第一篇：纳米材料论文
固体碳的新形态——碳纳米管
材料科学与工程学院 无机092 李伟
099024259
摘要：碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文通过对新型化工材料碳纳米管的结构以及制备方法的介绍，并说明了制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。同时也叙述了碳纳米管在力学性能、光学性能、电磁学性能等性能的研究及其应用。
Carbon nanotubes due to their unique structure and excellent physical and chemical properties, and has wide application prospect and huge commercial value.This article through to the new chemical material carbon nanotube structure and preparation methods are introduced, and a description of the nanotube preparation method with graphite arc method, laser evaporation method, catalytic pyrolysis technology.Also described carbon nanotubes on mechanical properties, optical properties, electromagnetism and so on and its application.关键词:碳纳米管
结构
制备
应用
前景
0 引言
碳元素以单质和化合物广泛存在与茫茫苍穹的宇宙间和浩瀚无垠的地球上，是地球上一切有机生命体的骨架元素，并且在人类的发展史、文明史都扮演了不可或缺的角色。而作为一门新兴技术的纳米技术也开始在人类的科学史上展现自己的实力。那么将这二者有机的结合起来，又将会对人类文明和科学进步产生哪些贡献呢？ 1991年新发现的碳家族的新成员——碳纳米管（巴基管）因具有优异的性能，其应用前景不可限量。碳纳米管因其特殊的结构特征，故而表现出奇异的力学、电学和磁学等性质，因此碳纳米管得以在众多领域得以广泛应用。本文初步介绍了碳纳米管的制备性能以及碳纳米技术在日常生活中的应用。碳纳米管的相关知识
1.1碳纳米管的发现
20世纪70年代末，新西兰的P.G.Wiles和J.Abrahamson就调查过两个石墨电极间通过产生火花生成碳纤维时，电极会被“小纤维簇”覆盖，在1979年美国第14届双年度碳会议上，他们还对这种纤维进行了电子衍射测定，发现其壁是由类石墨排列的碳组成。这些管像几层晶体碳包在一起。实际上，他们已经观察到多壁碳纳米管，但他们未能正确认识，正是由于这个小小的失误，使得发现碳纳米管的功劳落到了日本电子公司（NEC）的饭岛（S.Iijima）博士的头上。饭岛博士继1991年发现多壁碳纳米管后，于1993年又合成了单壁碳纳米管。1.2碳纳米管的分类
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管按照其结构特征可分为三种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。
1.3碳纳米管的性质和性能
碳纳米管为黑色粉末，无气味，预计熔化温度范围为3652-3697℃，不溶于水，密度在20℃时为2.1g/cm3。
碳纳米管具有良好的力学性能，包括较高的抗拉强度和弹性模量，稳定的物理结构高硬度与良好的柔韧性等，此外，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。另外，碳纳米管还具有较低的密度，良好的导电性能，导热性能，光学性能和储氢性能。
1.4碳纳米管发展史
1991年日本NEC公司饭岛博士做实验时意外发现由管状同轴纳米管组成的碳分子，即现在的碳纳米管，又名巴基管。
1993年，通过实验得到一层管壁的碳纳米管，即单壁纳米管产物。1997年，发现单壁碳纳米管的中空管可以储存和稳定氢分子[1]。1.5碳纳米管的结构
碳纳米管中碳原子以 sp2杂化为主, 与相邻的3个碳原子相连,形成六角形网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲, 可形成一定的sp3杂化键。单壁碳纳米管(SW CNT)的直径在零点几纳米到几纳米之间,长度可达几十微米;多壁碳纳米管(MW CNT)的直径在几纳米到几十纳米之间长度可达几毫米,层与层之间保持固定的间距,与石墨的层间距相当,约为 0.134 nm。碳纳米管同一层的碳管内原子间有很强的键合力和极高的同轴向性,可看作是轴向具有周期性的一维晶体，其晶体结构为密排六方, 被认为是理想的一维材料。碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成, 卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺旋角.当螺旋角为零时, 碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性, 称之为锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米管。随着直径与螺旋角的不同, 碳纳米管可表现出金属性或半导体性。2.碳纳米管的制备
2.1石墨电弧法
IIJI MA 通过电弧放电法首次得到了碳纳米管。阳极石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,在阴极沉积出含有碳纳米管的产物。用纯石墨电极制备的碳纳米管存在石墨碳纳米颗粒、无定形碳等杂质,产量不高且分离困难。在石墨电极中加入Fe , Co , N i等催化剂可以降低反应温度, 择优生成碳纳米管。
在反应室中充入惰性气体或氢气, 采用不同的工艺条件,可制得单壁碳纳米管或多壁碳纳米管.WANG等[ 2]认为, 与 A r , H e等惰性气体对碳纳米管的形成主要起冷却作用相比, H2 具有更高的导热率且可形成 C=H键,从而刻蚀非晶碳, 因此用H2作缓冲气体合成的碳纳米管更加纯净。成会明等开发了半连续氢等离子电弧法, 阳极由石墨粉和催化剂组成,阴极是一根石墨棒.用金属络合物催化,含硫化合物抑制杂质生成,促进碳纳米管生长,在 H2 气氛中电弧放电,单壁碳纳米管 0.5 h的产量达 1g。
IS H IGAM I等在液氮环境下得到的多壁碳纳米管, 产量可达 44 mg /min· cm2。LI Xue-song等提出水保护电弧放电法,碳纳米管含量高于50%。TIAN等将煤粉和金属粉末混合物直接注入等离子流,用煤电弧法合成了多壁碳纳米管,省却了复杂的煤基电极制作过程[2]。
在制备碳纳米管的过程中,通过对电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等工艺条件进行优化, 电弧法变得日渐成熟。由电弧法得到的碳纳米管形直, 壁簿(多壁甚至单壁), 但产出率偏低, 电弧放电过程难以控制, 制备成本偏高,其工业化生产还需探索。2.2 激光蒸发法
利用高能量密度激光在特定的气氛下照射含催化剂的石墨靶,激发出来的碳原子和催化剂颗粒被气流从高温区带向低温区, 在载体气体中气态碳在催化剂的作用下相互碰撞生成碳纳米管.在1437k下, THESS等采用双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶, 获得较大数量和高质量的单壁碳纳米管。陈文哲等用脉冲激光轰击流动的乙醇和镍-石墨靶的固-液界面, 也制得了碳纳米管.碳纳米管的生长主要受到激光强度、生长腔的压强,以及气体流速等因素的影响.此法得到的大多是单壁碳纳米管,质量高,但产量较低。2.3 催化热解法
