本位”的理念占据主导地位,一直存在着“重讲授轻学习”的现象,学生学习的主动性和积极性难以调动,从而压抑了学生主体性的发展。而教学过程应该是一个学生通过自主活动和实践进行主动建构的过程,要明确教师的“教”是为了学生更好的“学”,学生要成为教学活动的全面参与者,教师要成为学生主动学习的指导者和组织者。为此,我们在进行教学设计时应始终贯穿“以学生为中心”这一理念,突出学生的主体地位和教师的主导作用[1]。例如,在学习“纳米材料的研究现状和发展前景”时,可以先将学生进行分组,组织他们分别进行零维、一维、二维、三维以及复合纳米材料的调研,指导他们广泛查阅国内外文献,再进行组内讨论和总结,最后让他们在课堂上陈述报告,从而完成学习。无疑,这种教学方式避免了教师在课堂上的“灌输”过程,充分调动了学生学习的兴趣,同时学生还学会了查阅资料的方法,团结协作精神也得到了培养。

3.2 启发式教学的运用

“学起于思,思起于疑”。只有巧妙设疑,才能有效激发学生学习的主动性和积极性;而没有疑问,就不会产生思考,就没有智力的发展和能力的提高,也就没有学生创造力的培养。巧妙设疑是启发式教学的关键。教师在教学中应该要引导学生提出问题、分析问题、解决问题,即善于引导学生生疑、质疑、解疑。而设疑并不等同于一般的课堂提问,它不要求学生马上回答,而是设法造成思维上的悬念,使学生处于暂时的困惑状态,进而激发解疑的动因和兴趣[2]。例如在学习纳米材料的基本理论时,我们可以从生活中的常见现象着手:出于淤泥而不染的荷叶为什么具有自清洁功能呢?家鸽可以传书,它为什么可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家?更为离奇的是,处于大西洋东海岸的佛罗里达的小海龟,通常要到大西洋另一侧靠近英国的小岛附近生活,而回去的路线与来时的路线不一样,这种历经5~6年时间和几万公里的迁移,最终却能准确无误地回到出发点,这是为什么?显然,这种问题情境的设置激发了学生的学习兴趣。接下来的释疑可以让学生们自己去解决,对于其中的难点教师可以进行适当的点拨和指导;当然问题的答案也可以从教师生动有趣、透彻入理的讲授中寻找。

3.3 互动式教学的展开

所谓“互动式”教学,是指通过建立一个完备的激励机制,将多种教学模式有效融合起来,激发学生学习的自觉性和主动性,让学生在课前预习基础上积极参与课堂上的讲授、提问和讨论,再作课后巩固消化,使师生、生生间有机会进行充分的沟通与交流,形成一种教师“教”与学生“学”的互动机制[3]。具体操作时可以先将学生分成多个课题小组,课堂讨论以小组的形式进行,再把整个教学过程分成三个阶段:

第一阶段,在教师提出要求、指明方向的基础上,学生进行课前预习并发现问题。这是问题教学模式和指导—发现教学模式的有效结合。例如,在进行“纳米固体材料”的教学时,可以先让学生寻找我们身边的纳米固体材料,引导他们考虑这些材料与普通材料在性能上有哪些不同。而学生在预习的过程中,可能会进一步想到它们性能上为什么有不同?这些材料是怎么做出来的呢?

第二阶段,在课堂中,将学生和老师的提问、学生的讨论以及教师的集中讲授相结合。学生可以先将预习中遇到的问题提出来相互间进行讨论,老师再把教学中的重、难点以问题的形式提出来,如纳米固体材料中的结构缺陷有哪些?这些结构如何表征?这些问题先由学生回答,以引起他们的重视;接下来是教师占用大约一半的时间进行集中讲授该章节的基本知识、基本理论,加强关键点和难点问题的指导;之后再由学生以组为单位进行讨论,得出结论。

第三阶段,课后,学生需要进一步查阅文献、准备讨论老师课堂上留下来的思考题,以即时巩固和消化所学知识,达到教学目的。

当然,针对不同的教学内容,互动式教学可以采取不同的具体形式,如通过网络平台的互动,使教学空间和时间得到了拓展。尽管形式不同,但其宗旨不变,即强调教育的本质是师生间的多向交流,而非单向的传授。

3.4 多媒体的恰当运用

多媒体技术是一种把运载文本、图形、视频、动画和声音等信息的媒体集成在一起,并通过计算机综合处理和控制的信息技术[4]。将这种技术引入到教学中,可以动用声、形、景、动、静等多种手段来呈现教学内容,从而使枯燥的知识变得生动、抽象的理论变得具体。

多媒体教学有许多传统教学所没有的优点,例如,在介绍纳米微粒分析所用的大型仪器时,其内部结构可以通过视频或动画的方式进行呈现,而即使实际观察这些仪器时,因不能拆解也无法看到其内部。纳米材料的表征和性能测试所涉及的大量图表,可以通过屏幕的直接显示,引领学生去分析和理解。而一些纳米材料的制备过程,也可以通过示意图的形式直观显示出来,这让学生更易记住和掌握。对于一些具有较多文字的表格,例如“常见无机纳米粒子的制备技术特点的比较”,可通过多媒体屏幕一次性显示,这将会节约大量的课堂时间。

