“纳米材料与纳米技术”课程论文

第一篇：“纳米材料与纳米技术”课程论文

课程名称：纳米材料与纳米技术

论文题目：纳米材料与技术的发展现状与趋势

学院：材料与能源学院

姓名：夏国东

学好：3110006707

纳米材料与技术的反转现状与趋势

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。英特尔、IBM、SONY、夏普、东芝、丰田、三菱、日立、富士等具有国际影响的大型企业集团纷纷投入巨资开发自己的纳米技术，并到得了令世人瞩目的研究成果。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。欧盟、日本、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、中国、韩国、以色列、新西兰等国在纳米材料领域的投资较大。日本国会提出要把发展纳米技术作为今后数十年日本的立国之本，政府机构和大公司是其研究资金的主要来源，中小企业的作用很小。

中国在上世纪80年代，将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。目前我国有50 多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

目前纳米材料与技术在各方面的应用越来越广泛，小到日常使用的刀具，大到航空航天，都遍布纳米材料的身影。

1、纳米技术在建筑涂料中的应用

涂料是建筑物的内衣（内墙涂料）和外衣（外墙涂料），国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材（特别是建筑涂料）方面的应用已经显示出了它的独特魅力。

2、纳米技术在混凝土材料中的应用

随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为一种传统的建材，其产量和用量都在不断地增加，高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。同时，许多特殊领域要求水泥混凝土具有一定的功能性，如希望其具有吸声、防冻、高强且高韧性等功能。纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。

3、纳米技术在陶瓷材料中的应用

二十世纪90年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸SiC颗粒为第二相的纳米复相陶瓷具有很高的力学性能，并具有很多独特的性能。含有20%纳米钴粉的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料。氧化物纳米材料在这方面都优于同质传统陶瓷材料，在陶瓷基中添加其他纳米微粒的效果也正在研究。利用纳米粒子特殊的光电磁特性制成太阳能陶瓷、远红外陶瓷等，用于建筑物饰面，可开发太阳能，调节环境温度，促进人们身体健康。纳米技术在陶瓷上的应用潜力不可估量。

4、在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。

5、纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

新产物的出现总是伴随着优点与缺点，纳米材料的发展也不是一帆风顺的，随着人们对纳米材料的认识不断加深，一些存在的问题也不断被发掘出来。

1、职业暴露人群，包括纳米技术的研发人员和工人的健康安全问题。根据现有的毒理学研究，纳米粉尘和颗粒有可能通过呼吸和皮肤接触进入人体。这就给长期暴露在纳米材料氛围中的一线工人和研发人员的健康带来潜在威胁。此外，纳米材料还有一个特点就是易燃易爆。万一因为操作不当等带来火灾或者爆炸，后果不堪设想。因此，如何切实保护在纳米材料生产场所中暴露人员的健康，以及实验室和工作场所纳米材料的管理、纳米材料运输过程中的安全措施以及一旦发生危险的危机处理问题等应该成为劳动保护法和工业环境法研究和关注的对象。

2、消费者的权益问题。随着纳米技术的产业化程度的提高，目前，在化妆品和食品中纳米技术的应用越来越多。市场上的化妆品和体育用品有许多是纳米材料产品，比如说防晒霜和口红。食品包装中的聚合物基纳米复合材料(PNMC)的应用、作为食品机械的润滑剂、纳米磁致冷工质和食品机械原材料中橡胶和塑料的改性等等都用到纳米材料。毫无疑问这些材料具有独特的优点。但是在安全上也具有不确定性。但目前进行标识的纳米材料还微乎其微。从知情同意的伦理原则出发，消费者和相关人员有权知道自己所接触的材料的内容及其风险程度。

3、环境保护问题。研究证明，不仅在纳米技术的工作场所的环境问题关系到相关人员的健康，而且废弃的纳米材料进入空气、土壤、水体等环境后，可以产生一系列环境过程，最终对人和整个生物链产生负面影响。由于纳米材料具有强烈的吸附能力。在扩散、迁移过程中，还能吸附大气、土壤中存在的一些常见化学污染物如多环芳烃、农药、重金属离子等。因此，环境法应该研究纳米材料的环境问题，尤其必须加强废弃纳米材料的管理。

4、隐私权的保护问题。随着纳米器件的微型化，纳米技术在医学、社会治安和国防方面具有广泛的作用，但同时也构成对个人隐私的威胁。比如，通过将纳米设备嵌入对象物(身体或者物件)中，可以监视和跟踪目标，搜集个人信息和行为习惯。而可以储存一个人的全部基因和疾病信息的纳米芯片有可能成为被利用的工具，在劳资关系方面，成为企业用人歧视的理由或者成为保险公司限制患者自由的砝码。面对高新技术的应用如何保护个人的隐私权，是摆在我们法律工作者面前的一个重要问题