催化热解法(CVD)又叫化学气相沉积法, 含有碳的气体流经催化剂纳米颗粒表面时分解产生碳原子,在催化剂表面生成碳纳米管.催化热解法又以催化剂存在方式的不同被分为基体法和浮游法等.基体法利用石墨或陶瓷等作载体,将催化剂附着于其上,高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米管;浮游法就是直接加热催化剂前驱体使其成气态, 同时与气态烃一起被引入反应室,在不同温区各自分解,分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒,浮游在反应空间,分解的碳原子在催化剂颗粒上析出,形成碳纳米管。此方法可连续生产。
载体的类型、催化剂的种类和制备方法、反应气体种类,以及流量和反应温度等对碳纳米管生长有较大影响。此方法的反应过程易于控制反应温度相对较低, 产品纯度较高, 成本低,产量高,适用性强,现被广泛用于碳纳米管的制备。2.4 其他新型制备技术
在改进传统制备方法的同时,研究者还积极探索新的碳纳米管的制备技术.例如开发出增强等离子体热流体化学蒸气分解沉积法、电解法、低温固体热解法、离子轰击生长法、太阳能法和水热合成法等,但这些方法的制备工艺条件较难控制, 产品质量和产量都相对较低。3.碳纳米管的性能极其应用 3.1力学性能及应用
碳纳米管的强度比其他纤维的强度约高200倍,可以承受约 100万个大气压的压力而不破裂,这一结果比类似的纤维高两个数量级。碳纳米管的韧性很好, 经过多次反复大幅度的弯曲后不会发生明显的断裂, 碳纤维在弯曲约1 %时就会断裂, 而碳纳米管要到约18 %才会断裂。碳纳米管的纳米尺度、高强度和高韧性特征,使其可以广泛应用于微米甚至纳米机械。DAI成功地制备出用于原子显微镜(AMF)的碳纳米管针尖, 这种针尖可以避免损害被观察的样件[3]。
碳纳米管增强复合材料具有较高强度, 其机械冲击性能、热冲击性能都得到了改善,断裂韧性也有大幅度提高.例如, MA制成的碳纳米管强化陶瓷材料,断裂韧度是常规氧化铝的5倍.在碳纳米管 /高子复合材料方面,王平华制备了PC /碳纳米管复合材料,改善了碳纳米管与 PC相容性,使其拉伸强度及冲击强度都得到了提高。
3.2 光学性能及应用
李传刚等采用长度为 8~ 20mm纯化处理后的双壁碳纳米管(外径为 2 ~ 4 nm)薄膜制成灯丝, 与普通钨丝灯泡对比研究发现,碳纳米管灯丝具有发光效率高、电阻恒定和结构稳定等优点,是一种能源利用率非常高的发光材料。
对碳纳米管的光学响应研究发现：碳纳米管的光学性质与其形状结构密切相关.单壁纳米碳管的光吸收随着压力的增大而减弱,究其原因主要是压力的变化导致纳米碳管对称性的改变。利用碳纳米管天线制成的定相光学天线阵列, 可实现对辐射波干涉的控制。
采用改进的原子力显微镜可有效地构造单根碳纳米管红外探测器.与传统的红外探测器相比,碳纳米管红外探测器具有灵敏度高、响应时间快、暗电流小的优点。
碳纳米管的非线性光学性质也引起人们很大的兴趣.碳纳米管的 3次非线性极化随着手扶椅型碳纳米管数目的增加而快速增加，表明碳纳米管材料有很强的3次非线性光学性质。CHEN等测试了单壁碳纳米管 /聚酰亚胺复合物对光信号的时间延迟大约只有800fs这种亚皮秒级时间延迟使单壁碳纳米管成为制作高质量皮秒全光开关很有潜力的材料[3]。3.3 电磁性能及应用
美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列，是现在硅晶体管的1 /500，而且无需对它们逐个进行处理[3]。
碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率, 在相对较低的电压下就能够发射大量的电子, 呈现出良好的场致发射特性,因而碳纳米管可用于微波放大器、真空电源开关, 以及制版技术等。英国剑桥大学与法国 Thales公司合作,研制了32 GH z的微波放大器[3]。
碳纳米管还是一种新型超导材料。KASUMOV等研究表明，纳米碳管在低温区表现出超导性能，且具有很高的临界超导电流。纳米碳管的超导性能研究为热敏电阻辐射器件的研制和开发提供了条件。3.4 其他方面的应用 3.4.1 储氢材料
由于具有独特的纳米级尺寸、中空结构和大的比表面积等特点,碳纳米管成为最有潜力的储氢材料。成会明等采用氢等离子电弧法制备了单壁碳纳米管,重约 500 mg的单壁碳纳米管室温储氢量可达 4.2 w t ,并且 78.3 %的储存氢在常温下可释放出来。3.4.2 催化剂材料
碳纳米管在催化方面主要是当载体来使用的。PLANEIX发现用多壁碳纳米管负载 Ru的催化剂在肉桂醛加氢合成肉桂醇时, 有高达 90 %的选择性和 80%的转化率, 而采用同样分散度的Ru /Al2O3和Ru /AC时, 分别只有20 % ~ 30 %和30 % ~ 40 %的选择性。3.4.3 特殊吸附材料
水中很多微量重金属元素或微量的有机物对人体非常有害，但常规的吸收剂很难满足要求。王曙光等发现碳纳米管负载氧化铝复合材料在水中除氟能力是活性碳负载A l2O3 的15~25倍，是活性碳负载 A l 2O3的 3 ~ 4.5倍。王曙光等还将二氧化锰吸附在碳管上，可使碳纳米管的吸附性能得到进一步改善。另有实验表明，碳纳米管二氧化芑的吸附能力明显大于活性碳。3.4.4 吸波和隐身材料
碳纳米管是一种有前途的微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。采用KOH进行活化处理，可使碳纳米管的微波吸收能力加强, 吸收频率宽化。清华大学的宋泳制备出碳纳米管复合涂层吸波材料。石乃恩等对碳管进行羟基化,再利用化学镀使 Pd，Co，Fe Pt金属纳米粒子成功地吸附在碳管表面,得到的介电损耗型复合结构也具有较好的吸波性能。3.4.5 碳纳米管在复合材料中的应用
碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸效应外,还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质,成为聚合物复合材料理想的增强体，在化工、机械、电子、航空、航天等领域具有广泛的应用。但由于碳纳米管易聚集成束或缠绕，而且与其他纳米粒子相比，其表面是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂或聚合物材料中的分散度低，这极大地制约了其广泛应用[4]。因此，对碳纳米管的表面进行改性已成为聚合物 /碳纳米管复合材料的研究热点之一。目前, 国内外对碳纳米管表面改性的研究主要是在其表面引入共价键和非共价键基团, 例如采用表面化学反应改性、表面活性剂改性等，或采用聚合物分子对碳纳米管进行包覆改性等方法.近年来。还提出了紫外线照射、等离子射线改性等处理方法。表面改性的碳纳米管用于聚合物复合材料可以显著改善材料的力学性能、电性能和热性能等。
4.碳纳米管的现状及前景展望
目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等，但在纳米科技领域的总体水平与美日欧相比，差距还很大。
各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用。①如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。碳纳米管制备现状大致是：多壁碳纳米管能较大量生产，单壁碳纳米管多数处于实验室研制阶段，某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确，对碳纳米管的结构(管径、管长、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的结晶度等)还不能做到任意调节和控制，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多(如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等)，使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点，还没有高效的纯化碳纳米管的方法。②如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。再如，怎样才能制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。要解决这些共同难题，就需要研究人员们一方面突破技术关键，进一步研究开发新的、成本低廉、适合于大规模生产碳纳米管的技术，通过建模和模拟来加强生长现象与机理研究；另一方面继续深入研究其应用，把碳纳米管与各个领域结合起来，充分发挥其自身优异的特性。