尽管多媒体教学能够大大提高教学效率,但有时这种高速带来的却是低效。因为教师不是边写、边画、边讲,而是将各类结构、原理图、操作过程等直接展示给学生,学生由于没有时间思考,难以跟上授课的节奏,更无法做好课堂笔记[5]。为避免这种情况的出现,教学时应将多媒体与板书相结合,将一些重点内容写在黑板上,而难点知识,比如一些公式的推导,更应采用板书方式,以留充分时间让学生记录和思考。

3.5 理论与实践的结合

《纳米材料与纳米技术》是一门实践性很强的学科,为增强学生的学习兴趣和学习效果,教学中可多举实例,并适当安排实验。如每章内容的学习均采用介绍案例的方式导入;而“纳米材料的制备和应用”部分则通过列举更多的实例进行教学。例如,在学习“纳米薄膜”一章时,可从介绍制造太阳能电池的两种纳米技术的竞争着手,引出纳米薄膜的基本概念和结构。学习纳米薄膜的制备方法时,列举了SnS2、SiC、Ni/Cu、Si/SiO2、Nd-Fe-B-Fe、ZnO及PbTiO3等薄膜的制备[6]。通过这些应用案例的学习,使学生们对纳米薄膜的制备有了更多感性的认识。由于选修课课时少,实验课采取了开放式教学,结合一些老师的研究课题进行分组实验,如纳米TiO2的制备、粒径的分析、光催化性能的测试等,实验中巩固了所学的知识,同时还锻炼了动手能力、培养了团队精神。

4 课程考核的改进

《纳米材料与纳米技术》是一门新兴学科,也是当前材料研究的前沿领域。本课程的目的是使学生对纳米材料的研究有个一般性了解,包括制备、表征及性能测试,重点则是培养学生的创新思想和分析问题、解决问题的能力,因此,传统的闭卷考试难以评价对这门课程学习的真正效果。为综合评价学生在整个学习过程的表现,将学生的平时成绩、作业成绩和课程论文的成绩加权平均,作为学生的最终考核成绩。平时成绩根据出勤率、课堂表现等来确定。课程论文则是结合所学的专业和自身兴趣,在纳米陶瓷、纳米玻璃、陶瓷基纳米复合材料、碳纳米管材料、介孔材料等方面自由选题,再通过查阅文献,撰写一篇不少于3000字的综述。综述中要求重点阐述该类材料的制备、主要性能和应用以及当前的发展状况等,也可加入自己的见解。结果表明,通过这种课程论文的撰写,充分调动了学生的积极性,培养了他们的创造性思维。从中还学会了如何查阅文献,如何进行总结,了解了该类材料的研究方法和当前的研究状况。这种考核方式不仅检验了对本课程知识的掌握,更是对学生综合素质和能力的检验。

5 结 语

在无机非金属材料专业中开设《纳米材料与纳米技术》课程是材料学发展的必然趋势。为了拓宽学生的知识面,以及未来研究和发展的需要,结合该门课程的特点和学生的实际情况,从教学目的、教学内容、教学方法以及课程考核等方面进行了系统的探索和改革,实践证明,这些举措的实施取得了良好的教学效果,为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用。

参考文献

[1]李荣昌.浅谈工程力学课堂教学学生主体性的发挥[J].科技创新导报,2011(4):175-176.

[2]孟宪艮,李淑奇.启发式教学的认识误区与实现条件[J].科教导刊,2012(6):16-17.

[3]吴庆田.《金融学》课程实施“教学互动制”改革实践研究[J].学术论坛2012(4):217-219.

[4]崔新会,何志强,臧丽娜.谈教学中使用计算机多媒体的误区及对策[J].科技信息,2008(14):513-514.

[5]陈晓秋.多媒体教学使用的反思[J].中国现代教育装备,2010(16):17-19.

铁军化工开发两纳米改性材料 第10篇

纳米改性聚脲涂料是在聚脲涂料中加入纳米材料, 性价比要高于单纯聚脲产品材料2~3倍。铁军化工总经理贺军会告诉笔者, 改性后的纳米聚脲涂料在柔韧性、耐磨性、附着力、抗冲击强度、耐腐蚀等方面性能较传统材料大幅提升。目前他们生产的纳米改性聚脲涂料已成功应用于化工设备、除盐水箱罐体内外壁、地坪以及铁路桥梁等设备设施的防腐、防水。

纳米复合材料改性乙烯基玻璃钢是由高强度的纤维和树脂复合而成的新型复合材料, 采用无氟无硼无碱耐酸玻纤直接缠绕纱和单向布纤维, 以提供玻璃纤维增强塑料的强度和刚性;树脂采用耐高温的酚醛型乙烯基树脂或阻燃型乙烯基树脂, 以确保其耐化学性和韧性。

