納米材料作業(yè)完整版

1、納米材料法學(xué)1302 李晶 41382038納米材料從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始逐漸地走進(jìn)人們的視野，以其獨(dú)特的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，值得進(jìn)行深入的研究。一、納米材料的定義首先了解“納米”一詞，納米（nm）是長(zhǎng)度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對(duì)宏觀物質(zhì)來(lái)說(shuō)，納米是一個(gè)很小的單位，不如，人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000-8000nm，人體紅細(xì)胞的直徑一般為3000-5000nm，一般病毒的直徑也在幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級(jí)；對(duì)于微觀物質(zhì)如原子、分子等以前用埃來(lái)表示，1埃相當(dāng)于1個(gè)氫原子的直徑，1納米是10埃。納米材料定義的統(tǒng)一是個(gè)全球熱點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)椴煌袠I(yè)和組織

2、的出發(fā)點(diǎn)不同。百度百科的定義是：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。 7m22JEdiM8mXg5g600NPLUQNw7h8RGoCsWDjzpf4DXvNmose6K7LuSpUYjmyUAiC#62011年10月，歐盟委員會(huì)通過(guò)了對(duì)納米材料的定義，之后又對(duì)這一定義進(jìn)行了解釋。根據(jù)歐盟委員會(huì)的定義，納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團(tuán)塊狀天然或人工材料，這一基本顆粒的一個(gè)或多個(gè)三維尺寸在1 100nm之間，并且這一基本顆粒的總數(shù)量在整個(gè)材料的所有顆?？倲?shù)中占50%以上。該定義

3、也涵蓋天然納米粒子（如火山灰），以及附帶類似源自人類活動(dòng)和人工制造的納米材料/納米粒子，因?yàn)樗鼈兛捎迷诟鞣N工業(yè)過(guò)程和消費(fèi)產(chǎn)品。決定在2014年，根據(jù)科技的發(fā)展、定義的實(shí)際實(shí)施情況修訂這一定義。 歐盟對(duì)納米材料的定義和監(jiān)管編譯 / 梁慧剛中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心二、納米材料的分類對(duì)于納米材料的分類，從不同的角度有不同的分類。按化學(xué)組成可分為：納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料。按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性光學(xué)材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料、納米熱電材料等。按應(yīng)用可分為納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲(chǔ)能材

4、料等。 納米材料的分類及其物理性能李淑娥，唐潤(rùn)清，劉漢忠由于納米材料的分類是從不同的學(xué)科角度進(jìn)行，因此顯得較為混亂且缺乏系統(tǒng)性，本文把納米材料分為3類：即納米微粒、納米固體和納米組裝體系。1.1納米微粒納米微粒指線度處于1100nm之間的聚合體，它是處于該幾何尺寸的各種粒子的總稱。納米微粒的形態(tài)并不限于球形，還有板狀、棒狀、角狀、海綿狀等。當(dāng)粒子尺寸進(jìn)入納米級(jí)時(shí)，具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因而展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)，在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面有廣闊的應(yīng)用前景。1.2納米固體納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體，雖然可以從不同的角度將其分為許多

5、種類，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即超細(xì)顆粒間巨大的界面積，可從以下角度再分類。1.2.1按幾何形態(tài)劃分從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米塊狀材料、納米薄膜材料、納米纖維材料。納米塊狀材料通常是指由表面清潔的納米微粒經(jīng)高壓形成的三維凝聚體，納米薄膜則是指二維的納米固體，常用的制備方法有化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法、濺射鍍膜法等。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體將含1019個(gè)/cm3晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高10141016倍，從而使得納米材料具有高韌性。納米薄膜又可分為2類:一類是由納米粒子組成的薄膜;另一類是在納米微粒間有許多的孔隙、無(wú)序原子或