另外，最近碳纳米管又出现一新的研究方向，即碳纳米管薄膜的润湿性，已有很多学者对其润湿性作出了大量研究。Jiang等用平板印刷术和等离子体刻蚀技术相结合，制备了具有特殊几何形貌的硅基底，并用化学气相沉积法在其上面沉积了具有立体各向异性微结构阵列碳纳米管薄膜[5]。研究表明，在不改变薄膜表面的化学组成的情况下，仅仅改变结构参数，薄膜能从超亲水变化到超疏水，这种现象是由于横向和纵向碳纳米管阵列结构的共存即立体各向异性微结构所引起的。纵向的碳纳米管阵列提供了疏水的贡献，而横向的碳纳米管阵列提供了亲水性的贡献，并有利于水滴的铺展。横向和纵向碳纳米管阵列组合方式的改变导致了其薄膜特殊的润湿性性质。Lau等用PECVD方法获得了准直生长的碳纳米管森林，然后通过HF—CVD的方法用PTFE对其进行了表面修饰，获得了稳定的超疏水表面，液滴可以在其上面自由跳跃直至脱离[5]。Li等以酞菁络合物为原料，采取高温裂解的方法制备了具有相当均匀长度和外径的阵列碳纳米管薄膜，研究表明，未经处理的阵列碳纳米管薄膜是超疏水和超亲油的，经过氟化(FAS)修饰以后的碳纳米管薄膜表现出了既疏水又疏油的性质，正是纳米结构的存在导致了该表面的超双疏性质[5]。这一发现为超双疏表面／界面材料提供了新的思路。
我们应该看到，目前所得到的碳纳米管缺陷较多，且不易分散，这大大限制了碳纳米管的性质研究和应用研究。所以对碳纳米管制备方法的研究显得尤为重要。另外，纳米尺寸的测量手段也须进一步加强。总之，随着碳纳米管研究的逐步深入以及纳米科技的快速发展，纳米碳材料将会对全世界的科学和经济产生重大的影响。
参考文献：
[1]张艳荣.碳纳米管的研究现状及应用.中国科技信息,2008.[2]潘正伟, 常保和.超长开口定向碳纳米管列阵的制备.中国科学(A辑), 1999.[3]毛宗强, 徐才录, 阎军,等.碳纳米管的性能初步研究。新型炭材料, 2000.[4]陈长鑫, 陈文哲.脉冲激光轰击镍石墨 /乙醇固液界面原位生长碳纳米管.机械工程材料, 2005.[5]慈立杰, 魏秉庆, 梁吉, 等.碳纳米管的制备.新型炭材料, 1998.
第二篇：纳米论文
聚合物基-纳米二氧化硅复合材料的应用研究进展
班级12材料2班学号1232230042姓名王晓婷
摘要本文介绍了近年来国内外纳米SiO2聚合物复合材料的制备方法，讨论了制备方法的特点，阐述了聚合物纳米SiO2复合材料的研究进展, 并展望了聚合物纳米SiO2 的应用前景。
关键词纳米SiO2复合材料;聚合物;制备;应用 前言
纳米SiO2是目前应用最广泛的纳米材料之一,它特有的表面效应、量子尺寸效应和体积效应等,使其与有机聚合物复合而成的纳米二氧化硅复合材料, 既能发挥纳米SiO2自身的小尺寸效应、表面效应以及粒子的协同效应, 又兼有有机材料本身的优点, 使复合材料具有良好的机械、光、电和磁等功能特性, 引起了国内外研究者的广泛关注[
1，2]
。本文就纳米Si02一聚合物复合材料的制备方法、制备方法的特点和应用进行一次全面的综述。
2聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的制备
2．1 共混法
共混法是制备聚合物／无机纳米复合材料最直接的方法，适用于各种形态的纳米粒子，但是由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚。要将无机纳米粒子直接分散于有机基质中制备聚合物纳米复合材料，必须通过化学预分散和物理机械分散打开纳米粒子团聚体，消除界面能差，才能实现均匀分散并与基体保持良好的亲和性。具体途径如下。
2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混
首先将聚合物基体溶解于适当的溶剂中制成溶液(或乳液)，然后加入无机纳米粒子，利用超声波分散或其他方法将纳米粒子均匀分散在溶液(或乳液)中。
姜云鹏等利用PVA与纳米Si02表面的羟基形成的氢键实现了纳米si02对PVA的改性；张志华等用溶胶一凝胶反应制备纳米Si02颗粒，然后通过超声分散机将颗粒分散到聚氨酯树脂中制备出了聚氨酯／Si02纳米复合材料；以上各种方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。
2．1．2熔融共混
将纳米无机粒子与聚合物基体在密炼机、双螺杆等混炼机上熔融共混。
郭卫红等[5]在密炼机上将PMMA和纳米Si02粒子熔融共混后，用双螺杆造粒制得纳米复[4][3]合材料。石璞[6]通过熔融共混法将纳米si02粒子均匀地分散于PP基体中制得复合材料，由于复合偶联剂的一端易与离子表面上大量的羟基发生化学反应形成稳定的氢键，另一端与聚丙烯相容性较好，使纳米粒子基本没有团聚，实现了增强、增韧的目的。张彦奇等[7]将纳米Si02经超声分散并经偶联剂处理后与LLDPE等组分预混、挤出、造粒，制备了线性低密度聚乙烯(LU)PE)／纳米Si02复合材料，所得薄膜雾度显著提高。
2.2在位分散聚合法
首先采用超声波分散、机械共混等方法在单体溶液中分散纳米粒子，或采用偶联剂对纳米粒子表面进行处理，然后单体在纳米粒子表面进行聚合，形成纳米粒子良好分散的纳米复合材料(in situ polymerization)。通过这种方法，无机粒子能够比较均一地分散于聚合物基体中。
欧玉春等[8]利用带有羟基的丙烯酸酯表面处理剂对Si02进行表面处理，应用本体法聚合制备si02／PMMA纳米复合材料，结果显示纳米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的机械性能、玻璃化温度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂，液相纳米Si02为核，聚甲基丙烯酸甲酯为壳合成了纳米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂的使用增强了与纳米si02的相互作用，使效率大大提高。
2.3溶胶-凝胶法
溶胶一凝胶法(Sol-gel)是制备聚合物／无机纳米复合材料的一种重要方法。通过烷氧基金属有机化合物的水解、缩合，将细微的金属氧化物颗粒复合到有机聚合物中并得到良好分散，从而在温和条件下制备出具有特殊性能的聚合物／无机纳米复合材料。
2.4硅酸钠溶胶一凝胶法
溶胶一凝胶法在制备聚合物／纳米si02复合材料时显示出很多优势。但是，所用的无机组分的前驱物正硅酸烷基酯价格昂贵、有毒，因此为了降低制备成本，改善生产条件和减少环境污染，张启卫等[10]用硅酸钠为无机si02组分的前驱物，与PVAC或PMMA的THF溶胶混合，经溶胶一凝胶过程制备出聚合物／Si02杂化材料。结果表明，si02含量在一定范围时，由于发生了纳米级微区效应，有机一无机两相间相容性好，不产生相分离，材料透光率提高，热稳定性增强。
3聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的研究进展
3.1 纳米SiO2/环氧树脂复合材料