聚苯胺纳米材料的制备及应用 第11篇

关键词：聚苯胺；纳米材料；制备；应用

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0042－02

聚苯胺具有原料易得，合成简便，掺杂机理独特，优良的环境稳定性、电磁微波吸收性能、电化学性能及光学性能和潜在的溶液和熔融加工性能等优点，被认为是最有希望在实际中得到应用的导电聚合物材料，在日用商品及高科技等方面有着广泛的应用前景。［1，2］因此，自MacDiarmid等发现其质子酸掺杂过程后，［3，4］聚苯胺一跃成为当今导电聚合物研究的热点和推动力之一，备受人们的关注。在这30多年期间，国内外相关学者们已对聚苯胺各方面进行了较为深入的研究。

1 聚苯胺的制备方法

聚苯胺通常由苯胺单体的化学氧化聚合或电化学氧化聚合的方法来制备，选择不同的合成方法和合成条件所得聚苯胺的微观形貌和各种物理、化学性质都有较大的差异。

1.1 化学氧化聚合

化学法制备聚苯胺一般是在酸性介质中把氧化剂直接加入到苯胺溶液中，使苯胺发生氧化聚合反应，生成粉末状的聚苯胺。苯胺的化学氧化合成法具有操作简单、反应条件容易控制等优点。研究较多的化学氧化聚合法主要有溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合与现场吸附聚合法等。

1.1.1 溶液聚合法

聚苯胺的溶液聚合是指在酸性溶液中用氧化剂使苯胺单体氧化聚合。化学氧化法能够制备大批量的聚苯胺，也是最常用的一种制备聚苯胺的方法。化学氧化法合成聚苯胺主要受到反应介质酸的种类及浓度、氧化剂的种类及浓度、单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。质子酸是影响苯胺氧化聚合的重要因素，它主要起两方面的作用：提供反应介质所需的pH值和充当掺杂剂。苯胺化学氧化聚合常用的氧化剂有：H2O2、K2Cr2O8、MnO2、（NH4）2S2O8、FeCl3等。

1.1.2 乳液聚合法

乳液聚合有两大类型：①水包油（O/W）型，称为普通乳液聚合；②油包水（W/O）型，即反相乳液聚合。它们的差别主要体现在反应连续相的选择上，O/W型乳液的连续相是水，而W/O型乳液的连续相是有机溶剂。典型的乳液聚合过程为：以表面活性剂（如有机磺酸钠等）为乳化剂，同时加溶剂（如水、二甲苯）及苯胺，再用氧化剂（如过硫酸铵（NH4）2S2O8）引发聚合，反应结束用丙酮破乳，经洗涤、干燥即得产物聚苯胺。［5］乳液聚合所得聚苯胺在溶解性、热稳定性等方面优于溶液聚合法所得产品。

1.1.3 微乳液聚合法

微乳液聚合体系由水、苯胺、表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂等在适当配比下组成，所得微乳液中乳胶粒粒径分布比常规乳液聚合得到的乳胶粒径分布要窄，其分散液滴大小仅10～100 nm。与传统乳液聚合法相比，微乳液聚合法可大大缩短聚合时间，并且所得产物的电导率和产率均优于采用传统乳液聚合法合成的聚苯胺。

1.1.4 现场吸附聚合法

现场吸附聚合法也是化学氧化聚合法中的一种，它是在新配制的过硫酸铵和苯胺的酸性水溶液的混合液中浸入基体材料，使苯胺在基材的表面上直接发生氧化聚合反应，使得聚苯胺可以“吸附”沉积在基材的表面，形成一层致密的膜。［6］

1.2 电化学聚合法

电化学法制备聚苯胺是在含苯胺的酸性电解质溶液中，选择适当的电化学条件，使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。电化学氧化聚合的优点是聚合产物纯度高，反应条件简单且易于控制，没有氧化剂引起的污染，在电极上直接成的膜性能较好等。

2 聚苯胺的应用

聚苯胺具有许多优异的性能，如导电性、氧化还原性、电致变色性、质子交换性质以及光电转换特性等，在传感器、电致变色、抗静电、二次电池、电磁屏蔽、气体分离膜、电催化材料以及金属防腐等方面均有着广泛的应用前景。

2.1 导电性应用

聚苯胺不同于一般的导电聚合物，其导电性主要决定于两个因素：质子化程度（掺杂率）和分子链的氧化还原程度。当氧化还原程度一定时，聚苯胺电导率与溶液pH值、温度、水汽以及其他气体等有关。因此，可制作对pH、温度、湿度或者气体敏感的传感器，［7，8］如NH3、NO2、H2S气体指示器及湿度传感器等。

2.2 电化学效应及应用

由于聚苯胺具有多种氧化还原态，在水和非水溶液中都呈现可逆的氧化还原反应，因此具有较高的电荷存储能力，可作為电池或者超级电容器的电极材料。在水溶液中聚苯胺与Zn组成的电池电位可达2 V；［9］在非水溶液中聚苯胺与Li组成的电池可产生3～4 V的电位。

2.3 防腐性能的应用

聚苯胺具有氧化还原活性，可以与金属表面反应生成致密的钝化层，防止进一步的腐蚀反应。研究表明，聚苯胺保护膜层即使存在针孔缺陷，仍对金属材料具有防腐作用。聚苯胺涂层这种抗点蚀和抗划伤的能力是其他防腐涂层所不具备的。

2.4 其他性质及应用

聚苯胺的颜色可随着氧化态的变化而改变，而且这种颜色变化具有一定的对比度、可逆性和记忆特性，使其作为电致变色材料用于显示器、节能窗及伪装隐身等。聚苯胺还具有较好的电磁波吸收性能，可望用作微波吸收剂。此外，聚苯胺也可应用于电流变、印刷电路板的制作、光学信息存贮材料及电容器等领域。

参考文献：

［1］Liu H, Hu X, Wang J, et al., Macromolecules, 2002, 35.

