纳米材料的科学应用.ppt

第七讲纳米材料的应用 7 1纳米颗粒的应用7 2纳米材料在生物医药领域中的应用7 3纳米材料在工程领域中的应用 7 1纳米颗粒的应用 7 1 1力学性能的应用纳米颗粒具有大的比表面积 活性大并具有高的扩散速率 因而用纳米粉体进行烧结 致密化速度快 可降低烧结温度并提高力学性能 近年来 用纳米颗粒强化为目的的纳米陶瓷材料得到较大进展 为陶瓷材料的发展提供了生机 大量以纳米颗粒为原料或添加料的超硬 高强 高韧 超塑性材料相继问世 7 1 2磁学性能的应用 纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状态 例如 Fe Fe304和 Fe203粒径分别为5nm 16nm 20nm时转变为超顾磁性 另外纳米颗粒材料还可能具有高的矫顽力 巨磁电阻 magnetocaloric效应等性能 因此可用于制备磁致冷材料 水磁材料 磁性液体 磁记录器件 磁光元件 磁存储元件及磁探测器等磁元件 7 1 3电学性能的应用 纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特性 例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝线性 纳米钦酸铅 铁酸钡和钦酸钓等颗粒由典型的铁电体变成了顺电体 可以利用纳米颗粒来制做导电浆料 绝缘浆科 电极 超导体 量子器件 静电屏蔽材料 压敏和非线形电阻及鹊绾徒榈绮牧系取 7 1 4光学性能的应用 纳米颗粒可表现出与同质的大块物体不同的光学特性 例如宽频带强吸收 蓝移现象及新的发光现象 从而可用于光反射材料 光通讯 光存储 光开关 光过滤材料 光导体发光材料 光折变材料 光学非线性元件 吸波隐身材料和红外传感器等领域 7 1 5敏感性能的应用 纳米颗粒表面积巨大 表面活性高 对周围环境 温度 气氛 光 湿度等 敏感 因此可用来制作敏感度高曲超小型 低能耗 多功能传感器 以氧化锡为基体材料 并掺入适当的催化剂或填加剂 可制得对酒精 氢气 硫化氢 一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感性能的气敏元件 氧化锡对气体灵敏度高低与材料的比表面积有关 通常比表面积越大 气体灵敏度越高 纳米氧化锡颗粒具有明显优越性能 具有更高的气体灵敏度 目前用纳米SnO2颗粒膜制成的传感器已经实用化 可用作气体泄漏报警器和湿度传感器 并且可以随着温度的变化有选择地检测多种气体 TiO2陶瓷材料不仅对O2 CO H2等气体有较强的敏感性 而且还可作为环境湿度传感器 7 1 6生物医学上的应用 纳米颗粒尺寸一般比生物体细胞要小得多 这就为生物学研究提供了一个新途径 利用纳米颗粒进行细胞分离 细胞染色及利用纳米颗粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等 7 1 7催化性能的应用 纳米颗粒表面原于所占体积百分数大 表面键态和电子态与颊粒内部不同 原于配位不全等导致表面的活性点增加 这些因素使它具备了作为催化剂的基本条件 纳米颊粒作为催化刑具有无细孔 无其它成分 能自由选择组分 使用条件温和方便等优点 7 1 8工业填料中的应用 无机填料的主要作用是增量以降低成本 有时甚至以牺牲基体材料的性能为代价 纳米颊粒填料不仅能起到增量效果 而且能够提高基体材料的性能 尤其是经过表面改性的纳米颊粒对基体的一些性能有着良好的促进作用 应用前景很好 7 1 9其他应用 纳米Al2O3 Cr2O3 SiO2颗粒由于其良好的悬浮特性 可制成高精度抛光液 用于高级光学玻璃 石英晶体及各种宝石的抛光 纳米颊粒还是有效的助燃剂 例如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加1wt 纳米铝或镍颗粒 每克燃料的燃烧热可增加1倍 纳米颊粒也可以用于印刷油墨 可以不再依靠化学颜料而是选锋适当体积的纳米颗粒来得到各种颜料 通过分析纳米颗粒在各个方面的应用 充分展示出纳米颗粒的广泛用途及其在材料科学中举足轻重的地位 纳米颗粒诱人的应用前景使得人们对它的研究越来越重视 也越来越深入 然而 从研究到工业应用的过程中还有许多新的课题去探索 如纳米颗粒的分散 纳米颗粒的表征 纳米颗粒与微米粉体的混合技术及专用设备的开发等 相信在科技工作者的努力下 必特有更多特殊性能的纳米颊粒材料以及先进的工程应用技术不断涌现 7 2纳米材料在生物医药领域中的应用 7 2 1普通载药纳米微粒这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳米技术的高度结合 使原本因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中 制成载药纳米微粒 用液体载体的流动形式给药 从而避免了所提到的缺点 7 2 2控释载药纳米微粒 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊 它们是粒子在10一500nm间的固体胶态粒子 它与以往的控释制剂不同 载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定 囊壁溶解和微生物的作用 均可使囊心物质向外扩散 将药物制成纳米制剂后 不但达到缓控释效果 