Mascia等通过红外光谱和定性黏度分析得知,纳米SiO2 和环氧树脂随着环氧树脂的分子量增加、加入偶联剂、增加溶剂的极性以及提高反应温度都会使二者的相容性提高[11]。宁荣昌等用分散混合法研究了纳米SiO2有无表面处理及其含量对复合材料性能的影响, 采用透射电镜和正电子湮没技术(PALS)对纳米SiO2 的分布和自由体积的尺寸及浓度进行了表征[12]。结果表明, SiO2表面处理后, 复合材料性能得到提高, 使环氧树脂增强和增韧;且纳米SiO2含量为3 % 时,自由体积浓度最小, 纳米复合材料的性能最佳。刘竞超等通过原位分散聚合法制得了纳米SiO2/环氧树脂复合材料[13]。结果表明, 对复合材料力学性能的影响较大的是偶联剂, 在最优工艺条件下制得的复合材料冲击强度、拉伸强度比基体分别提高了124% 和30%;复合材料的Tg和耐热性也有所提高。
3.2 纳米SiO2/丙烯酸酯类复合材料
欧玉春等用原位聚合方法制备了分散相粒径介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)复合材料[14]。结果表明, 经表面处理的SiO2在复合材料基体中分散均匀, 界面粘结好;SiO2粒子的填充使基体的Tg和损耗峰上升, 随着SiO2含量的增加, 对应试样的Tg和损耗峰值增大;随着SiO2含量的增加, 基体的拉伸强度、弹性模量表现为先下降后升高, 而基体的断裂伸长率表现为先升高后下降。武利民等通过原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 种方法制备丙烯酸酯/纳米SiO2复合乳液, 以相同的方法制备丙烯酸酯/微米SiO2复合乳液[15]。结果表明, 共混法制得的纳米复合物的拉伸强度、断裂伸长率和玻璃化转变温度随纳米SiO2含量的增加先上升然后逐渐下降。涂层对紫外光的吸收和透过随纳米SiO2 含量的增加分别呈上升和下降趋势, 而微米SiO2复合丙烯酸酯乳液, 其涂层对紫外光的吸收和透过基本不受微米SiO2 的影响。
3.3 纳米SiO2/硅橡胶复合材料
王世敏等对纳米SiO2/二甲基硅氧烷复合材料的光学、力学性能进行了研究[16]。结果表明, 复合材料对波长λ＞390 nm 的可见光基本能透过, 透过率达80%, 硬度随纳米SiO2的增加呈上升趋势。Mackenzie 等制备的纳米SiO2/硅氧烷复合材料在非氧化气氛中加热到1 000 ℃以上, 分子发生重排, 形成块状微孔体;继续加热到1 400 ℃时,有机碳仍不分解, 且热膨胀系数很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔顺性, 在溶胶－凝胶过程中不会因干燥而破裂, 该材料可以作为涂层改善基体(如聚合物、金属)表面的物理化学性质。潘伟等研究SiO2纳米粉对硅橡胶复合材料的导电机理、压阻及阻温效应的影响[18]。结果表明,随着SiO2纳米粉的增加, 压阻效应越来越显著,在一定压力范围内, 材料电阻随压力呈线性增加;同时, SiO2纳米粉的加入使复合材料的电阻随温度增加而增加。
3.4 纳米SiO2/聚碳酸酯材料
聚碳酸酯具有较好的透明性, 较高的硬度, 以及较强的蠕变性。为了进一步提高其应用价值, 王金平等以聚碳酸酯为基体, 采用溶胶－凝胶法技术在聚碳酸酯表面覆盖一层纳米SiO2无机涂层, 涂层与聚碳酸酯较好的结合, 使材料的耐磨性得到明显提高[19]。
3.5 纳米SiO2/聚酰亚胺复合材料 聚酰亚胺(PI)是一种广泛应用于航空、航天及微电子领域的功能材料, 它的优点是介电性良好,力学性能优良, 但其吸水性强和热膨胀性高的缺点限制了他的应用。而采用纳米SiO2改性后的PI 在这方面得到了很大改善。杨勇等的研究表明, 采用纳米SiO2改性后的PI 其热稳定性得到加强, 热膨胀系数得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2复合材料的力学性能时发现, 随着SiO2含量的增加, 其杨氏模量、拉伸强度、断裂强度增加, 加入适量的插层剂, 有利于增加有机分子与无机物分子之间的相容性, 从而可制备强度和韧性更加优异的复合材料[21]。
3.6 纳米SiO2/聚烯烃类复合材料
张彦奇等采用熔融共混法制备了线性低密度聚乙烯(LLDPE)/纳米SiO2复合材料[22]。结果表明, 纳米SiO2使LLDPE 的拉伸弹性模量、冲击强度、拉伸强度提高, 且均在纳米SiO2用量为3 份左右时达到最大值;加入少量的纳米SiO2后, LLDPE 薄膜对长波红外线(7～11 μm)的吸收能力较纯LLDPE 膜有显著提高, 透光率略有下降, 但雾度提高。曲宁等利用纳米SiO2、马来酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通过熔融共混制备了PP/纳米SiO2复合材料[23]。结果表明, 经表面处理、用量为4 %的纳米SiO2 与4 % 的PE-g-MAH 发生协同作用, 可以使PP/纳米SiO2复合材料的冲击强度提高40 %,拉伸强度提高10%, 耐热温度提高22℃。
3.7 纳米SiO2/尼龙复合材料
E.Reynaud 等研究了不同粒径和含量的纳米SiO2 与尼龙6 通过原位聚合得到的纳米复合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影响复合材料的结晶相;粒子的加入明显增强了基体的弹性模量,且复合材料的性能受粒子尺寸和分散状况的影响。
3.8 纳米SiO2/聚醚酮类树脂复合材料
邵鑫等研究了纳米SiO2对聚醚砜酮(PPESUK)复合材料摩擦学性能的影响[25]。结果表明, 纳米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且还有较好的减摩作用, 其最佳用量为25%。靳奇峰等采用悬浮液共混法制备了纳米SiO2填充新型杂萘联苯聚醚酮(PPEK)复合材料[26]。当纳米SiO2用量为1 % 时, 复合材料的综合力学性能最佳。纳米SiO2的加入使得复合材料的摩擦性能比纯PPEK 有了明显提高, 当纳米SiO2用量为7 % 时,材料的摩擦磨损性能最好, 并且在大载荷下纳米SiO2 更能有效改善复合材料的摩擦磨损性能。
3.9纳米SiO2/聚苯硫醚(PPS)复合材料
张文栓等首先将纳米SiO2粒子与硅烷偶联剂KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超声波振荡60 min 后脱去溶剂, 烘干后与PPS 在高速搅拌机中混合均匀, 然后用双螺杆挤出机造粒制得PPS/纳米SiO2复合材料[27]。纳米SiO2粒子呈颗粒状均匀分布在PPS 基体中, 尺寸在10～40 nm 范围内。当纳米SiO2用量为3 % 时, PPS/纳米SiO2 复合材料的力学性能最佳, 拉伸强度、弯曲弹性模量和缺口冲击强度分别提高13.4%、7.4% 和27.3%。张而耕等用转化剂、分散剂和稳定剂制备了PPS/纳米SiO2水基涂料[28]。PPS/纳米SiO2复合涂层的耐冲蚀磨损性比普通涂层提高了约50 倍, 能够用于零部件的防冲蚀磨损。
3.10纳米SiO2/PMMA 复合材料
张启卫等利用溶胶-凝胶法制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[29]。发现PMMA 与纳米SiO2两相间的相容性好, 材料透光率可达80 %, 并且热稳定性和Tg都比纯PMMA 有较大的提高。郭卫红等将经过表面处理的纳米SiO2分散于PMMA 单体中形成胶体, 原位聚合制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[30]。结果表明, 复合材料的耐紫外线辐射能力提高1 倍以上, 冲击强度提高80 %。同时由于纳米粒子尺寸小于可见光波长, 复合材料具有高的光泽度和良好的透明度。
4总结与展望