［2］Park J, Park S, Koukitu A, et al., Synth. Met., 2004, 141.

［3］MacDiarmid A G, Chiang J C, Huang W S, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 125.

［4］MacDiarmid A G, Chiang J C, Halpem M, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 121.

［5］Osterholm J E, Cao Y, Klavetter F, et al., Synth. Met., 1993, 55.

［6］Travain S A, de Souza N C, Balogh D T, et al., J. Colloid Interface Sci., 2007, 316.

［7］Tan C K, Blackwood D J, Sensors and Actuators, 2000, 71（3）.

［8］Matsuguchi M, Io J, Sugiyama G, et al., Synthetic Metals, 2002, 128（1）.

［9］Ryu K S, Kim K M, Journal of Power Sources, 2007, 165（1）.

（编辑：尤俊丽）

Preparation and Application of Polyaniline Nanomaterials

Zhao Xiaoling, Liu Zhihua

Abstract: Due to its cost effective, facile synthesis process, environmental stability and adjustable conductivity, polyaniline （PANI）, one of the most attractive conductive polymers, has been studied intensively for more than 30 years. This paper describes the preparation and application of polyaniline nanomaterials.

Key words: polyaniline; nanomaterials; preparation; application

纳米颗粒材料研究的新进展 第12篇

纳米颗粒是颗粒材料家族中富有活力的重要成员,由于具有纳米效应和奇特的物性,近30年来一直备受关注,在基础和应用研究等方面都取得了引人注目的成果。最近几年以应用需求为导向,围绕凸现纳米效应为中心开展了可控制备和性能优化的研究,在制备原理方法、结构控制和性能调控等方面都取得了明显进展,蕴藏着很大的应用潜力。

1 可控制备技术的新发展

(1)利用传统理论发展新的制备方法是近年来纳米颗粒制备科学领域出现的新亮点。纳米空心球在隐身材料、环境治理、药物输送、热阻隔、敏感器件和催化领域具有重要的应用前景,因而实心纳米颗粒转向空心球纳米颗粒的制备研究成为新趋势,形成了当前纳米颗粒材料研究的热点之一。利用科根达尔效应(Kirkendall effect)和奥斯特瓦尔德熟化机制(Ostwald ripening)在制备纳米空心球方面有所突破。这些方法的优点是简单、节能环保。

1947年斯米吉斯加斯(Smigeiskas)和科根达尔在黄铜和铜界面的扩散实验中发现,低熔点锌原子的扩散速度高于铜原子,导致在黄铜侧出现分散或集中的空位,当总数超过平衡空位浓度时就会形成孔洞,这就是著名的科根达尔效应。空位团形成的孔洞也称为科根达尔孔洞。这种效应的发现提醒人们在元件焊接和电路的制作过程中缺陷重组很可能带来负面效应。进入21世纪,科根达尔效应为制备纳米材料提供了方法。2004年Alivisators首先利用这种效应,以Co纳米晶实心颗粒为前驱体,基于Co原子向异质界面处的净扩散流,制备了CoO、CoS和CoSe的纳米空心球[1]。我国科学家利用这一原理发展了有效制备空心纳米结构的方法。Peng等利用铁纳米晶在加热的条件下被氧化生成Fe3O4壳层时也观察到了同样的演化过程[2]。采用这一方法能够制备出很多种具有空心结构的纳米颗粒,如PbS、Ni2P、Co2P和Ag2Se等[3,4,5,6]。

Ostwald熟化机制是指在物相析出过程中小颗粒被大颗粒吞并而发生质量转移的现象。对于纳米颗粒的团聚体,在一定的条件下,小颗粒被大颗粒吞并,发生质量转移,以降低表面能。在质量转移过程中,发生孔隙的集聚,从而形成空心球。近年来,利用这个原理合成了如TiO2[7]、Sb2S3[8]、Ti1-xSnxO2[9]、CdMoO4[10]、Fe3O4[11] 、ZnO[12] 和 CdS[13]等空心纳米结构。