6、其它種材料的薄膜，如納米微粒鑲嵌在另一種基體材料的薄膜就屬此類。1.2.2按組成顆粒的結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分按納米固體中納米微粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同，可將其分為納米晶體、納米非晶體、納米準(zhǔn)晶材料。包含的納米微粒為晶態(tài)的納米固體就是納米晶體。由具有短程有序的非晶態(tài)納米微粒組成的納米固體稱為納米非晶體，而將只有取向?qū)ΨQ性的納米級(jí)準(zhǔn)晶微粒彌散在基體中時(shí)，就得到了納米準(zhǔn)晶材料，日本科學(xué)家曾經(jīng)用急冷的方法成功地進(jìn)行了制備。1.3納米組裝體系由人工組裝合成的，具有納米結(jié)構(gòu)的材料稱為納米組裝體系，也叫納米尺度的圖案材料。它是以納米微粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。這種

7、結(jié)構(gòu)的電學(xué)、光學(xué)、電子運(yùn)輸和磁存儲(chǔ)不僅由單一納米晶的性能所決定，而且也由納米晶間的相互作用決定。納米微粒、絲、管可以是有序或無(wú)序的排列，其特點(diǎn)是能夠按照人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)體系可以具有人們所期望的特性，因而該領(lǐng)域被認(rèn)為是材料化學(xué)和材料物理的重要前沿課題。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。 納米材料的分類及基本結(jié)構(gòu)效應(yīng)李嘉，尹衍升，張金升，趙天平三、納米材料的應(yīng)用納米材料由于其產(chǎn)生的特殊效應(yīng),因而具有常規(guī)材料所不具備的性能,使得其在各個(gè)方面的潛在應(yīng)用極為廣泛。對(duì)于納米材

8、料及其應(yīng)用前景的研究工作已經(jīng)不再局限于單一學(xué)科與單一研究方法,而是多學(xué)科和多種研究方法的綜合利用。1.1在催化方面的應(yīng)用納米微粒作催化劑是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。納米顆粒具有很高的比表面積,表面原子配位不全表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同等特點(diǎn),導(dǎo)致表面的活性位置增加,使納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。有關(guān)納米粒子表面形態(tài)的研究指出,隨著納米粒子的粒徑的減小,微粒表面的光滑程度變差,凹凸不平的原子臺(tái)階逐步形成,能夠大大增加反應(yīng)物料在其表面的接觸機(jī)會(huì)。利用上述特性,可將納米粒子進(jìn)一步加工成具有化學(xué)催化、光催化和熱催化性能的納米催化劑。納米微粒作催化劑可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率及反應(yīng)速

9、度、決定反應(yīng)路徑、有優(yōu)良的選擇性和降低反應(yīng)溫度。1.2在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用(1)生物學(xué)中。納米生物學(xué)用來(lái)研究在納米尺度上的生物過(guò)程,從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。生物基因工程由于納米技術(shù)的運(yùn)用而變得更加可控,人類可以自己控制所需要的生物產(chǎn)品,農(nóng)、林、牧、副等行業(yè)以及人類的食品結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生重要變革,用納米生物工程、納米化學(xué)工程合成的“食品”將極大豐富食品的數(shù)量和種類。(2)醫(yī)學(xué)中。科研人員已經(jīng)成功利用納米2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離;用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療,以減少副作用。納米粒子不但具有能穿過(guò)組織間隙被細(xì)胞吸收、并可通過(guò)人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過(guò)血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋

10、、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射等多種給藥途徑等許多優(yōu)點(diǎn),因而使其在藥物輸送方面具有廣闊的應(yīng)用前景。(3)醫(yī)療工業(yè)中。將納米顆粒壓成薄片制成過(guò)濾器,其過(guò)濾孔徑為納米量級(jí),在醫(yī)療工業(yè)中可用于血清消毒(引起人體發(fā)病的病毒尺寸一般為幾十納米)。納米材料具有優(yōu)異的吸附性能,可用作微生物吸附和選擇分離的功能材料。并且納米金屬粉末還是制備動(dòng)物生長(zhǎng)素藥物的添加劑。一些具有生物活性的納米材料,還可用于人造骨、人造牙、人造人體器官等。1.3在環(huán)保方面的應(yīng)用納米材料的控制污染源方面可起到關(guān)健性的作用。主要體現(xiàn)在它降低能源消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資深消耗;減少?gòu)U物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染。(1)在污水