聚合物/纳米SiO2复合材料具有优良的综合性能, 展现出诱人的应用前景。尽管近年来对其研究较多, 并取得了较大进展, 但是对它的研究还不够深入, 还有许多问题亟待研究和解决, 如纳米SiO2在聚合物基体中的均匀分散问题, 纳米复合材料的相界面结构, 纳米SiO2 对聚合物性能影响的机理等。相信随着制备技术的进一步完善及对材料的结构与性能关系的进一步了解, 人们将能按照需要来设计和生产高性能和多功能的聚合物/纳米SiO2复合材料。纳米Si02可以改性多种高分子材料，通常对聚合物的机械性能如拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率，以及热稳定性、动态力学行为、光学行为等都有较大影响。因此人们都在力求解决很多问题，诸如纳米Si02在聚合物基体中的均匀分散；纳米Si02复合材料中有机相和无机相的相界面结构；Si02粒径大小、几何形状等形态参数及添加量对复合材料性能的影响；纳米Si02对聚合物基体材料性能影响的机理等。随着研究的不断深入，纳米Si02一聚合物体系将在越来越多的领域发挥出它的重要作用。
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第三篇：纳米论文
纳米技术在医学上的应用
[摘要]纳米医学是纳米技术与医药技术结合的产物,纳米医学研究在疾病诊断和治疗方面显示出了巨大的应用潜力。近几年,纳米技术突飞猛进,作为纳米技术的重要领域的纳米生物工程也取得了辉煌的成就。本文从纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料三个方面,讲述了纳米生物工程的重大进展。本文就纳米诊断技术、组织修复和再生医学中的纳米材料、纳米药物载体、纳米药物等方面的研究现状与进展进行综述,并探讨纳米医学的发展前景。
[引言] 纳米技术的基本概念是用单个原子、分子制造和操作物质的技术,是现代高科技前沿技术.纳米技术应用前景广阔,几乎涉及现有科学技术的所有领域,世界各国都把纳米技术列为重点发展项目,投入巨资抢占纳米技术战略高地.[关键词]纳米医学;纳米生物材料;诊断;治疗
1、跨世纪的新学科——纳米科技
所谓/纳米科技,就是在0.1~100纳米的尺度上,研究和利用原子和分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术,它是现代科学和先进工程技术结合的产物。1990年7月,第一届国际纳米科技会议的召开,标志着纳米科技的正式诞生。时至今日,纳米科技涉及到几乎现有的所有科学技术领域。它的诞生,使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标,是人类按照自己的意志操纵单个原子,在纳米尺度上制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞 跃。目前,纳米科技已经取得一系列成果,正处于重大突破的前夜。研究者认为,这一兴起于本世纪90年代的纳米科技,必将雄踞于21世纪,对人类社会产生重大而深远的影响。
2、纳米医学的提出
纳米医学的形成除了纳米技术之外，其医学本身也应具有可应用纳米技术的客观基础和必要条件。客观基础是指，像其他物质一样，医学研究的主体———人体本身是由分子和原子构成的。实现纳米医学的必要条件是，要在分子水平上对人体有更为全面而详尽的了解。随着现代生物学和现代医学的不断发展,人类在生物学和医学等领域的研究内容已开始从细胞、染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次,进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征:尺度空间在0.1-100 nm,属于纳米技术的尺度范围。研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科,就是纳米生物学和纳米医学。纳米医学是一门涉及物理学、化学、量子学、材料学、电子学、计算机学、生物学以及医学等众多领域的综合 性交叉学科。Freitas曾给纳米医学下过一个较详细的定义:他认为,纳米医学是利用人体分子工具和分子知识,预防、诊断、治疗疾病和创伤,劫除疼痛,保护和改善人体健康的科学和技术。目前的纳米医学研究水平还处于初级阶段,当然,由于各国科学工者的不懈努力,纳米医学研究领域已初露曙光,有部分研究成果已开始接近临床应用。
从定义来看,纳米医学可以分为两大类,一是在分子水平上的医学研究,基因药物和基因疗法等就是典型体现;二是把其他领域的纳米研究成果引入医学领域,如某种纳米装置在医疗和诊断上的应用。纳米医学的奥秘在于,可以从纳米量级的尺度来进行原来不可能达到的医疗操作和疾病防治。当生命物质的结构单元小到纳米量级的时候,其性质会有意想不到的变化。这种变化既包括物质的原有性能变得更好,还可能有我们所意想不到的性能和效益,从而用来治病防病。
3、纳米技术的医学应用 3.1 诊断疾病
在诊断方面，将应用纳米医学技术手段，在诊室内进行全面的基因检查和特殊细菌涂层标记物的实时全身扫描；检测肿瘤细胞抗原、矿质沉积物、可疑的毒素、源于遗传或生活方式的激素失衡，以及其它以亚毫米空间分辨率制成所定目标三维图谱的特定分子。在纳米医学时代，这些强有力的手段将使医务人员能够检查患者的任何部位，且可详尽到分子水平，并能以合理的费用，在数分钟或数秒钟内获得所需的结果。许多以往诊断比较困难或无法诊断的疾病,随着纳米技术的介入,将很容易被确诊。为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。孕8周左右血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。目前美国已将此项技术应用于临床诊断。肝癌患者由于早期没有明显症状,一旦发现常已到晚期,难以治愈,因而早期诊断极为重要。中国医科大学第二临床学院把纳米粒应用于医学研究,经过4年的努力,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。动物实验证明,运用这项研究成果,可以发现直径3mm以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。3.2 纳米药物和纳米药物载体
这是纳米医学中的一个非常活跃的领域,适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的,模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要的时候释放出胰岛素,使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。美国密西根大学的博士正在设计一种纳米/智能炸弹,它可以识别出癌细胞的化学特征。这种智能炸弹很小,仅有20nm左右,能够进入并摧毁单个的癌细胞。
德国医生尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症,并在动物实验中取得了较好疗效。将一些极其细小的氧化铁纳米微粒注入患者的肿瘤里,然后将患者置于可变的磁场中,氧化铁纳米微粒升温到45~ 47度,这一温度可慢慢热死癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒,因此这些健康组织的温度不会升高,也不会受到伤害。科学家指出,将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。
纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。
3.2.1 纳米药物
直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃疡贴等纳米医药类产品。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果。
无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。研究人员用Gd@C82(OH)22处理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖;二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病。
3.2.2 纳米药物载体