(2)液相激光烧蚀法合成纳米颗粒有3个优点:①局域超高温超高压的极端非平衡条件,使纳米颗粒能够快速均匀成核、长大,合成其他制备技术难以合成的小尺寸纳米颗粒,有利于研究纳米小尺寸效应;②有机物液相介质可以作为碳源,用来合成纳米碳化物;③有机介质中原位生成的纳米颗粒可以保持表面的新鲜状态,以避免表面氧化物的生成。近年来,我国科学家利用液相激光烧蚀法第一次制备了只有3nm、粒径均匀的硅纳米颗粒[14,15,16],观察到了极强的纳米限域效应。在蓝光波段出现较强的荧光峰,比1991年日本科学家在硅颗粒中发现的红光荧光峰蓝移了200多nm。在此基础上又合成了粒径只有3nm的立方相β-SiC纳米颗粒。在紫光范围内观察到很强的荧光峰。进一步研究表明,3nm的硅纳米颗粒具有粗颗粒硅不具备的强还原性,可以把贵金属Au+和Ag+还原成零价的Au原子和Ag原子,为从盐类提取贵金属提供了新方法。2009年我国科学家把激光液相原位烧蚀法与胶体模板方法相结合,制备了Si、Ag等空心球纳米结构及由它们组成的阵列,主要步骤是利用PS小球沉积Si或者Ag纳米颗粒,利用静电力和相关工艺参数控制PS小球纳米粒子的数量,然后利用氯仿等有机试剂将PS小球除掉,获得多孔空心Ag和Si超微粒子。该材料体系具有较强的吸附能力和还原能力。Ag多孔空心球还具有增强拉曼散射的效应,为环境探测提供了新的关键材料。

(3)由具有多孔结构的无机纳米颗粒庞大比表面诱导的广谱吸附能力在环保、净化、储热等领域具有重要的应用潜力,特别是SiC和Si3N4多孔结构纳米颗粒,是在极端条件下(高温、高频、高强、强酸碱)服役的首选材料。然而,这类纳米颗粒材料的合成难度很大。我国科学家发明了原位转化法,利用多孔硅的强吸附作用对乙醇或氨进行富集,并在高温下原位转化为多孔SiC或Si3N4纳米颗粒[17,18]。转化后的含硅化合物多孔纳米颗粒继承了其母相的本征多孔结构,而且具有母相不具备的新的特性。该方法具有普适性,有推广价值。

2 纳米颗粒性能调控和优化取得的新成果

(1)利用纳米颗粒点阵(Supracrystal)对性能进行调控是近年来引起人们关注的研究前沿。

纳米颗粒点阵类同于由原子构筑的晶体,是以纳米颗粒为单元构筑的规格化、有序结构。这种点阵可以在液态介质中生成,也可以在固态衬底表面上构筑,其原理是基于纳米颗粒的自组织特性。我国科学家利用纳米颗粒间的作用力,将CeO2纳米立方体自组装成二维点阵[19]。这种纳米点阵以高活性的(200)面为裸露面,大大提高了材料的催化能力。法国的Pileni[20,21]以7nm的Co颗粒作为基元,通过自组织在正己烷的液态中构筑了具有六边形的点阵结构。与无序分布的Co纳米颗粒不同,其在物性上发生了质的变化。该液态体系的流动性变差,粘滞系数增高,出现了类固态性质。入射光通过有序体系出现了明暗条纹,产生了干涉现象。值得一提的是,无序排列的Co纳米颗粒具有超顺磁效应,这是常规纳米磁性颗粒小尺寸效应导致的新现象。然而,有序排列的Co(7nm)规格化点阵出现了与常规纳米颗粒不同的铁磁特性和磁各向异性。这种有序纳米颗粒点阵完全改变了纳米颗粒单元的本征特性,从而引起了人们极大的兴趣。进一步研究表明,用10-烷硫醇修饰的Co纳米颗粒在衬底表面、庚烷的作用下,通过自组织形成了线状一维点阵。该体系也出现了铁磁特性和各向异性,并能测到磁滞回线。这一结果表明,具有超顺磁特性的7nm Co颗粒排成纳米线出现了与纳米颗粒截然不同的磁性特征,进一步说明纳米颗粒点阵与无序分布的纳米颗粒性能不同。这给人们一个重要的启示,即可以通过纳米颗粒体系无序到有序的转变对体系性能进行调控。

我国科学家[22]针对增强光催化降解有机污染物的需求合成了“斗”状五面体TiO2单晶纳米单元。(001)和(110)高能面围成的“斗”状纳米单元活性明显优于常规TiO2实心颗粒。经过进一步自组织方法,以“斗”状纳米颗粒为基元构筑了微米的球结构,比表面高达700m2/g,大大提高了有机染料的降解效率。

银纳米颗粒点阵也出现了无序分布纳米颗粒不具备的新特性。利用硫醇修饰的银纳米颗粒在衬底上自组装成六角规格化的点阵,等离子共振吸收峰出现了红移,峰宽变窄,把局域场增强现象锁定在很窄的波长范围内。按贵金属等离子(SPR)共振的理论,随着颗粒尺寸的减小,SPR峰出现蓝移。随着点阵基元尺度的减小,有序规格化体系红移幅度增加。这种反常的行为也说明有序、无序体系的纳米颗粒性质出现差异,可以通过纳米颗粒的有序化对整体性能进行调控。

