纳米材料作业完整版

1、纳米材料法学1302 李晶 41382038纳米材料从上世纪九十年代开始逐渐地走进人们的视野，以其独特的性质和广泛的应用得到迅速的发展，值得进行深入的研究。一、纳米材料的定义首先了解“纳米”一词，纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。纳米材料定义的统一是个全球热点问题，因为不同行业和组织

2、的出发点不同。百度百科的定义是：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度。 7m22JEdiM8mXg5g600NPLUQNw7h8RGoCsWDjzpf4DXvNmose6K7LuSpUYjmyUAiC#62011年10月，欧盟委员会通过了对纳米材料的定义，之后又对这一定义进行了解释。根据欧盟委员会的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1 100nm之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。该定义

3、也涵盖天然纳米粒子（如火山灰），以及附带类似源自人类活动和人工制造的纳米材料/纳米粒子，因为它们可用在各种工业过程和消费产品。决定在2014年，根据科技的发展、定义的实际实施情况修订这一定义。 欧盟对纳米材料的定义和监管编译 / 梁慧刚中国科学院武汉文献情报中心二、纳米材料的分类对于纳米材料的分类，从不同的角度有不同的分类。按化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材

4、料等。 纳米材料的分类及其物理性能李淑娥，唐润清，刘汉忠由于纳米材料的分类是从不同的学科角度进行，因此显得较为混乱且缺乏系统性，本文把纳米材料分为3类：即纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。1.1纳米微粒纳米微粒指线度处于1100nm之间的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子的总称。纳米微粒的形态并不限于球形，还有板状、棒状、角状、海绵状等。当粒子尺寸进入纳米级时，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。1.2纳米固体纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体，虽然可以从不同的角度将其分为许多

5、种类，但它们都有一个共同的特点，即超细颗粒间巨大的界面积，可从以下角度再分类。1.2.1按几何形态划分从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料、纳米纤维材料。纳米块状材料通常是指由表面清洁的纳米微粒经高压形成的三维凝聚体，纳米薄膜则是指二维的纳米固体，常用的制备方法有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、溅射镀膜法等。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5nm颗粒所构成的固体将含1019个/cm3晶界，原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。纳米薄膜又可分为2类:一类是由纳米粒子组成的薄膜;另一类是在纳米微粒间有许多的孔隙、无序原子或

6、其它种材料的薄膜，如纳米微粒镶嵌在另一种基体材料的薄膜就属此类。1.2.2按组成颗粒的结构状态划分按纳米固体中纳米微粒结构状态的不同，可将其分为纳米晶体、纳米非晶体、纳米准晶材料。包含的纳米微粒为晶态的纳米固体就是纳米晶体。由具有短程有序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体称为纳米非晶体，而将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中时，就得到了纳米准晶材料，日本科学家曾经用急冷的方法成功地进行了制备。1.3纳米组装体系由人工组装合成的，具有纳米结构的材料称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。这种

7、结构的电学、光学、电子运输和磁存储不仅由单一纳米晶的性能所决定，而且也由纳米晶间的相互作用决定。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系可以具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和材料物理的重要前沿课题。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。 纳米材料的分类及基本结构效应李嘉，尹衍升，张金升，赵天平三、纳米材料的应用纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材

8、料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。1.1在催化方面的应用纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出,随着纳米粒子的粒径的减小,微粒表面的光滑程度变差,凹凸不平的原子台阶逐步形成,能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性,可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速

9、度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度。1.2在生物医学方面的应用(1)生物学中。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。生物基因工程由于纳米技术的运用而变得更加可控,人类可以自己控制所需要的生物产品,农、林、牧、副等行业以及人类的食品结构也会随之发生重要变革,用纳米生物工程、纳米化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类。(2)医学中。科研人员已经成功利用纳米2微粒进行了细胞分离;用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙被细胞吸收、并可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释

10、、高效、低毒且可实现口服、静脉注射等多种给药途径等许多优点,因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。(3)医疗工业中。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器,其过滤孔径为纳米量级,在医疗工业中可用于血清消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。纳米材料具有优异的吸附性能,可用作微生物吸附和选择分离的功能材料。并且纳米金属粉末还是制备动物生长素药物的添加剂。一些具有生物活性的纳米材料,还可用于人造骨、人造牙、人造人体器官等。1.3在环保方面的应用纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。(1)在污水

11、治理方面。纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关。除了光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段。(2)在大气污染的治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题。纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。纳米2能够降解空气中的有机物、杀菌除臭并在杀死细菌的同时,降解由细菌释放出的有毒物质。(3)城市固体垃圾处理方面的应用。将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个方面:一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物,成为再生原料回收;另一方面,可以应