实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相 关部位持久存。3.3 纳米生物技术
纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它即可以用于生物医学,也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富,并以极快的速度增加和发展,难以概述。
3.3.1生物芯片技术
生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类,都有集成、并行和快速检测的优点,已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。
近2年,已经通过微制作(MEMS)技术,制成了微米量级的机械手,能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞,进行细胞结构、功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的教授领导的研究人员,发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用,并研制出效果更好的软光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片,通过调节细胞间距等,研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单,仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面特性,即可达到选择和固定细胞及细胞面密度控制。
美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样,纳米技术可以在血流中进行巡航探测,即时发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者,并予以歼灭,从而消除传染性疾病。
研究人员做了一个雏形装置,发挥芯片实验室的功能,它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面,从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光;而健康细胞只发射一种标准波长的光,以此鉴别癌变。3.3.2纳米探针
一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。
3.4组织修复和再生医学中的纳米材料
将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架正在形成一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。研究人员设计的人造红细胞输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,可应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。研究人员成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。
纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。
4、我国发展纳米生物学和纳米医学的现状和发展策略
目前,我国在纳米生物和医学领域内的研究基础还比较薄弱,通过采取各种激励措施和各种研究计划的实施,特别是国家自然科学基金委的纳米技术重大研究计划对纳米生物和纳米医学项目的支持,我国在纳米生物和纳米医学方面的研究状况有了很大的改善,生物、医学界的许多院、所相继建立了有关纳米技术的研究室,如中国医学科学院基础医学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所和生物物理研究所等都设立了纳米研究室,初步形成了一只较强的研究队伍。近年来,来自化学、物理、信息、药物、生物和医学等领域的科学家通过几次研讨会进一步明确了纳米生物和纳米医学领域的研究方向和内容,并建立了较密切的合作。我国在纳米生物和纳米医学的研究领域也涌现了一批极具特色的研究成果,如在生物传感器、生物芯片、新型药物载体和靶向药物、新型纳米药物剂型、新造影剂、重大疾病的机制、纳米材料的应用和生物安全性及重大疾病预防和早期诊断与治疗技术等方面。但是,这些研究的水准与国际先进水平还有相当的差距,离国家、社会的需求也有相当远的距离。
纳米医学工程的建立不仅是因为有其迫切的需要,而且也因为有了实现的可能。如今,纳米科技在国际上已崭露头角,世界各发达国家纷纷开展纳米科技的研究。在我国,科技界对纳米科技的重要性有了共识,纳米科技研究已取得引人注目的成果。学科发展和社会需要是推动社会发展的巨大动力,学科发展可以创造新的需求,社会需求可以促进学科向深度和广度发展。纳米生物医学工程正在出现,我们无力将它阻挡。虽然它的广泛应用尚有待时日,并潜在危险,但若没有它,我们现在面临的许多生物医学工程问题就不可能得到满意的解决。
人类正在被历史及自身推向一个崭新的陌生世界,倘若人类能直接利用原子、分子进行生产活动,这将是一个质的飞跃,将改变人类的生产方式,并空前地提高生产能力,有可能从根本上解决人类面临的诸多困难和危机。我们有必要把纳米科技和生物医学工程概念进行拓展,把纳米科技的理论与方法引入生物医学工程的相关研究领域,创立新的边缘学科——纳米生物医学工程。可以相信,纳米医学工程将会成为纳米科技的重要分支,并开创生物医学工程新纪元。科学家认为,纳米科技在生物医学方面,甚至有可能超过信息技术和基因工程,成为决胜未来的关键性技术。[参 考 文 献] [1]刘吉平,郝向阳.纳米科学与技术[M].北京:科学出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世纪崭新的学科——纳米医学[J]1世界新医学信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李会东.纳米技术在生物学与医学领域中的应用[J].湘潭师范学院学报(自然科学版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪琼,吴俊,袁直等.注射用生物可降解胰岛素纳米微球的制备[J]1应用化学,2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的体内磁靶向定位研究[J].中国生物医学工程学报,1996,15(4):216-221.[6]张共清,梁屹.纳米技术在生物医学的应用[J]1中国医学科学院学报,2002,24(2):197-201.〔7〕中国社会科学院语言研究所词典编辑室编.现代汉语词典.北京:商务印书馆2002年版:1711〔8〕奇云.21世纪的纳米医学.健康报,2001(4):12〔9〕纪小龙.纳米医学怎样诊治疾病.健康报,2001,7,19[9]奇 云.纳米医学——21世纪的科技新领域[N].中国医药报,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.纳米材料——21世纪的新材料[J].科技导报,1992(10):28-31.[11]奇 云.纳米电子学研究进展[J].现代物理知识,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.纳米生物学的诱人前景[N].光明日报,1993年5月7日,第15864号第3版.[13]奇 云.纳米化学研究进展[J].自然杂志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.纳米化学研究进展[J].现代化工,1993,13(8):38-39.[15] 华中一.纳米科学与技术[J].科学,2000,52(5):6-10..