(2)通过引入缺陷对纳米颗粒的性质进行调控也是近年来研究的热点。

众所周知,ZnO纳米材料除了在紫外波段出现带隙发光,在可见光范围内通常存在一个很宽的荧光峰,缺少实际应用价值。为了满足防伪和标记领域的应用,把氧化物纳米材料很宽的“馒头峰”转化为单色性好的既锐又窄的荧光峰一直是人们努力的方向。最近,人们采取掺杂稀土元素,如Eu等,解决了上述问题。我国科学家采用碱式碳酸锌掺杂稀土为前驱体[23],转化为掺稀土的ZnO纳米材料,克服了直接在纳米ZnO掺杂稀土的技术困难,在可见光618nm处观察到了单色性好、既锐又窄的荧光峰,并有效地抑制了馒头峰的出现。在高价氧化物纳米材料中引入低价的本征阳离子,也能给纳米材料的性能带来极大的改善。基于这一思路,可在纳米SnO2中引入间隙锡离子缺陷[24,25],进而导致其发射光谱中在586～725nm的范围内出现11条窄带荧光峰,材料的光学吸收性能也得到了改善。这些研究为利用纳米材料进行防伪和标记提供了新思路,方法普适,有推广价值。我国科学家对上述工作的贡献受到了国际同行的关注。

3 纳米效应研究的不断深入

控制和增强纳米效应,优化性能满足应用需求是纳米颗粒材料研究的任务之一,近年来取得了重要的研究成果:(1)指出了纳米效应不但依赖于尺度、本征结构,还与形貌关系密切;(2)可以借助于外界条件的变化,通过异质掺杂复合,增强纳米效应。

(1)贵金属纳米颗粒表面等离子共振吸收效应(SPRE)。

该效应在高密度存储、有机污染物和重金属痕量探测、癌病早期诊断和治疗等领域应用有重要突破。主要得益于SPRE的基础研究有重要的进展。主要的结果是球形纳米颗粒SPR振动模式表现为各向同性,无纵向和横向模式之分,而在椭球形纳米颗粒中则可以对纵横振动模式进行区分;空心的纳米颗粒有明显的SPR增强效应,并与长短轴比相关;异质双层空心纳米颗粒出现了4种振动模式,每种振动模式的能量与长短轴比(或长径比)密切相关。Rice大学的Wang等[26]系统地研究了SPR振动模式的能量与长径比的关系,在研究内层为Fe2O3、外层为Au的椭球SPR效应的基础上总结了变化规律,指出,当长径比大于3时,内壳层横向振动模式能量的增加超过了外壳层贵金属Au的振动模式的能量(如图1所示),依次排序ωc//>ωs⊥>ωc⊥>ωs//(ω代表振动模式的频率,c代表核心材料,s代表壳层材料,//代表平行模式,⊥代表垂直模式)。这对按需设计控制SPR效应具有重要的指导意义。

基于这一重要应用,中国台湾大学的刘如熹等采用软化学方法,大量可控合成了各种形貌的Au纳米颗粒,包括球状、棒状、梭状、星状甚至核-壳等复杂纳米结构。实验发现,当Au纳米颗粒表面覆盖Ag壳层时,随着Ag壳层的增厚,纳米结构的吸收峰向短波方向移动;而当以HAuCl4作为金源时,以Au-Ag核壳纳米结构作为基体获得的Au(壳)-空气-Au(核)复杂纳米结构的吸收峰却向长波方向移动。这些Au纳米结构在探测污染物等领域取得了良好的效果[27,28]。中国科学院固体物理研究所孟国文教授领导的研究小组系统地研究了Ag纳米颗粒形貌对其拉曼信号的影响,发现半球形Ag纳米颗粒阵列和网状Ag结构表现出非常强的局域场效应,因此,增强了对多氯联苯(PCB)的探测信号[29]。

(2)增强纳米颗粒氧化还原效应的原理和措施对按需合成纳米颗粒具有指导意义。

围绕上述研究,近年来也取得了重要进展。变价金属氧化物(如Co3O4、Fe3O4、Mn3O4)和稀土变价氧化物等纳米颗粒的研究一直是人们关注的热点,取得了创新性的研究成果:①控制纳米颗粒合成的条件,对高能极性面进行修饰,抑制沿高能面的择优生长,使高能面在生长过程中保留下来,成为纳米颗粒的外包面,增强吸附能力;②增加和控制纳米颗粒表面的活性点,如悬挂键、空位缺陷的数量,以确保氧化还原效应可在同一纳米颗粒表面上同步有选择地进行。如在可控制备Co3O4纳米颗粒过程中,使高能面(110)暴露在外表面[30]。表面存在着足够数量的氧空位缺陷,当表面吸附零价和正离子时,Co2+可以给出电子,体系表现为强的还原性;当吸附负离子时,可以表现出氧化性。这正是由于纳米颗粒表面2价和3价离子价态变化所致。这种纳米效应在粗颗粒中是不可能实现的。正是利用增强氧化还原效应才使Co3O4纳米颗粒在低温下可将CO转变为CO2;在CO和H2共同存在的条件下,可以将之转变为碳原子数高于5的液态烷烃[31]。近年来我国科学家在上述研究中作出了重要贡献。

