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论文论文题目： 纳米技术的发展及应用 姓 名： 贾彬学 号： 2010071234学 院： 机电学院班 级： 机械1042012年 12 月 23 日纳米技术的发展及应用纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。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 。这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这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 特性 : （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，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、红外隐身技术等等。 （3）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，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。1.在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiOSiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。2、在生物医学中应用从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。 正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。3、在其它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。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。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。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机污染物，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。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。4、在国防科技的应用纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。 在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m和m几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为5、其他领域除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。未来纳米材料的发展方向纳米科学与技术 （1）研究方向：研究物质在纳米尺度上表现出的物理、化学和生物特性，单分子的特性和相互作用，为以原子、分子为起点，设计和构筑新的纳米结构、材料和器件，提供科学基础和理论准备。加强对纳米结构新的测试和表征方法的研究和探索，加深对纳米科技理论和方法的理解。 （2）应用方向，纳米技术的发展有5个主要方向： 以纳米材料（颗粒、C60、碳纳米管）为代表的方向；以从微电子向纳电子转化为代表的方向；以微光、机、电集成系统向纳光、机、电集成系统为代表的方向（MEMSNEMS）；以纳米生物学、系统为代表的方向；以纳米物理化学性质、制备、表征等为代表的方向。 （3）纳米技术在纺织领域的应用： 目前，纳米技术在纺织方面的应用主要表现在纳米复合纤维及纳米技术在纺织后整理等方面。 纳米复合纤维：化学纤维中加入纳米级添加剂，可以制造出新一代功能性更强的、不同用途的优良复合化学纤维。这种方法的技术难度比直接制造纳米纤维的难度要低，是近期内纳米技术在纺织领域中应用的主导方向。结合当前的实际情况，应考虑发展以下几类纤维： 抗紫外纤维 纳米TiO2和纳米ZnO等陶瓷粉，由于小尺寸效应，对光的吸收性很强。以它们为无机紫外线屏蔽剂制成的抗紫外线型纤维或织物，不仅可全面抵御UV-A、UV-B对人体皮肤的伤害，而且还能反射可见光和红外线，具有遮热功能，以此类纤维制成的织物，便于印染整理，手感柔软，透气凉爽，服用性好。目前从国内外研制生产的品种来看，涉及到涤纶、维纶、腈纶、锦纶、丙纶和粘胶纤维等。 抗菌、抑菌和除臭纤维 纳米级TiO2和ZnO等光催化无机抗菌剂可应用于超细纤维等特殊场合，是前景广阔的新型抗菌材料。它们可作为添加剂加到涤纶、丙纶、锦纶、腈纶、粘胶等化纤中，赋予各类纤维及其织物抗菌、抑菌、除臭功能，从而起到保健和美学作用，所制成的纤维不仅具有疏水导湿性、快干性、抗污性、密度小和手感柔软等特点，且抗菌性能持久。 导电纤维 将二氧化锡和氧化锌等白色纳米粉体与纤维高聚物混合纺丝或通过吸附法及浸渍化学反应使其覆盖于纤维表面上，制成白色导电纤维，可用来制作防护服、工作服和装饰性导电材料。 远红外纤维 此类纤维可以吸收太阳光和人体辐射的远红外线，也可以发射出波长和功率与其温度相适应的远红外线，因而使织物具有更好的保暖效果；它还能吸引人体自身向外散发的热量，并再向人体反射易吸收的远红外线。同时，由于特殊的物理效能刺激人体生理发生变化，还能达到保健和抑菌的作用。远红外纤维除了具有反射功能外，还兼有抗可见光、近红外线和抗紫外线的功能，可用来制作夏日服装、野外工作服、遮阳伞及装饰用布等，孕育着十分广阔的市场。 空气负离子纤维 奇冰石纳米复合粉是将多种天然矿石进行深度加工，并添加纳米TiO2等纳米粉体制成的性能奇特的超细粉体。添加了奇冰石的丙纶、涤纶纤维，可以产生空气负离子，发射远红外电磁波，还可以释放人体需要的微量元素，因此可制作保健服、内衣、室内装饰布、窗帘、家用纺织品、汽车装饰布等。它还可以为人体随时补充所需要的微量元素，实现了医药工程和纺织工程的完美结合，易被广大消费者接受，具有较大的市场潜力。 高强高模量纤维 纳米碳管的强度极高，弹性模量也很高，甚至可以弯曲后再弹回，可用于制备高强高弹性纤维。另外，粘土与聚合物的复合能够大大提高材料的强度和模量，北京服装学院利用纳米粘土的这种功能，与聚酰胺插层聚合开发尼龙纳米功能纤维，使纤维的强度和模量有很大的提高，尤其是模量，可以提高2倍，但纤维的纺丝性能没有明显的改变。 除了上述功能纤维以外，采用纳米粉体对纤维进行改性，还可以开发多种功能纤维，如变色纤维、耐热纤维、芳香纤维、磁性纤维、储能纤维、发光纤维、阻燃纤维、吸水吸湿纤维、防水拒油纤维等。 纳米技术在织物后整理中的应用 直接涂层法获得功能性涂层 先将纳米微粒直接加入到织物整理剂中，使其均匀分散，然后使织物通过包含纳米微粒的整理液，在粘合剂作用下直接涂覆在织物表面，形成功能性涂层。 接枝技术法获得功能性涂层 对于某些涂层牢度不够、功能性不持久的情况，可采用接枝技术。具体可采用两条技术路线：一是将对纳米材料有很强的配位能力的有机化合物接枝到棉纤维上，制成简单的有机分子模板，再将纳米团簇组装到纤维上；二是在制备纳米微粒时，用可接枝到纤维上的化合物作为捕获剂，使纳米微粒通过捕获剂进行表面修饰形成团簇，再把团簇接枝到纤维上。 （4）纳米改性涂料 实验研究表明，在各类涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，广泛应用于医院和家庭内墙涂饰；防紫外线涂料，用