第四篇：纳米材料论文
纳米科技及纳米材料
【摘 要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的分类、特性以及纳米材料在催化、涂料、医药等领域的应用，并展望了纳米材料广阔的应用前景。
【关键词】纳米技术；纳米材料；分类；特性；应用；前景
一、纳米科技及纳米材料的涵义
纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
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，广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
二、纳米材料的分类
按其颗粒组成的尺寸和排列状态，可分为纳米晶体和纳米非晶体。前者指所包含的纳米微粒为晶体，后者由具有短程序的非晶态纳米微粒组成，如纳米非晶态薄膜．
按其结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维的原子团簇和纳米微粒；一维调制的纳米单层或多层薄膜；二维调制的纳米纤维结构；三维调制的纳米相材料。
三、纳米材料的特性
纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与本体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应。
1、小尺寸效应指当超微粒的尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现新的尺寸效应。陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性和延展性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。
2、表面与界面效应指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。
3、当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的特性，称之为量子尺寸效应。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。
4、微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
四、纳米材料的应用
1、在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，主要是在有机物制备方面。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂或钮催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2、在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的非凡性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、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。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3、在医药方面的应用
21世纪控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米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，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，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。
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。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质非凡是酶，从而控制生化反应。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。
五、纳米材料的前景
21世纪将是纳米技术的时代，纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
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第五篇：纳米材料 论文
TiO2纳米制备及其改性和应用研究进展
于琳枫（12化学1班）
摘 要： 二氧化钛纳米管由于新奇的物理化学性质引起了广泛的关注，本文就近年来在制备方法﹑反应机理﹑二级结构及掺杂和应用方面予以综述，并讨论了今后可能的研究发展方向。
关键词: 二氧化钛, 纳米管, 制备, 反应机理, 二级结构
0 引言
TiO2俗称钛白粉，无毒、无味、无刺激性、热稳定性好，且原料来源广泛易得.它有三种晶型：板钛矿、锐钛矿和金红石型。TiO2最早用来做涂料。
自从1991年Iijima发现碳纳米管以来，已经用碳纳米管模板合成出各种不同的氧化物纳米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化钛由于其化学惰性，良好的生物兼容性，较强的氧化能力，以及抗化学腐蚀和光腐蚀的能力，价格低廉，在能量转换﹑废水处理﹑环境净化﹑传感器﹑涂料﹑化妆品﹑催化剂﹑填充剂等诸多领域引起了人们极大的关注。研究结果表明：TiO2的晶粒大小，形状，相组成或表面修饰以及其它成分的掺杂对其性质﹑功能有显著的影响，纳米管的比表面积大，因而具有较高的吸附能力，有良好的选择性，可望具有新奇的光电磁性质，具有很好的应用前景。本文对二氧化钛纳米管的制备，形成机理的最新进展进行综述，并对今后的发展方向予以展望。TiO2纳米材料的制备
1.1 气相法
TiO2纳米材料的气相合成主要是在化学技术和物理技术上发展起来的。由于反应温度高。气相法具有成核速度快、产品结晶度高、纯度高、生成粒子团聚少、粒径易控制等优点。气相法可以合成各种形貌的TiO2薄膜或粉体：纳米棒、纳米管、纳米带等。最常使用的气相法是高温溅射沉积法(SPD).Ahonen等用钛醇盐做前驱体。采用SPD法合成了TiO2纳米粉体和薄膜。其他的气相制备技术 1
包括：直流电溅射法、高频无线电溅射法、分子束取向生长法和等离子体法等。
1.2 液相法
目前制备TiO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法。这种方法的优点是：原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产。但是产品粒子的均匀性差，在干燥和煅烧过程中易发生团聚.应用最普遍的液相制备方法包括液相沉积法和微乳液法等。
1.2.1 液相沉积法
液相沉积法是以无机钛盐作原料，通过直接沉积来制备功能TiO2粉体和薄膜的液相法。Deki等用(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液为起始溶液，制备了TiO2薄膜.Imai等用添加了尿素的TiF4和Ti(SO4)2的水溶液制备了不同形貌的TiO2纳米材料。液相沉积法具有以下优点：对仪器要求比较低,温度要求低(30～50℃),基片选择比较广等。
1.2.2 微乳液法
微乳液法制备纳米TiO2是近年来才发展起来的一种方法。微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的液体混合物。该法的制备原理是在表面活性剂作用下使两种互不相溶的溶剂形成一个均匀的乳液。利用这两种微乳液间的反应可得到无定型的TiO2，经煅烧、晶化得到TiO2纳米晶体。贺进明等以TiCl4为原料、在十六烷基三甲基溴化铵、正己醇、水组成的微乳液体系中，在较低温度下，制备了球形、花状、捆绑丝和星形的金红石型TiO2纳米颗粒。微乳液法得到的粒子纯度高、粒度小而且分布均匀，但稳定微乳液的制备较困难。因此，此法的关键在于制备稳定的微乳液。TiO2纳米材料的反应机理
2.1氧化钛纳米管形成的反应机理
目前，对二氧化钛纳米管的形成机理和组成尚存在分歧。一般认为，锐钛矿或者金红石相以及无定形二氧化钛在碱性条件下转换为纳米管都要经过单层的纳米片的卷曲，类似于多层碳纳米管形成的机理，即从1D到2D，再到 3D的组合过程。Sugimoto等研究证实了层状的质子化的二氧化钛纳米片的存在，Sun和Masaki各自报道了钛酸钾或者钛酸钠形成的纳米带。在碱性条件下，各种钛酸盐可以形成层状的结构，再通过折叠或卷曲形成纳米管，但折叠或卷曲的顺序