在技术和经济全球化的今天，纳米技术的许多前沿问题亦如能源问题、环境问题以及生物技术的问题一样，不是基于一个国家的力量所能解决的。一旦国家之间与纳米技术相关的法律框架存在不同，就不可避免地会导致国际间合作研究的障碍，以及全球纳米技术风险与利益分配不公等问题，因此，有必要在一定的国际法体系下就纳米技术发展中的某些基本的标准、原理达成一致意见，实现各国相关法律体系的协调。在此基础上，制定全球性的指导纳米技术发展的基本原则框架，促进成员国和公众对于纳米技术的关注，真正推动纳米技术风险的“善治”。而如果没有一个全球治理的框架协议，将导致纳米技术发展中的恶意竞争，从而最终阻碍纳米技术的健康发展。

纳米材料作为一种新型高科技材料，毫无疑问会引起一系列强烈的变革，中国对与纳米材料的研究与重视程度仍然落后于西方国家，在未来，如何在纳米材料领域更进一步不单是前人的责任更是我们大学生的责任，只有不断的自强不息，才能让祖国在未来高科技时代中不落于人后！

关 键 词：纳米材料，纳米科技，进展，应用，前景，问题

摘 要： 纳米材料是21世纪的新型发展领域，在各个方面都有重大的应用，带来很多技术改革和创新，但是也存在一些不用忽视的问题，未来的发展需要靠我们的努力。

参考文献：国家新材料行业生产力促进中心、国家新材料产业发展战略咨询委员会和北京麦肯资讯有限公司联合编辑出版的《中国新材料发展报告》

倪星元 姚兰芳 沈军 周斌 编著 《纳米材料制备技术》 化学工业出版社 张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001

第二篇：纳米材料与纳米技术课程论文要求

“纳米材料与纳米技术”课程论文要求

根据本课程的教学内容，结合参考文献，对纳米材料与纳米技术进行综述。具体要求如下：

1.封面：广东工业大学课程论文，课程名称，论文题目，姓名、学院、学号

（10分）2.正文4000-6000字

（15分）

3.A4纸单面打印，正确排版（5号字，小标题，页码，行距，等等）

（15分）4.正文内容：要求用自己的语言，按自己的逻辑对纳米材料与纳米技术现状、应用、发展趋势、存在问题等进行论述，要有自己的分析和见解

（50分）

5.摘要、关键词及3篇以上参考文献，不可或缺；参考文献写作格式：1）作者，作者，作者等.论文名称.刊物名称，年（期）：起止页.，2）作者，作者，作者等.著作名称.出版社，出版地址，出版年月.（10分）

6.严禁在网上直接下载，一经发现，取消该课程成绩。

第三篇：纳米材料与纳米技术论文

纳米材料与纳米技术

学院：自动化学院

专业年级： 2015级物联网工程 学生姓名：梁建业 学号：3115001473

4班 摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要了解纳米材料和纳米技术，介绍它的一些相关的应用及其在国内外的现状，并尝试预测它的发展趋势。与此同时，也共同探讨下其存在的问题。首先，让我们来简单地了解下纳米材料和纳米技术吧！一． 什么是纳米材料？

纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料。

按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。

按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等）。

二．什么是纳米技术？

纳米技术（nanotechnology）是指在0.1~100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。其实通俗的讲就是“use little things to finish the big work”。我们在分子原子这样的微小尺度上加工材料，得到一些新型的功能性的高科技产品，他们往往具有相比于一般材料更优良的性能，具有很高的实用价值和研究价值。而将纳米应用到测量等方面，又可以达到高精度的效果，比如扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)的发明等。另外还有：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等方面的应用。

三． 纳米技术的特异性质及其相关的应用。

1.纳米技术的具有的个性效应。

小尺寸效应是指：随着颗粒尺寸的不断减小，当进入纳米量级的时候，颗粒的光、声、电磁和热力学等物理性质将发生根本性变化的一类现象。比如磁性的纳米颗粒的矫顽力异常之高，而且其有很多应用，磁性车票、磁性钥匙、磁性信用卡等都是应用这一性质；又如纳米二氧化钛陶瓷一改传统陶瓷在室温下可弯曲，塑性形变可达到100%，这就克服了传统陶瓷性非常脆的弱点。