12、用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。1.4在工程材料中的应用(1)纳米陶瓷材料。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性均有显著提高。故在低温低压下就可作为原料制备质地致密、性能优异的纳米陶瓷,它具有坚硬、耐磨、耐高温及耐腐蚀的性能。(2)高熔点材料的烧结。从应用的角度,发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本。在制备粉体的工艺上,除了保证纳米粉体的质量,做到尺寸和分布可控,无团聚,能控制颗粒的形状,还要求生产量大,这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。(3)纳米荧光材料。生物芯片是在多种

13、固定化载体上刻蚀具有多种性能的生物反应器。大多数特异性生物芯片都要使用标记物。目前使用最多的是发光标记物,其中纳米粒子发光标记物具有更高的量子产率,更长的发光寿命,而且性能稳定。(4)高密度磁记录材料。磁记录是信息储存与处理的重要手段,随着信息化的高速发展,要求记录密度日益提高。磁性纳米材料因具有单磁畴结构,矫顽力很高,故用它作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。高矫顽力的强磁性纳米材料还可以制成磁性信用卡、磁性票证及磁性钥匙等。(5)永磁性材料。由于纳米材料的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此可用作永磁性材料。(6)磁流体。磁流体是将强磁性纳米粒子稳定地分散于水或

14、油等分散介质中所形成的分散体系,它在通常的重力场和磁场作用下不发生凝聚和沉降。磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,在工业废液处理方面有一定的实用价值。1.5在建筑领域的应用(1)建筑塑料。由于分散相的纳米尺寸效应、大的比表面积和强界面结合,使纳米塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能。(2)建筑涂料。随着建筑业的高速发展,对建筑涂料的性能要求也越来越高,而纳米材料对涂料的很多性能起到了明显的改善作用。(3)树脂基复合材料。树脂基复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,但硬度、耐磨性能、耐热性能较差。通过超声分散方法将纳米2添加到不饱和聚酯树脂中制得的复合材料,可大幅提高耐磨性、硬度、强度、耐

15、热和耐水性能。1.6在涂料方面的应用纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。在涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防护能力,实现防紫外线辐射、耐大气侵害和抗降解、变色等,在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。1.7在光电领域的应用纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理信息的能力,实现信息采集和处理能力的革命性突破,纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。1.8在静电屏蔽方面的应用具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下

16、具有比常规的氧化物高的导电特性,因而能起到良好的静电屏蔽作用。同时纳米微粒的颜色不同,这样还可以控制静电屏蔽涂料的颜色。1.9在焊接领域的应用纳米材料还可用作新型焊接材料。采用纳米陶瓷进行焊接,利用其低温烧结及快速扩散等特点,可以将两个陶瓷部件很好地连为一体。而且若选择的纳米陶瓷与所焊部件成分相同或相近,则可有效地保证其高温强度。1.10在解决能源中的应用合理利用传统能源和开发新能源是一项长期和重要的任务。在纳米半导体材料表面负载贵金属、金属氧化物或在半导体表面修饰染料、导电高聚物等能使光分解水(22+2)的效率成倍增加,将对太阳能的光化学存贮起巨大的推动作用。1.11在信息科技领域中的应用2

17、1世纪的信息社会要求记录材料高性能化和高密度化,而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。磁性纳米微粒由于尺寸小,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,改善图象质量,还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。1.12在产业中的应用纳米材料作为功能材料与产业技术的结合,具有很多潜在的应用价值。(1)微电子器件。当电子器件进入纳米尺寸时,量子效应十分明显,因此,纳米材料应用在电子器件上,会出现普通材料所不能达到的效果。随着纳米材料科学技术的发展,在信息领域,20世纪最广泛的微电子将要转换为21世纪的纳米电子,因此在这方面的研究,将是最热门的课题之一。(2)传感器方面。

18、纳米粒子的高比表面积、高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料。外界环境(如温度、光、湿度等)的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可以制成传感器,而且响应速度快,灵敏度高。(3)电器领域。纳米材料的运用可使许多产品改头换面,比如传统的彩电等家用电器一般都是黑色的,这是因为要利用树脂加炭黑来进行静电屏蔽,现在,23、2等纳米涂料既有屏蔽作用,又有不同色彩,从而克服了用炭黑静电屏蔽只有单一颜色的局限性。汽车制造业中,车身若采用纳米复合材料,则车身抗冲击强度和安全系数比普通钢板车身高出几倍。1.13在文物保护方面的应用我国的一些文物(如秦兵马俑)遭受霉菌侵扰而受到损害,最新的纳米成果将对其加以保护,使其永葆青春。西北大学纳米材料研究所利用溶胶与凝胶相结合的方法把新研制成的纳米材料制成一种透明的胶体,涂在文物表面后可形成一种“无机膜”,使文物完全与外界条件隔绝,有利于文物的长期保护。这种纳米材料可以吸收紫外线,保护文物的颜色不变,材质不腐坏,还可有效地排除虫菌对文物的侵蚀。这种纳米“无机膜”除了对陶质文物可进行有效保护外,还可用于丝绸和书