【精品】纳米材料与人类生活

1、纳米材料与人类生活1、“纳米”是英文nanometer的译名，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即毫微 米，也就是十亿分之一米，只相当于十儿个中等原子串起来那么长。2、纳米结构、纳米技术和纳米材料。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。在这种水平上对物质和材料进 行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术是一种材料技术，材料技术发展的趋势之一就是 尺寸向越来越小的方向发展。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。 自从扫描隧道显微镜发明示，世界上便诞生了一门以()至10()纳米这样的尺度为研究对象 的新学科，这就是纳米科技。作为一门极冇前途的新兴科学，纳米科技以空前

2、的分辨率为我 们揭示了一个可见的原子、分子世界。纳米技术是80扯代初迅速发展起來的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水 平捉高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未來的 电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小。材料是一切事物的物质基础。如果没有七十年代制成的光导纤维，也不会有现代的 光通信：如果不制成高纯度大直径的单品硅，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天 如此先进的计算机和电子设备。粒度小于38um (400 b)的粉料通常被称作超细粉体材料。而纳米材料一般是指 粒径在lnmloornn间的粒子，它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型

3、的微 观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介系统，即接近于分了或原子的临界状态。近年来，许多发达国家已先后投入巨资组织力量竞相加紧研究。我国对纳米材料的 研究也非常重视。我国已将“纳米材料”列入国家“八五”期间重大基础研究“攀背计划” 项目。许多研究所、高等院校也组织科研力量开始纳米技术研究工作，并取得了令人瞩目的 成果。3、纳米粒子的特性纳米材料由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1100nm间的粒子，它具有以 下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质：3.1. 表而效应球形颗粒的表面积与玄径的平方成正比，其体积与肓径的立方成正比，故其比表面积 (表面积/体积)与直径成反比

4、。随着颗粒直径的变小比衣而积将会显著地增加。例如粒径为 10nm吋，比表面积为90m2/g；粒径为5nm吋，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时, 比表面积猛增到450m2/go粒了直径减小到纳米级，不仅引起表面原了数的迅速增加，而h. 纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子 的品场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表而原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空 键，具冇不饱和性质，易与其它原了相结合而稳定下来，故具冇很大的化学活性，晶体微粒 化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。这种表面原子的活性不但引起纳米粒 了表面原了输运和构型变化，

5、同时也引起表面电了自旋构彖和电了能谱的变化。32量子尺寸效应大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将 分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比 平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为最子效 应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特界催化性和光催化性质等。3.3. 小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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。対纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表血积亦显 著增加，从而磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性

6、及熔点等都较普通粒子发生了 很大的变化，产先一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显箸增加，并产牛吸收峰 的等离子共振频移；小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别，山磁有序态向磁无序 态，超导相向正常相转变。与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降，例如2nm 的金颗粒熔点为600k,随着粒径增加熔点迅速上升，块状金为1337ko3.4. 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。近年来，人们发现一些宏观量，例如微 颗粒的磁化强度、量了相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化，故称为宏观的屋了隧道效应mqt(macroscop

7、icquantumtunnciing)o 这一效应少屋子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了釆用磁带 磁盘进行信息储存的最短时间。以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米 粒子和固体呈现许多奇界的物理性质和化学性质，出现一些“反常现象”，如金属是导体， 但纳米金属微粒在低温由于量了尺寸效应会呈现电绝缘性;纳米磁性金属的磁化率是普通金 属的20倍；化学怡性的金属舘制成纳米微粒(箔黑)后，却成为活性极好的催化剂等。4. 纳米粒子的制备方法纳米粒了的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。4.1. 物理方法4.1.1. 真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原

8、料气化或形成等离了体，然后骤冷。其 特点是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高；4.12物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。具特点是操作简单、成本低， 但产品纯度低，颗粒分布不均匀；机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特 点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。42化学方法气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点是产品纯度高，粒度分布 窄：沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液屮反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点是简单易 行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物；水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流

9、体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特 点是纯度高、分散性好、粒度易控制；溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而牛成纳米粒子。其特 点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和iivi族化合物的制备；微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、 团聚、热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的单分散性和界而性好，iivi族半导体纳米粒 子多用此法制备。5. 纳米材料的主要用途纳米材料主要有以下几类：1）碳纳米管；2）金属类，如纳米铝粉、線粉、铜粉、恢粉等；3）氧化物类，如纳米级氧化锌、氧化诙、二氧化钛、二氧化硅等；4）无机盐类，如

10、纳米级碳酸钙、碳酸镁等。21世纪的纳米材料与人们的生活息息相关，很多重要的国民领域都需要纳米材料來助 阵。纳米材料在医学，军事乃至于人们的衣食住行都有十分重耍的作用。下面简要介绍一下 纳米材料在21世纪的人们的生活屮的影响。5.1. 在医药中的应用约品颗粒小容易被人体吸收，使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳 米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。纳米级粒子将使药物在人 体内的传输更为方便，川数层纳米粒子包裹的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,将来还有可能制造岀纳米机器肓接进入人体杀死癌细胞、医治患者的病变、 修复损坏的器官、进行人体肢体再