量子尺寸效应是指：随着颗粒的尺寸进入纳米量级，电子能级也随之从连续转变为离散的，也就是量子化的了，而且能级间距也发生了分裂。这时纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能有了根本性的转变，例如实验结果表明，纳米银是绝缘体。表面效应是指：伴随着颗粒尺寸的不断减小，颗粒总的表面积大幅度变大，表面原子数急剧上升，与此同时，纳米材料的表面能也急剧变大，这种现象称之为表面效应。由于表面原子活化能大，所以它们具有非常高的活性，很不稳定，就更容易与其他物质结合。我们熟悉的现象：纳米金属微粒在空气中就能够燃烧。

宏观量子隧道效应是指：一些宏观量，例如量子相干器件中的磁通量、纳米颗粒的电导率、超微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应的现象。

2.纳米技术的特殊性质。

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

（三）电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

（五）光学性质

纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。

（六）生物医药材料应用

纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。

纳米材料和纳米技术的现状： 一．国内的研究现状：

与国外相比,由于我们自身的某些特殊原因,国内对纳米材料的研究起步晚,确切的应该是20世纪80年代,到现在仅仅三十来年的时间,但在纳米材料其特异性能的诱惑下，在以中科院为龙头的引导下，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，并取得很多重大成果，使我国对纳米材料的研究在总体水平上达到国际先进水平，当然这些成就的取得得益于国家对纳米高端技术的高度重视，近年来纳米材料已经成为社会热点话题，纳米材料的应用研究正如火如荼地进行，我国已经进入了基础研究与应用研究并重的新局面。由于我国纳米材料研究方面已经取得的骄人成果，使我们的研究情况在国际上都占有一定的地位。目前，我国纳米材料研究资助项目，主要以金属和无机非金属材料主，占80%左右，高分子和化学合成材料是另一个重要方向，都有所突破。而纳米结构材料研究集中在纳米晶、纳米粉、纳米薄膜、纳米材料、纳米材料改性、增强增韧、纳米结构和纳米特性研究;纳米功能材料的重点领域为纳米信息材料、纳米环境材料、纳米传感材料、热电光磁环境下的特性研究。信息领域包括纳米信息材料、纳米电子学、纳米器件等，是材料、物理、信息相互交叉、促进的领域。生命领域主要集中资助生物材料及应用，如生物纳米传感、检测等。矿物和岩土介质中纳米颗粒的分布和形成机理及应用研究则是地球科学的主要内容。

二．国外的研究现状：

科学家很早就预言纳米技术将在21世纪科技舞台上扮演重要的角色。日本通产省政府与1990年做出资助两项十年计划的重要决定，分别是量子装置计划和关于原子技术的计划，因此日本也就成为了世界上大规模大投入研究纳米技术的先导国。日本的公司和研究所主要集中研究材料的加工和制造，包括先进的医疗诊断器械和微电子应用方面。纳米技术广泛而细致，包括如纳米颗粒的合成、加工，以及具有纳米结构的材料的制造等。目前，从总体实力上客观评价，在纳米材料合成和组装研究方面美国处于领先地位，欧洲和日本紧随其后；在生物方法以及其实际应用方面，美国和欧洲又要强一点，日本稍逊一点点；纳米分散和涂层方面美国与欧洲相近，日本的研究较晚一些，但日本在纳米装置领域和固体材料方面相当强悍，比美国、欧洲都先进。发展趋势

一．纳米材料的发展趋势

(1)纳米尺度。通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻更强的材料,并具有寿命长、维修费用低等特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的生物材料和仿生材料;由于纳米技术能使物质的物理、化学性能发生根本的改变,如纳米陶瓷硬如钢铁,而纳米钢却能像橡胶那样富有弹性等。所以,纳米技术被认为是21世纪材料技术的发展方向。(2)航天和航空。这方面的研究主要包括:研制低能耗、抗辐射、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。(3)国家安全。通过纳米电子器件在信息控制中的应用,使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应;用纳米机械设备控制,国家核防卫系统的性能将大大提高;通过纳米材料的应用,可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性有很大提高,可用于舰船、潜艇和战斗机等。二．纳米技术的发展趋势(1)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍,并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统。(2)环境和能源。发展绿色能源和环境处理技术,减少污染和恢复被破坏的环境;制备孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体,用以消除水和空气中的污染;成倍提高太阳能电池的能量转换效率。

(3)医学。纳米粒子将使药物在人体内的传输更方便,将来用纳米结构“组装”一种寻找病毒的药物进入人体后,可对艾滋病、癌症、病毒性感冒等进行治疗;在人工器官外涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;研究与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件等。

(4)生物。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等,在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能,生物仿生化学药品和生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗,测定DNA的基因芯片等。存在的问题： 一．社会危害

纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。二．健康问题

纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。三．环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。四．社会风险

纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。

尽管到目前为止，纳米材料与纳米技术仍然是个饱受争议的话题，对人类的危害还是个未知数，但随着科技的发展,我相信这些问题都将会被妥善解决。纳米的应用领域将不断拓展,将会产生革命性的变革。预计不久的将来,纳米科技将深入到各行各业乃至千家万户,并将成为今后二三十年科技发展的主导技术。

[参考文献] [1]白春礼.纳米科技及其发展前景[J].中国工程咨询, 2000,(4):38-41.[2]夏秦海.纳米技术与环境保护[J].环境保护,2001,(3): 44.[3]张立德.纳米材料研究的进展与我国的对策[J].科技导 报,2000,(10):33-34 [4]百度百科

第四篇：纳米材料与纳米技术选修结课论文

考试序列号__88__

通识教育课程论文

论文题目：纳米材料与纳米技术的发展及应用

课程名称: 纳米材料与纳米技术 学院 外国语学院 专业班级 15级科技英语2班 学 号 3115006865 姓 名 刘辉鹰 联系方式 *** 任课教师 陶平均

2016年10月31日 摘要：

1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

2、纳米技术带动了技术革命。

3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。

5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。

6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。

和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。

1、纳米材料与纳米技术的定义：

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10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米科学技术是介于微观与宏观之间的介观物理，关于纳米科学技术的定义很多，具有代表性的说法有：如英国科学家阿尔培特.佛朗克斯教授把纳米技术定义为“在0.1-100纳米尺度范围起关键作用的科学技术领域。”美国“国家纳米技术倡议”（NNI）即推荐采用科普作家伊凡.阿莫托在一本小册子中的提法：“纳米科学和纳米技术一般是指，在纳米尺度上，则从一纳米到几百纳米介观范围内，所从事的工作范畴”。

2、纳米材料与纳米技术的现状

目前纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出，纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在21世纪对世界的影响相形见绌。纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息和分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、形成新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。预计到!“-#年，仅纳米技术在生物医药领域中的应用，全球市场将达到2000亿美元。

纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。

一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。

纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。

3、纳米材料与技术的发展趋势：

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点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方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者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、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。

而今天，从技术创新的发展趋势来看，需要更精致、环境友好、更具有智能化的技术创新。

纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。

高级纳米技术，有时被称为分子制造，用于描述分子尺度上的纳米工程系统（纳米机器）。无数例子证明，亿万年的进化能够产生复杂的、随机优化的生物机器。在纳米领域中，我们希望使用仿生学的方法找到制造纳米机器的捷径。然而，K Eric Drexler和其他研究者提出：高级纳米技术虽然最初会使用仿生学辅助手段，最终可能会建立在机械工程的原理上。

单纯由大到小（top down）的创新思维和方法已经面临挑战，纳米科学技术的研究方法（approaches），即提出了全新的创新思维和方法，这里有两种方法：第一是继续沿着古已有之的”由大到小“（top down）思路和方法干下去，不过这里的”小“可不是原有意义上的毫米、微米的小，而是在纳米尺度（0.1-100nm）上的小，在这么”小“的地方出现的景观同传统意义上的毫米、微米尺度上的出现的景象根本不同，在这里真正的发生了量子力学上的波粒二像性。现在用这种方法（top down），可以在宏观块体材料（如半导体）上利用机械和蚀刻技术制造纳米尺度结构。纳米材料的制备的种种方法，还是这一方法。估计二十一世纪的前半叶，甚至更长时间，这种方法还起到支柱作用。但是它创造的文明会是非常辉煌的。第二种方法，就是实现量子物理学界的奇才费曼所预言的那样”物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性“。即”由小到大"（bottom up）的方法，人们按需要用一个个原子或一个个分子组装创造出有机和无机物品。这方面的创新工作已取得一些成果，见诸报端的不少，但离真正的实用还要走很长的路。

4、纳米材料与纳米技术的应用：

1、天然纳米材料

海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。

生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。

2、纳米磁性材料

在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。

3、纳米陶瓷材料

传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、纳米传感器

纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。

5、纳米倾斜功能材料

在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。

6、纳米半导体材料

将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。

利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。

7、纳米催化材料

纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。

镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 ℃降低到室温。

8、医疗上的应用

血液中红血球的大小为6 000～9 000 nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。碳材料的血液相溶性非常好，21世纪的人工心瓣都是在材料基底上沉积一层热解碳或类金刚石碳。但是这种沉积工艺比较复杂，而且一般只适用于制备硬材料。