(3)增强表面活性,拓展纳米颗粒材料应用领域,一直是人们追求的重要目标,也是制备新型纳米材料的重要依据。

化学反应的基本原理都与电子相关,增加电子的自由度,拓展电子的活动范围,是增加活性的重要途径。近年来的研究结果指出,过渡族金属纳米颗粒随着尺度的减小,由于d壳层电子的局域性增强,减弱了对价电子的束缚,降低了电子的溢出功,表现为较强的还原性。掺氮的纳米管增强了sp2的杂化,扩展了电子的迁移范围,从而表现出贵金属纳米颗粒的特性[32]。作为燃料电池的电极时,其性能不亚于甚至超过了Pt。为节省Pt和制造非Pt电极指出了新的应用方向。

Mott绝缘体,如VO2、Ti2O3等纳米颗粒,通过异质掺杂可以降低由半导体向金属转变的温度,从而使电导发生跃变,由红外吸收变成红外反射,在节能领域将有重要的应用前景。

4 环境领域的应用出现新的苗头

应对气候变化,净化环境是人类面临的严峻挑战。纳米材料在CO2减排、综合利用、环境有害物质的痕量探测和治理等方面可以发挥其他材料和技术无法取代的作用。虽然这些工作刚刚起步,却代表了新的发展方向。

(1)CO2的收集是综合利用的前提,已取得了初步成果。最近加州大学的Banerjee[33]利用168种沸石修饰了米挫脂,在常压下实现了有选择地吸收CO2,是纳米颗粒体积的82.6倍,在升高温度、降低大气压的条件下可以使CO2释放出来。美国PennsylVania大学的科学家[34]利用Cu、Pt修饰的TiO2增强光催化的作用,将CO2和水转变成CO、CH4、O2等(如图2所示)。美国科学家还以纳米钌的有机配合物作为催化剂,在一个电池箱内,成功地将CO2分解为CO和O2,并利用电池的负极收集CO,正极收集O2。

我国科学家利用赤铁矿和人工合成的Fe3O4为催化剂,成功地将CO2转化为可燃烧的CO;利用锂水玻璃为原料,制成了纳米硅酸锂,进一步优化了捕获CO2的功能。

(2)有机污染物和重金属的痕量探测和治理。持久有毒污染物(POPs)和重金属离子(Cr6+、Pb2+、As3+、Hg2+、Cd2+等)是环境领域急需解决的关键问题。我国科技工作者最近在EST[35]上报道了利用Au纳米颗粒等离子共振吸收峰探测Hg的实验结果(如图3所示),Nature Nanotechnology给予了评价。图3中,曲线1为Hg2+的紫外可见吸收光谱,曲线2为ssDNA修饰的胶体金的吸收光谱,曲线3-6为胶体金与Hg2+的混合物的吸收光谱,其中,胶体金的浓度为1.3nmol/L,ssDNA的浓度为2.410-7mol/L,曲线1-6的Hg2+的浓度为(10-6mol/L):1.0、0、0.04、0.1、0.3、0.6。NaCl的浓度为0.5mol/L,pH=7.4,插图从左至右为对应曲线2-6的照片。

Liu Z D等利用DNA修饰Au纳米颗粒成分散状态和Hg离子吸附DNA高于Au的特性研究了加入不同痕量Hg后,Au颗粒等离子共振吸收峰的变化,发现,Hg优先吸附Au颗粒上的DNA,使Au颗粒团聚,等离子共振吸收峰强度增加,位置稍有移动。根据峰强度和位置的变化可以度量Hg的加入量,从而实现对Hg离子的痕量探测。Jackie Y. Ying研究组也取得了很多进展。首先,他们合成了几种不同的量子点,比如DNA修饰的Au纳米颗粒[36],葡萄糖包裹的Au纳米颗粒[37],谷胱甘肽修饰的CdTe [38]、ZnSe和Zn1-x-CdxSe量子点,然后研究了葡萄糖包裹的Au纳米颗粒对Hg2+的荧光淬灭行为。结果发现,随着Hg2+浓度的提高,荧光的强度降低。对Hg2+检测灵敏度的信噪比为3,检测限为0.110-9。这为探测痕量Hg2+提供了一种有力的方法。

近年来,大量研究结果证明利用零价Fe纳米颗粒的强还原效应可以有效降解含氯、苯环的有机污染物。掺氮的TiO2增强光催化也有类似零价金属纳米颗粒的效应。48h的降解实验表明,对六六六、DDT等PCBs的有机污染物降解效率接近100%。光照96h可以使有机污染物得到完全彻底的降解。利用TiO2修饰的SiO2凝胶纳米颗粒可以有效地吸附Hg,并在光照下转化为HgO,提高了环境的安全性。通过选择不同的修饰物,可以实现靶向吸附有害物质,为回收和治理重金属污染提供关键材料。在我国科学家的指导下,合肥开尔纳米公司已能规模生产氮氧化钛纳米颗粒,解决了TiO2掺氮的难题。为利用光催化降解有机污染物提供了量产的材料,满足了实际应用的需求。