11、生、人体整容等。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移 植后的排显反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质 和dn a （脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。纳米粉用在毛山、枕山等li用品上还可以杀菌, 如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、口色念珠菌等。52在军事中的应用雷达波吸收材料（简称吸波材料）系指能冇效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的 -类功能材料。吸波材料的研究在国防上具冇重人的意义，这种“隐身材料”的发展和应用, 是提高武器系统生存和突防能力的有效手段。纳米微粉是一种非常有发展前途的新型军用雷 达波吸收剂。纳米金属氧化物市于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，而成

12、为吸 波材料研究的热点之一。将纳米涂料涂在飞机上就可以制造出隐形飞机。在家电中的应用用纳米材料制成的纳米多功能鴉料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线 等作用，用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。将一定量的超细zno穡ca （oh） 2穡agno3等加入磷酸盐溶液中，经混合、 干燥、粉碎等再制成涂层涂于电话机、微机上，有很好的抗菌性能。彩电等家电一-般都是黑色，被称为黑色家电，这是因材料小需加入炭黑进行静电 屏蔽。而利用纳米技术，已研制出町静电屏蔽的纳米涂料，通过控制纳米微粒的种类，人们 可进而控制涂料颜色，黑色家电将变成彩色家电。在电子计算机和电子工业| 的应用在电子领域,可以从阅读硬

13、盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前 芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。可以预见，耒来以纳米技术为核心的计算机 处理信息的速度将更快，效率将更高。利用纳米技术制造的分子逻辑器件的容量远远大丁 前的微处理器和随机存取存储器芯片的容量，可实现通讯瞬时化。计算机在普遍采用纳米化材料后，可以缩小成为“掌上电脑”，体积将比现在的笔 记本式电脑小得多。添加了纳米zno、ti02、mn02等的陶瓷微粉经烧结而成的具冇高介电常数、表 面微细平滑的片状体，可用于制造陶瓷电容器。在环境保护中的应用坏境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到市化学和牛物制剂造 成的污染，并能够对这些制剂进

14、行过滤，从而消除污染。在化学工业中的应用在化妆品中的应用近年來美、fi、徳等国积极进行防晒剂的开发研究。美国50%以上的化妆品 中都添加了防晒剂。以往防晒剂多为有机化合物，但近年来诸如纳米zno、tio2和氧化铁 红等一批无机粉体的防晒剂倍受青睐，因为它们无毒、无味、对皮肤无刺激性，不分解、不 变质、热稳定性好，且纳米zno木身为白色，可以简单地加以着色，价格便宜，吸收紫外 线能力强，対uva （长波320400nm）和uvb （中波280320nm）均有屏蔽作用，因而 得到广泛使用。纳米zno在阳光，尤其在紫外线照射下，在水和空气（氧气）屮，能自行分 解出自由移动的带负电的电子（c）,同时留

15、下带止电的空穴（h+）。这种空穴可以激活空 气屮的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有 机物），从而把大多数病菌和病毒杀死。据有关单位対纳米zno的定量杀菌试验，在5min 内纳米zno的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%,人肠杆菌的杀菌率为 99.93%。所以在化妆品屮添加纳米zno,既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。一些固体变成纳米化微粒后，不仅粘附力增强，还增添了对紫外线光的吸收性 质，除了可制成抗掉色的口红外，还可开发出防灼的高级化妆品。5.62在橡胶工业中的应用纳米zno是制造高速耐磨橡胶制品的原料，如飞机轮胎、高级轿车川的子午

16、线胎等，具有防老化、抗摩擦着火、使用寿命长、用量小等优点。纳米a12o3粒子加入橡 胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米sio2可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝 缘橡胶的填料。添加纳米sio2的橡胶，弹性、耐濟性都会明显优于白炭黑作填料的橡胶。563.在涂料中的应用在各类涂料中添加纳米sio2可使具抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高， 涂料的质量和档次自然升级；添加纳米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；添加纳米sio2、tio2可以制造出防紫外线涂 料，应用于需要紫外线屏蔽的场所，例如涂覆在阳伞的布料上，制成防紫外线阳伞；可以制 造

17、出吸波隐身涂料，可用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其他需要电磁波屏蔽场所 的涂覆；在涂料中添加纳米材料述对使涂料的抗老化性能、催干性、光洁度及强度成倍提高, 涂料的质量和档次人人升级。如纳米zno添加到汽车金属闪光面漆屮可制造出一种汽车专 用变色漆。涂料可以美化居室，但是传统涂料由于耐洗刷性差，时间不长，墙壁就可能变 得斑驳陆离。纳米技术的运用，使涂料的许多指标都大幅度提高，外墙涂料的耐洗刷性山原 来的1000多次提高到了 1万多次，老化时间也延长了两倍多。在胶粘剂和密封胶屮的应用将纳米sio2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密 封胶的密封性都大大提高。其作用机理是