11、治理方面。納米材料在環(huán)保中的應(yīng)用主要與納米粒子的化學(xué)催化和光催化特性有關(guān)。除了光催化降解廢水的納米材料以外,另有許多納米材料可以用來(lái)治理有害氣體和廢水,并已走出實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)入實(shí)用階段。(2)在大氣污染的治理方面。大氣污染一直是各國(guó)政府需要解決的難題。納米技術(shù)及材料的應(yīng)用將會(huì)為我們解決大氣污染問(wèn)題提供全新的途徑。納米2能夠降解空氣中的有機(jī)物、殺菌除臭并在殺死細(xì)菌的同時(shí),降解由細(xì)菌釋放出的有毒物質(zhì)。(3)城市固體垃圾處理方面的應(yīng)用。將納米技術(shù)及材料應(yīng)用與城市固體垃圾處理,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末,除去其中的異物,成為再生原料回收;另一方面,可以應(yīng)

12、用納米二氧化鈦加速城市垃圾的降解,其降解速度是大顆粒二氧化鈦的10倍以上,從而可以緩解大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。1.4在工程材料中的應(yīng)用(1)納米陶瓷材料。納米陶瓷具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度,斷裂韌性均有顯著提高。故在低溫低壓下就可作為原料制備質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷,它具有堅(jiān)硬、耐磨、耐高溫及耐腐蝕的性能。(2)高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)。從應(yīng)用的角度,發(fā)展高性能納米陶瓷最重要的是降低納米粉體的成本。在制備粉體的工藝上,除了保證納米粉體的質(zhì)量,做到尺寸和分布可控,無(wú)團(tuán)聚,能控制顆粒的形狀,還要求生產(chǎn)量大,這將為發(fā)展新型納米陶瓷奠定良好的基礎(chǔ)。(3)納米熒光材料。生物芯片是在多種

13、固定化載體上刻蝕具有多種性能的生物反應(yīng)器。大多數(shù)特異性生物芯片都要使用標(biāo)記物。目前使用最多的是發(fā)光標(biāo)記物,其中納米粒子發(fā)光標(biāo)記物具有更高的量子產(chǎn)率,更長(zhǎng)的發(fā)光壽命,而且性能穩(wěn)定。(4)高密度磁記錄材料。磁記錄是信息儲(chǔ)存與處理的重要手段,隨著信息化的高速發(fā)展,要求記錄密度日益提高。磁性納米材料因具有單磁疇結(jié)構(gòu),矯頑力很高,故用它作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖象質(zhì)量。高矯頑力的強(qiáng)磁性納米材料還可以制成磁性信用卡、磁性票證及磁性鑰匙等。(5)永磁性材料。由于納米材料的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行,即使不磁化也是永久性磁體,因此可用作永磁性材料。(6)磁流體。磁流體是將強(qiáng)磁性納米粒子穩(wěn)定地分散于水或

14、油等分散介質(zhì)中所形成的分散體系,它在通常的重力場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下不發(fā)生凝聚和沉降。磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性,在工業(yè)廢液處理方面有一定的實(shí)用價(jià)值。1.5在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用(1)建筑塑料。由于分散相的納米尺寸效應(yīng)、大的比表面積和強(qiáng)界面結(jié)合,使納米塑料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)異性能。(2)建筑涂料。隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)建筑涂料的性能要求也越來(lái)越高,而納米材料對(duì)涂料的很多性能起到了明顯的改善作用。(3)樹(shù)脂基復(fù)合材料。樹(shù)脂基復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),但硬度、耐磨性能、耐熱性能較差。通過(guò)超聲分散方法將納米2添加到不飽和聚酯樹(shù)脂中制得的復(fù)合材料,可大幅提高耐磨性、硬度、強(qiáng)度、耐

