纳米材料的应用前景

纳米的应用前景 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 纳米材料的应用前景 学院名称: 材料科学与学院 专业班级: 复合材料与工程0901 姓名、学号: 陈凌佚3090706013 指导教师: 唐 华 时 间: 2012年6月6日 纳米材料的应用前景 摘要:纳米材料由于其独特的效应，使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的研究现状和应用进行了综述。 关键词:纳米材料;应用 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料O它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1~102nmO它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面O前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应(如:小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等)，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。 一、国内外研究现状 自70年代纳米颗粒材料问世以来,80年代中期在实验室合成了纳米块体材料,至今已有30多年的历史,但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在80年代中期以后。因此,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索,用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。1984年,格雷特采用气体冷凝方法,制备成功铁纳米微粉。随后,美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代。末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索,一度成为纳米材料研究的主导方向。1993年《自然》的副主编曾预言“以单电子隧道效应为基础设计的单电子晶体管可能诞生在下一世纪的初叶”,他的预见发表不到2年,日本率先在实验室研制成功纳米结构的三级管,紧接着美国的普度大学也在实验室研制成功纳米结构的晶体管。1995年超低功耗和高集成的纳米结构单电子三级管在美国研制成功,使人们对于纳米结构的研究对诞生下一代量子器件的重要性有了进一步认识。 第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构的材料体系越来 越受到人们的关注,已成为纳米材料研究的新的热点。高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合、纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点。国际上,把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。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在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。如果说第一、二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性,那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造。 二、纳米材料在催化方面的应用 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度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度。起化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属(Ag,Pd,Pt, Rh等)的纳米粉末为主,Fe,Co,N i等金属纳米粉末也得到了一定应用。一些金属纳米粒子作为催化剂时,除了提高反应速率外,还具有良好的选择性,并且这种选择性与纳米粒子的颗粒度有关。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上,能够进一步增加催化剂的选择性。目前,此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作为催化剂,如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃料后,对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用,同时不会增加尾气中的硫含量。 除化学催化作用以外,半导体纳米粒子的光催化作用已经引起人们的广泛重视并在催化降解有机物等方面得到了一定应用。半导体纳米粒子在光的照射下,其价带电子可以跃迁到导带,价带的空穴能够把周围有机物中的一些电子夺过来,使有机物中的部分短链基团变成自由基,作为强氧化剂而使酯类、醇类、醛类和酸类有机物发生一系列变化,最终降解为CO2。半导体纳米粒子的粒径越小,光生载流子越容易通过扩散而从粒子内部迁移到表面,光催化性能越好。将半导体纳米粒子做成空心小球,使其浮于水面上,利用太阳光对废水中的有机物、 海面上泄漏的石油等进行降解已经得到应用。另外,T iO纳米粉在光催化分解污水中的有机2 3+毒物、YO、Eu纳米发光粉末在荧光灯,等离子体显示平板等众多方面,纳米发光材料使产23 品的性能获得更为显著的改进。特别是半导体硫化物纳米发光粒子在发光材料、非线性光学材料、光敏感传感器材料、光催化材料等方面均具有更为广阔的应用前景。 三、纳米材料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。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5~20 nm的聚合物后,可以固定大量蛋白质,特别是酶,从而控制生化反应[8]。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。以纳米尺寸去认识生物大分子的精细结构及功能的联系,按人类的意愿进一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。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。研究人员发现,生物体内的RNA蛋白质复合体,其线度在15~20nm之间,并且 nm以下的粒子比血液中的红血球还要小,因而可以在生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10 血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,将可以作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米SiO微粒进行了细胞分离,用金的纳米粒子进2 行定位病变治疗,以减少副作用等。另外,利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展,现在已用于临床动物实验,估计不久的将来即可服务于人类。 研究纳米技术在生命医学上的应用,可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人,在血液中循环,对身体各部位进行检测、诊断,并实施特殊治疗,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,甚至可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。这样在不久的,将来被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解,从而将使医学研究发生一次革命。 四、纳米材料在环保方面的应用 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)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解 决这一问题。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。除已经提到的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。利用纳米TiO表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻2 璃表面涂覆纳米TiO可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功2 能。 (2) 在大气污染治理方面。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。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房间的空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,目前已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有些是致癌物。研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%。 (3)城市固体垃圾处理方面。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。 五、纳米材料在其他方面的应用 利用先进的纳米技术,在不久的将来,可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具有自我复制能力的纳米装置,它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面,利用昆虫作平台,把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报,使目标丧失功能。 利用纳米技术还可制成各种分子传感器。和探测器利用纳米羟基磷酸钙为原料,可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中,并通过一定的机制来激发药剂的释放,则可控药剂有希望变为现实。另外,还可利用碳纳米管来制作储氢材料,用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器;利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料,都是很具有应用前景的技术开发领域。 六、纳米材料的前景 纳米材料的研究,它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次,即进入到原子、分子的纳米层次。纳米技术的核心是按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团,制造具有特定功能的产品。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分,是有利的作用,还是不利的作用 更难以判断,这不但给某一现象的解释带来困难,同时也给设计新型纳米结构带来很大的困 难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制一种效应的影响而引出另一种效应 的影响,这都是控制工程研究亟待解决的问题。在纳米材料的研究中,目前主要的工作有:一是用纳米材料替代传统材料改善产品品质与性能;另一方面是开发新材料。 参考文献: [1] 张立德.纳米材料研究的新进展及在2 1世纪的战略地位[J]. 中国粉体技术,2000,6(1):1-5. 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