(3)近年来,纳米矿物材料在农业、土壤、水环境、化工和材料领域出现了迅速发展的态势。利用矿物纳米材料如蒙脱土、凹凸棒土、羟基磷灰石、水滑石、硅藻土为主要材料发展了插层、提取和分散技术。在水处理、重金属和有机污染物污染的土壤中应用初见成效。在江西、江苏、浙江还出现了纳米改性土壤的示范区。纳米多孔材料组装的杀虫剂、除草剂在实际应用中也初见成效,节省了资源。纳米保水技术、水果保鲜技术也进入规模实验阶段。天然纳米材料的应用未来几年还会快速发展,已引起业内人士的关注,也是我国纳米材料在上述领域应用的热点之一。

5 高技术领域应用初见成效

(1)依据纳米贵金属表面等离子共振效应的原理设计制备的高密度存储器件把现有磁存储、光存储的存储密度提高了3个数量级,存储密度达到1012dB/in2。2009年澳大利亚Swinburne大学的科学家[39]依据3个维度以及不同波长的等离子共振吸收和它们不同的极化参数制备了不同直径的Au纳米棒阵列。

通过采用双光子照射,在纳米尺度下实现五维参数的调控,达到对数据的高密度的存储和读取。首次把光存储从GdB的数量级提高到TdB的数量级 (见图 4)。图4为样品结构和图案,其中(a)为玻璃衬底上覆盖一层含金纳米棒修饰的聚乙烯醇记录层,(b)为当选择不同波长的右旋偏振光时信号可以无干扰地读出。

(2)纳米颗粒在癌症早期诊断上的应用有重要突破。乳腺癌由于缺乏早期诊断的方法,一旦发现,癌变通常已进入晚期,美国科学家利用修饰过的无毒性C60和Au纳米颗粒作为载体,表面用Y型蛋白修饰,利用蛋白识别的原理使超微粒子沿着淋巴和血液传输到乳腺癌病变部位。该癌细胞具有丰富的三角形蛋白,对Y型蛋白具有极强的亲和力。可以通过荧光和等离子共振吸收峰进行表征,实现了对癌病早期的诊断[40]。在多次实验的基础上已做成癌症早期诊断的芯片。该芯片采用多层膜结构,在p型硅的衬底上铺上一层SiN薄膜(如图5所示)。上边生长成多孔的Au膜。上方是光源,下方有探测器。图5为利用体液流过纳米孔洞阵列探测癌症的示意图,其中(a)为光路探测系统示意图;(b)为有纳米孔洞的Au膜的荧光照片(利用下部的荧光素来标定阵列位置);(c)为70kPa下进行的染料缓冲液的荧光照片。该芯片可以探测几个癌细胞的癌变,其原理是通过正常血液流过此器件得到SPR峰作为空白样。当含有癌细胞的血液流过芯片时SPR峰发生红移。几个癌细胞就可以使SPR峰红移7nm。这意味着通过SPR峰的频移量来探测癌细胞的数量,可实现癌症的快速早期诊断。

癌细胞的早期治疗无需手术,利用纳米颗粒表面修饰的蛋白识别技术和药物的组装自动导航到病变部位,加以释放;或者利用量子点的相变放热效应原位杀死癌细胞。这些都是近年来研究的新成果。最近利用Au纳米颗粒通过控制长径比把SPR峰红移到红外的1100～1150nm,输运的方式与以前的方法类同。达到病变部位后,由于Au纳米颗粒具有极强吸收红外线的能力,使局部温度快速升至42℃,达到杀死癌细胞的目的。该方法普适,已在动物实验获得成功,并开始进入临床试验,显示了纳米颗粒和纳米效应在癌症治疗方面存在巨大的潜力。

6 结语

近年来,我国在纳米粉体材料制备和应用方面取得了长足的进步,在国际上有一定的显示度,有的属于原创性的工作,引起了国际的关注。然而,在快速发展的进程中,仍然存在应继续解决的科学和技术问题。当前人类面临严峻的挑战,应对气候变化、降低CO2的排放、抑制温室效应、发展非碳新能源、常规碳能源的清洁化、环境安全、优化农业环境、节省农业资源、降低粮食安全风险、合理利用节省水资源、提高水资源的安全性等都是摆在人类面前急需解决的关键问题。纳米材料和技术,特别是颗粒材料用于解决上述问题存在巨大潜力。以下是目前研究和应用中应重点注意的问题:

(1)加强纳米材料应用安全性的研究。在节能减排、常规能源清洁化、环境治理以及现代农业领域应用纳米颗粒材料均存在安全性的风险。纳米材料不能对环境带来二次污染,因此应用纳米材料安全性的评价,发展铆固、回收、循环利用纳米颗粒的技术已提到议事日程。

(2)加强纳米粉体材料分散技术的研究,发展高效实用节能有效的消除硬团聚、二次团聚和纳米尺度的破碎技术,解决应用纳米材料,凸显纳米效应的问题已迫在眉睫。

(3)重视循环利用纳米粉体材料,发展有效的回收和再处理技术。

(4)天然纳米材料(包括矿物纳米材料)是我国的宝贵资源,它像贵金属矿物材料一样存在于地壳之中,是我国的宝贵财富。要发展从天然矿物中提取纳米材料的绿色循环技术,进行生态评估。