尚不确定。理论上钛纳米带折叠或卷曲形成纳米管时，可形成下列3种形状：（a）蛇形的，即单层纳米管的卷曲；（b）洋葱式的，即几个有弱相互作用的纳米片的卷曲；（c）同心式的，通过卷曲或者折叠成多层的纳米管。但实际上，（c）种形状在合成时很难出现。Yao和Ma通过TEM研究分别证实了(a)和(b)构型钛纳米管的存在。
梁建等则认为钛纳米管的生长机理符合3-2-1D的生长模型，在水热合成的过程中，在高压高温和强碱作用下，二氧化钛块体沿着(110)晶面被剥落成碎片，在片的两面有不饱和悬挂键，随着反应的进行，不饱和悬挂键增多，使薄片的表面活性增强，开始卷曲成管状，以减少体系的能量，这一点从反应中间产物中观察到大量的片状及卷曲态得的到证明。Dimitry V.Bavykin[19]等系统地研究了合成温度以及TiO2/NaOH mol 比对制备二氧化钛纳米管形貌的影响.认为 图3-b 符合氧化钛纳米管的形成机理，并给出了形成机理的原始驱动力的解释。Dimitry V.Bavykin等进行了氧化钛纳米管形成的热力学和动力学研究。该模型见图4 能够很好的解释实验中增加TiO2/NaOH的摩尔比，氧化钛纳米管的平均管径也增大。同时也可以解释反应温度增加有利于纳米管的平均管径增大。
2.2 纳米管的热稳定性及氧化钛纳米管的晶型
由于二氧化钛纳米管为无定形结构，在热力学上，属于介稳态。因此研究温度对其热稳定性的影响颇有必要。王保玉等以TiO2为原料制备成TiO2纳米管，通过不同温度焙烧得到不同的样品，用TEM,XRD,FT-IR,BET等手段详细的研究了温度对晶型，比表面积的影响。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙烧存在着两次比表面积的突降，用化学法合成的纳米管在400 ℃时，比表面积降到很小，管的结构严重被破坏。用化学法合成的纳米管是无定形的，而模板法制备的纳米管为锐钛矿型的。这可能是因为化学法制备的纳米管为多层，层与层之间不能形成三维空间的点阵结构。而王芹等研究则发现钛纳米管经过400 ℃热处理后能保持其纳米管的形貌，600 ℃有纳米管间烧结的现象，800 ℃时管的形状完全被破坏。可见合成方法的不同，氧化钛纳米管的热稳定性也有很大的差异。
Graham Armstrong等用水热法合成的氧化钛纳米管晶型为TiO2-B，具有竹子状的二氧化钛，是以TiO6八面体为基础通过共用边和共顶点形成的多晶，不同于锐钛矿相，金红石相和板钛矿相，密度比上述三种晶型都稍低。但XRD的 3
结果表明，TiO2-B的结构中仍还有痕量的锐钛矿相。梁建等用水热法合成，控制温度130 ℃，晶化时间2~3天，成功制备了多层的锐钛矿和金红石混晶的TiO2纳米管。王保玉等研究发现，氧化钛纳米管为多层管，每个单层相当于 一个氧化钛分子的厚度，层与层之间不在以化学键存在，Ti在纳米管中的配位和八面体结构未达到饱和，拉曼光谱表明，TiO2纳米管以无定型的形态存在。Tomoko Kasuga等用10 M NaOH溶液水热条件下110 ℃处理20小时，得到具有针状结构的纳米管，晶型为锐钛矿型。可见纳米管的晶型，随着水热处理的温度和时间变化而有所不同。TiO2纳米材料的的二级结构
在水热处理的过程中，除了生成纳米管本身的一级结构外，还存在纳米管之间的聚集，因而产生了氧化钛纳米管的二级结构。Dimitry V.Bavykin等研究发现，纳米管的二级结构取决于前驱体二氧化钛的量和所用NaOH的体积，其比例越小，生成的氧化钛纳米管越倾向聚集成球状。这可能是由于在水热条件下生成纳米管的过程是一个比较缓慢的过程，影响因素较复杂造成的。TiO2纳米材料的改性
TiO2纳米材料的很多应用都是和其光学性质紧密相连的。但是，TiO2的带隙在一定程度上限制了TiO2纳米材料的效率。金红石型TiO2的带隙是3.0eV，锐钛矿型是3.2eV，只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光中只占很小的一部分(<10%)。因而，改善TiO2纳米材料性能的一个目的就是将其光响应范围从紫外光区拓展到可见光区，从而增加光活性。目前经常采用的改性方法包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合等方法。
5.1 贵金属沉积
半导体表面贵金属(包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag)沉积可以通过浸渍还原、表面溅射等方法使贵金属形成原子簇沉积附着在TiO2表面.由于贵金属的费米能级比TiO2的更低,光激发电子能够从导带转移到沉积在TiO2表面的贵金属颗粒上,而光生价带空穴仍然在TiO2上.这些行为大大降低了电子和空穴再结合的可能性,从而改善其光活性.Anpo和Takeuchi制备了Pt沉积TiO2用于光催化分解水制氢实验,发现产氢效率得到了明显提高.Sakthivel等研究了用Pt、Au和Pt沉积TiO2做光催化剂时对酸性绿16的光致氧化作用,发现与未沉积贵金属的TiO2相比,光催化效率得到了不同程度的提高.5.2 离子掺杂
TiO2半导体离子掺杂技术是用高温焙烧或辅助沉积等手段，通过反应将金属离子转入TiO2晶格结构之中。离子的掺杂可能在半导体晶格中引入缺陷位置和改变结晶度等。影响了电子和空穴的复合或改变了半导体的激发波长，从而改变TiO2的光活性。但是，只有一些特定的金属离子有利于提高光量子效率，其他金属离子的掺杂反而是有害的。Choi等系统地研究了21种金属离子掺杂对
TiO2光催化活性的影响，发现Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh离子掺杂可以把TiO2的光响应拓宽到可见光范围，其中Fe离子掺杂效果最好，而掺杂Co和Al会降低其光催化活性。Wu等定性分析了过渡金属(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)离子掺杂对TiO2的光催化活性的影响。Xu等比较了不同稀有金属(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)离子掺杂对TiO2光催化活性的影响。
阴离子掺杂可以改善TiO2在可见光下的光催化活性、光化学活性和光电化学活性。在TiO2晶体中掺杂阴离子(N、F、C、S等)可以将光响应移动到可见光范围。不像金属阳离子，阴离子不大可能成为电子和空穴的再结合中心，因而能够更有效地加强光催化剂的催化活性。Asahi等测定了取代锐钛矿TiO2中O的C、N、F、P和S的掺杂比例。发现p态N和2p态O的混合能使价带边缘向上移动从而使得TiO2带隙变窄。尽管S掺杂同样能使TiO2带隙变窄，但是由于S离子半径太大很难进入TiO2晶格。研究表明C和P掺杂由于掺杂太深不利于光生电荷载体传递到催化剂表面，所以对光催化活性的影响不是很有效。Ihara等将硫酸钛和氨水的水解产物在400℃的干燥空气中煅烧，得到了可见光激发的N掺杂TiO2光催化剂。
5.3 染料敏化
有机染料被广泛地用作TiO2的光敏化剂来改善其光学性质。有机染料通常是具有低激发态的过渡金属化合物，像吡啶化合物、苯二甲蓝和金属卟啉等。Yang等用联吡啶、Carp等用苯二甲蓝染料作为感光剂敏化TiO2,发现这些染料可以改善光生电子空穴对的电荷分离，从而改善了催化剂的可见光吸收。
5.4 半导体复合
半导体复合是提高TiO2光效率的有效手段。通过半导体的复合可以提高系统的电荷分离效率，扩展其光谱响应范围.从本质上说，半导体复合可以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰。Sukharev等将禁带宽度与TiO2相近的半导体ZnO与TiO2复合，因复合半导体的能带重叠使光谱响应得到发展。通过对ZnO/TiO2、TiO2/CdSe、TiO2/PbS、TiO2/WO3等体系的研究表明，复合半导体比单个半导体具有更高的光活性。GurunathanK等将CdS(带隙2.4eV)和SnO2(带隙3.5eV)复合在可见光下制氢得到了更高的产氢率。总结与展望
针对TiO2纳米材料的性质、合成、改性和应用，人们已经做了广泛的研究。随着TiO2纳米材料的合成和改性方面的突破，其性能得到不断地改善，新应用也不断的被发现。但从目前的研究成果看，可见光催化或分解水效率还普遍很低。因此如何通过对纳米TiO2的改性，有效地利用太阳光中的可见光部分，降低TiO2光生电子空穴对的复合机率，提高其量子效率是今后的研究重点。
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