而且改变其药物动力学的特性 使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗 7 2 3靶向定位载药纳米微粒 靶向药物能完成从靶器官 靶细胞到最为先进的细胞内结构的三级靶向治疗 从而达到病灶部位缓慢释放药物 维持长期局部有效的药物浓度 此类微粒是根据临床需要 通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合 以使药物能够输送到治疗期望达到的特定部位 因而称之为靶向定位给药 7 2 4载药磁性纳米微粒 物理靶向 载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药物运载系统 这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体 小鼠 白兔 内后 在外加磁场下 通过纳米微粒的磁性导航 使药物移向病变部位 达到定向治疗的目的 国内有实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒 在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后证实其具有抗体导向功能 并具有较高的磁响应性 具有较强的靶向定位功能 为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础 7 2 5纳米微粒的基因治疗作用 一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治疗目的 如 国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞 将质子DNA浓缩至50 200nm大小且带上负电荷 有助于其对细胞核的有效入侵 而最后反粒DNA插入细胞核DNA的准确点则取决于纳米粒子的大小和结构 还有人研究了一种树突状物的多聚物 由于它有着精确的纳米结构和表面与内部都可以携带分子的特性使之成为一个很好的DNA导入细胞的载体 7 2 6纳米材料在成像 诊断上的应用 Applicationsofquantumdotsasmultimodalcontrastagentsinbioimaging 7 3纳米材料在工程领域中的应用 7 3 1纳米陶瓷 1 陶瓷的特点陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 因其具有硬度高 耐高温 耐磨损 耐腐蚀以及质量轻 导热性能好等优点 在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用 但是 由于传统陶瓷材料质地较脆 均匀性差 可靠性低 韧性 强度较差 因而使其应用受到了较大的限制 2 纳米陶瓷 所谓纳米陶瓷 是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 也就是说晶粒尺寸 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 要制备纳米陶瓷 这就需要解决 粉体尺寸 形貌和分布的控制 团聚体的控制和分散 块体形态 缺陷 粗糙度以及成分的控制 3 纳米陶瓷粉体的优良性能 极小的粒径 大的比表面积和高的化学性能 可以显著降低材料的烧结致密化程度 节约能源 使陶瓷材料的组成结构致密化 均匀化 改善陶瓷材料的性能 提高其使用可靠性 可以从纳米材料的结构层次 l 100nm 上控制材料的成分和结构 有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能 由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能 如果粉料的颗粒堆积均匀 烧成收缩一致且晶粒均匀长大 那么颗粒越小产生的缺陷越小 所制备的材料的强度就相应越高 这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能 4 纳米陶瓷的制备 纳米陶瓷的制备工艺主要包括纳米粉体的制备 成型和烧结 1 纳米陶瓷粉体的制备 气相合成 主要有气相高温裂解法 喷雾转化法和化学气相合成法 这些方法较具实用性 化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型 它既可制备纳米非氧化物粉体 也可制备纳米氧化物粉体 这种合成法增强了低温下的可烧结性 并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度 原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态 以产生悬浮微粒和或烟雾状原子团 原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制 粒径可小至3 4nm 是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一 凝聚相合成 溶胶一凝胶法 是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物 通过控制PH值 反应温度等条件让其水解 聚合 经溶胶 凝胶而形成一种空间骨架结构 