18、在纳米sio2的表面包覆一层有机材料，便z具有 亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米sio2形成网络结构抑制胶体 流动，固化速度加快，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，增加了胶的密封性。在催化剂和光催化剂中的应用纳米zno由于尺寸小、比表面积大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原 子配位不全等，导致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子台阶，加人了反应接触面。 有人预计，超微粒子催化剂在21世纪可能成为催化反应的主要角色。以粒度小于100nm的 惊和铜一锌合金的纳米材料为主耍成分制成的加氢催化剂，可使有机物的氢化率达到传统惊 催化剂的10倍。利用纳米材料，例如纳米tio2制成的

19、光催化剂具有很强的氧化还原能力，可 以分解有机废水中的卤代脂肪坯、卤代芳烧、有机酸类、酚类、硝基芳桂、取代苯胺，以及 空气屮的诸如甲醇、甲醛、丙酮等有害污染物。纳米zno也是一种很好的光催化剂，在紫 外光照射下，它能分解有机物质，抗菌和除臭。这一光催化性质已被广泛用于纤维、化妆站、 陶瓷、环境工程、玻璃和建材等工业中。566.在塑料中的应用在塑料加工过程中添加纳米材料，例如纳米zno、纳米caco3,不仅可以增加 塑料制品的致密性，提高使用强度，1何门述町以提高塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水 性、抗老化性等性能。在聚丙烯树脂屮添加2%5%的纳米sio2制成的赠料制品，其强度 和韧性明显提高

20、，具冇良好的低温冲击性能，h尺寸稳定，加工性能改善，冇极好的表面光 洁度，适合于制造汽午车身防护板、保险杠和设备仪表组件等，可代替尼龙改性聚苯讎和塑 料合金等高级材料，从而降低汽车生产成本。5.6.7.在有机玻璃中的应用在生产有机玻璃过程中，加入表面经修饰的纳米sio2可使有机玻璃抗紫外线 辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃屮添加纳米a12o3既不影响透明度乂提高了高温冲 击韧性。近年来浅色导电材料的研究也是热点2，纳米zno的导电性可赋于塑料和聚合 物以抗静电性。在纺织工业中的应用在合成纤维树脂中添加纳米sio2、纳米zno、纳米sio2复配粉体材料，经抽丝、 织布，可制成杀菌、防霉、除臭和

21、抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品, 可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用sio2+tio2+a12o3+zno川合 粉体对人造纤维进行改性的研究正在进行中。随着科学技术的发展和牛活水平的捉高，人们越來越追求高档、舒适、具有保健等 功能的穿着。近年来不断研制出各种新型的功能纤维。如化纤布料应用纳米技术，加入少量 的金属纳米微粒就可以摆脱因摩擦而引起的烦人的静电现象。采用纳米zno和sio2混合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用于制造 长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织胡等。将zno微 粉掺入界形截而的聚酯纤维或长丝中，对制成防

22、紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外, 还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能。除用于制造手术服、护士服外，还可制造内衣、外装、 鞋、帽、袜、浴巾、帐蓬、h光伞、夏日装、农用工作服、运动服等。在陶瓷工业中的应用纳米zno可不经轉碎直接用于陶瓷行业，并使陶瓷制品的烧结温度降低400 600°c,烧成品光亮如镜，减少了牛产工序，降低了能耗。加有纳米zno的陶瓷制品具有抗 菌除臭和分解有机物的自洁作用，任何粘污在表而上的物质，包括汕污、细菌在光的照射下, 由纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质，大大提高了产品质虽。陶瓷经过纳米化加工，还可以制成陶瓷弹簧、刀貝等。在玻璃等建筑材料中的应用

23、添加纳米zno的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭，可用作汽车玻璃和建筑川 玻璃。在玻璃表面涂一层渗冇纳米tio2的涂料，普通玻璃马上变成具冇自己清洁功能的 “白洁玻璃”，无需人工擦洗。在石膏中掺入纳米zno及金属过氧化物粒子后，可制得色彩鲜艳、不易褪色的石 膏产品，具有优异的抗菌性能，适用于建筑材料和装饰材料。在各种仪器中的应用传感器是超微粒的最有前途的应用领域之一。它是利用纳米zno随周围气氛中组 成气体的改变，而电学性能电阻发生变化，对气体进行检测和定量测定的。h前已有利 用纳米zno的电阻变化制备的气休报警器和湿度计。利用纳米zno的压电性能，可制得压电音义、振子表而波滤器等。在信息材料中的应用纳米材料依制备条件可获得光导电性、半导体和导电性等不同性质。利用这种变异, 可用作图像记录材料；还可利用其光导电性质用于电子摄影；利用半导体性质可作放电击穿 记录纸；利用导电性质作电热记