介入性气囊和导管一般是用高弹性的聚氨酯材料制备，通过把具有高长径比和纯碳原子组成的碳纳米管材料引入到高弹性的聚氨酯中，我们可以使这种聚合物材料一方面保持其优异的力学性质和容易加工成型的特性，一方面获得更好的血液相溶性。

实验结果显示，这种纳米复合材料引起血液溶血的程度会降低，激活血小板的程度也会降低。

使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料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。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用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。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DNA诊断出各种疾病。通过纳米粒子的特殊性能在纳米粒子表面进行修饰形成一些具有靶向，可控释放，便于检测的药物传输载体，为身体的局部病变的治疗提供新的方法，为药物开发开辟了新的方向。

9、纳米碳管

1991年，日本的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的，如图所示。

这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。

在空气中将纳米碳管加热到700 ℃左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。

纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。

5、纳米材料与纳米技术存在的问题：

尽管纳米材料在生物医学领域产生的革命性的变化，但是纳米材料的安全性问题同时也非常值得我们关注。任何一门技术都具有双面性，即有有利的一面也会存在有害的一面，纳米材料也不例外。

对纳米材料安全性的研究工作最早的是英国牛津大学和蒙特利尔大学的科学家在1997年发现防晒霜中的TiO2和ZnO纳米颗粒会破坏皮肤细胞的DNA。直到2003年3月，美国化学会年会上的有关纳米颗粒对生物可能存在危害的报告才引起了世界对纳米材料安全性的广泛关注。纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20nm的聚四氟乙烯（特氟龙）颗粒的空气中生活15分钟，大多数实验大鼠在随后4小时内死亡；而另一组生活在含120nm特氟龙颗粒的空气中的大鼠，则安然无恙。

参考文献：

【1】徐云龙，赵崇军，钱秀珍.纳米材料科学概论[M].上海：华东理工大学出版社，2008：21.【2】贾宝贤，李文卓.微纳米科学技术导论[M].北京：化学工业出版社，2007：3.【3】汪冰，丰伟悦，赵宇亮，邢更妹，柴之芳.纳米材料生物效应及其毒理学研究进展[J].中国科学，2005，（1）.【4】}张立德.我国纳米材料研究的现状[J].中国粉体技术，2001，（5）.

第五篇：纳米技术课程英文论文

Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves

Abstract: We have developed a nanowire nanogenerator that is driven by an ultrasonic wave to produce continuous direct-current output.The nanogenerator was fabricated with vertically aligned zinc oxide nanowire arrays that were placed beneath a zigzag metal electrode with a small gap.The wave drives the electrode up and down to bend and/or vibrate the nanowires.A piezoelectric-semiconducting coupling process converts mechanical energy into electricity.The zigzag electrode acts as an array of parallel integrated metal tips that simultaneously and continuously create, collect, and output electricity from all of the nanowires.The approach presents an adaptable, mobile, and cost-effective technology for harvesting energy from the environment, and it offers a potential solution for powering nanodevices and nanosystems.Introduction: The operation of nanodevices fabricated with one-dimensional nanostructures [such as nanowires, nanotubes, and nanobelts] usually requires very low power, which is provided by an external source, such as a battery that may have to be replaced or recharged regularly.The reliance on an external power source may present a limitation for these systems.Various approaches have been developed for energy scavenging with applications in wireless electronics, such as thermoelectric, piezoelectric thin-film, and vibrational cantilevers.We have recently demonstrated an innovative approach for converting nanoscale mechanical energy into electric energy by piezoelectric zinc oxide(ZnO)nanowire(NW)arrays.By deflecting the aligned NWs with a conductive atomic force microscopy(AFM)tip in contact mode, the mechanical energy created by the deflection force was converted into electricity with the use of the piezoelectric properties of the NWs.To improve the power generation capabilities of the system, it is necessary to replace the AFM tip with a simpler source of mechanical energy that can actuate all the NWs simultaneously and continuously.We solved these problems by using ultrasonic waves to drive the motion of the NWs, leading to the production of a continuous current.Figure 1.Nanogenerators driven by an ultrasonic wave.(A)Schematic diagram showing the design and structure of the nanogenerator.Aligned ZnO NWs grown on a solid/polymer substrate are covered by a zigzag electrode.The substrate and the electrode are directly connected to an external load.(B)Aligned ZnO NWs grown on a GaN substrate.The gold catalyst particles used for the growth had been mostly vaporized;thus, the final NWs were purely ZnO with flat top ends.(C)Zigzag trenched electrode fabricated by the standard etching technique after being coated with 200 nm of Pt.The surface features are due to nonuniform etching.(D)Cross-sectional SEM image of the nanogenerator, which is composed of aligned NWs and the zigzag electrode.(Inset)A typical NW that is forced by the electrode to bend.