再脱水焙烧得到目的产物的一种方法 此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性 凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2 Al2O3和TiO2纳米团 2 纳米陶瓷的制备 从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料 就是通过某种工艺过程 除去孔隙 以形成致密的块材 而在致密化的过程中 又保持了纳米晶的特性 方法有 沉降法 如在固体衬底上沉降 原位凝固法 在反应室内设置一个充液氮的冷却管 纳米团冷凝于外管壁 然后用刮板刮下 直接经漏斗送人压缩器 压缩成一定形状的块材 烧结或热压法 烧结温度提高 增加了物质扩散率 也就增加了孔隙消除的速率 但在烧结温度下 纳米颗粒以较快的速率粗化 制成块状纳米陶瓷材料 5 纳米陶瓷的特性 纳米陶瓷具有很高的力学性能 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面 包括纳米陶瓷材料的硬度 断裂韧度和低温延展性等 纳米级陶瓷复合材料的力学性能 特别是在高温下使硬度 强度得以较大的提高 研究表明 纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性 纳米陶瓷有助于解决陶瓷的强化和增韧问题 在微米级基体中引入纳米分散相进行复合 可使材料的断裂强度 断裂韧性提高2 4倍 使最高使用温度提高400 600 同时还可提高材料的硬度和弹性模量 提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能 7 3 2纳米磁性材料 磁性是物质的基本属性之一 任何物质都有磁性 只是强弱不同而已 磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料 纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生 发展 壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料 美国政府2007年大幅度追加纳米科技研究经费 其原因之一是磁电子器件巨大的市场与高科技所带来的高利润 其中巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场估计为10亿美元 目前已进入大规模的工业生产 磁随机存储器的市场估计为1千亿美元 预计不久将投入生产 磁电子传感器件的应用市场亦十分宽广 一种新型磁性材料 西班牙蔬塞罗斯磁性材料实验室的科学家RomZioli领导的研究小组 已发明了一种新型磁性材料 用它制造的变压器具有极高的效率 能量损耗比传统变压器小得多 新型磁性材料是用直径仅8纳米的亚微观粒子嵌入固态基体制造的 也称 纳米复合材料 Zioli领导的研究小组将氧化铁纳米微粒加入一种甲醇基液体聚合物 然后将这种溶液冷却到4 2K的极低温度 从而使其成为固体 所谓的固态基体就是甲醇基聚合物 基体中的氧化铁纳米微粒均匀地嵌入其中 从而形成类似泡沫塑料的结构 其中的纳起初牢牢地粘在基体上不运动 当在基体上加上很小的磁场时 纳米微粒便能脱离基体并在它占据的空腔中旋转 研究人员认为 它能旋转是因为空腔表面以某种方式排斥这些纳米微粒 正是由于这些纳米微粒旋转 总使自己的磁场方向和外加磁场的方向保持一致 因此在外加磁场变化时几乎不损失能量喧是以往的磁性材料不具备的性能 这一新材料的出现 将为新一代超高效率电源变压器的诞生开辟道路 以往的变压器的铁芯在交流电通过其线圈时会发热 这是因为能量以热能的形式损耗了 由于用纳米复合材料取代铁芯制作的变压器几乎不发热 故能量损耗极小 因此 变压器可做得很小 效率却可大大提高 目前这种材料的缺点是只能在极低的温度下工作 因此Zioli领导的研究小组正在进一步探索能在室温条件下具有极低能量损耗的变压器磁性材料 更新的磁性材料含有非磁性纳米微粒 具有更好的声光性能和热力学性能 纳米磁性材料及应用大致上可分为三大类型 1 纳米颗粒型 磁记录介质 磁性液体 磁性药物 吸波材料2 纳米微晶型 纳米微晶永磁材料 纳米微晶软磁材料3 纳米结构型 人工纳米结构材料薄膜 颗粒膜 多层膜 隧道结 天然纳米结构材料钙钛矿型化合物 1 纳米颗粒型的磁性材料 磁记录介质 磁性材料至今仍是信息工业的主体 为了提高磁记录的密度 磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米 亚微米向纳米尺度过度 例如 合金磁粉的尺寸约为80nm 钡铁氧体磁粉的尺寸约为40nm 量子磁盘是磁纳米发展的新方向 量子磁盘就是利用磁纳米材料的储存特性提高其储存密度 这种量子磁盘的记录密度理论上可达到6000Gb inch2 相当于每平方英寸可储存100万本30万字的书 磁性液体 磁性药物 吸波材料等也是最新发展方向 2 纳米微晶型磁性材料 纳米微晶永磁材料已发展到了第五代 实现了体积重量小 高效 低耗能等优点 纳米微晶软磁材料已具有了高磁导率 低损耗 高饱和磁化强度等性能 使之应用于开关电源 变压器 传感器等 3 纳米结构材料 人工纳米膜 多层膜 隧道已成为磁性纳米材料发展的新的思路 7 3 3纳米超导材料 超导材料是21世纪的一种新材料