15、熱和耐水性能。1.6在涂料方面的應(yīng)用納米材料制備的涂層具有特有的優(yōu)異性能。在涂料中加入納米材料,可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)防紫外線輻射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。1.7在光電領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)的發(fā)展,使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密,在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面,使光電器件的性能大大提高。納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段,按照全新的理念來(lái)構(gòu)造電子系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力,實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破,納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。1.8在靜電屏蔽方面的應(yīng)用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下

16、具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性,因而能起到良好的靜電屏蔽作用。同時(shí)納米微粒的顏色不同,這樣還可以控制靜電屏蔽涂料的顏色。1.9在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用納米材料還可用作新型焊接材料。采用納米陶瓷進(jìn)行焊接,利用其低溫?zé)Y(jié)及快速擴(kuò)散等特點(diǎn),可以將兩個(gè)陶瓷部件很好地連為一體。而且若選擇的納米陶瓷與所焊部件成分相同或相近,則可有效地保證其高溫強(qiáng)度。1.10在解決能源中的應(yīng)用合理利用傳統(tǒng)能源和開(kāi)發(fā)新能源是一項(xiàng)長(zhǎng)期和重要的任務(wù)。在納米半導(dǎo)體材料表面負(fù)載貴金屬、金屬氧化物或在半導(dǎo)體表面修飾染料、導(dǎo)電高聚物等能使光分解水(22+2)的效率成倍增加,將對(duì)太陽(yáng)能的光化學(xué)存貯起巨大的推動(dòng)作用。1.11在信息科技領(lǐng)域中的應(yīng)用2

17、1世紀(jì)的信息社會(huì)要求記錄材料高性能化和高密度化,而納米微粒能為這種高密度記錄提供有利條件。磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性,用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖象質(zhì)量,還可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等。1.12在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用納米材料作為功能材料與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的結(jié)合,具有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值。(1)微電子器件。當(dāng)電子器件進(jìn)入納米尺寸時(shí),量子效應(yīng)十分明顯,因此,納米材料應(yīng)用在電子器件上,會(huì)出現(xiàn)普通材料所不能達(dá)到的效果。隨著納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在信息領(lǐng)域,20世紀(jì)最廣泛的微電子將要轉(zhuǎn)換為21世紀(jì)的納米電子,因此在這方面的研究,將是最熱門的課題之一。(2)傳感器方面。

18、納米粒子的高比表面積、高活性使之在傳感器方面成為最有前途的材料。外界環(huán)境(如溫度、光、濕度等)的改變會(huì)迅速引起材料表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子輸運(yùn)的變化,利用其電阻的顯著變化可以制成傳感器,而且響應(yīng)速度快,靈敏度高。(3)電器領(lǐng)域。納米材料的運(yùn)用可使許多產(chǎn)品改頭換面,比如傳統(tǒng)的彩電等家用電器一般都是黑色的,這是因?yàn)橐脴?shù)脂加炭黑來(lái)進(jìn)行靜電屏蔽,現(xiàn)在,23、2等納米涂料既有屏蔽作用,又有不同色彩,從而克服了用炭黑靜電屏蔽只有單一顏色的局限性。汽車制造業(yè)中,車身若采用納米復(fù)合材料,則車身抗沖擊強(qiáng)度和安全系數(shù)比普通鋼板車身高出幾倍。1.13在文物保護(hù)方面的應(yīng)用我國(guó)的一些文物(如秦兵馬俑)遭受霉菌侵?jǐn)_而受到損害,最新的納米成果將對(duì)其加以保護(hù),使其永葆青春。西北大學(xué)納米材料研究所利用溶膠與凝膠相結(jié)合的方法把新研制成的納米材料制成一種透明的膠體,涂在文物表面后可形成一種“無(wú)機(jī)膜”,使文物完全與外界條件隔絕,有利于文物的長(zhǎng)期保護(hù)。這種納米材料可以吸收紫外線,保護(hù)文物的顏色不變,材質(zhì)不腐壞,還可有效地排除蟲菌對(duì)文物的侵蝕。這種納米“無(wú)機(jī)膜”除了對(duì)陶質(zhì)文物可進(jìn)行有效保護(hù)外,還可用于絲綢和書