功能纳米材料及环境保护[5篇材料]

第一篇：功能纳米材料及环境保护

功能纳米材料与环境保护

前言

纳米科学技术这一概念最早源于诺贝尔奖获得者美国物理学家Richard Feynman在1959 年所作的“ 人类可按照自己的意愿用单个分子甚至单个原子组装、制造出最小的人工机器来” 的预言的构想。这是纳米技术最早的萌芽。1982 年扫描隧道显微镜的研制成功为纳米技术的诞生与发展奠定了坚实的基础。1990年, 首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩召开, 这标志着纳米科学技术的正式诞生纳米科学技术发展历史不长, 但己受到国内外的高度重视, 认为它将是21 世纪最重要的科学技术。目前, 世界工业先进国家都将纳米科技列入国家主要发展计划之中。我国政府也十分重视纳米科技的发展, 国家科技部、国家计委、中科院等部门联合发布了《国家纳米科技发展纲要》: 国家资助的“ 纳米科学攀登计划” 等与纳米科技有关的高科技创新课题也己取得了一些重大成果。实现纳米科技与环境保护、污染防治的有机结合将为节约资源、保护环境、实现可持续发展提供有效的技术保障。1 纳米技术简介 1.1 纳米

“ 纳米”(nanometer , nm)是一种几何尺寸的度量单位,1纳米等于10亿分之一米, 略等于4 ~ 5个原子排列起来的长度, 约为人发直径的1/ 100000。1.2 纳米技术

纳米技术(纳米科学与技术的简称)是在1-100 nm 尺度范围的物质世界, 研究电子、原子和分子运动规律与特征的一门新兴学科, 其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子, 研制出体积不超过数百个纳米但具有特定功能的、人们所希望的材料与制品。它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。

纳米技术主要包含: 纳米材料学、纳米生物学、纳米动力学、纳米加工学、纳米摩擦学、纳米测量学、纳米化学和纳米物理学等。1.3 纳米材料及其特性

纳米材料又称为超微颗粒材料, 是经过纳米技术处理, 由纳米粒子组成, 结晶粒度为纳米级(1-100nm)的多晶材料, 即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级。纳米材料一般分为: 纳米颗粒、纳米薄膜(多层膜和颗粒膜)和纳米固体。纳米粒子也叫超微颗粒, 一般是指尺寸在1-100nm间的粒子, 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米量级的材料因其物质颗粒接近原子大小, 此时量子效应开始影响到物质的性能和结构, 使其具有表面与界面效应、体积(小尺寸)效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应, 从而在机械性能、磁、光、电、热等方面纳米材料与传统材料有很大的不同, 具有辐射、吸收、催化、吸附及二元协同性等许多新特性。人们利用这些新的特性可以人工合成自然界不存在的或自然界存在但人类还没有模仿出来的新材料, 并采用全新的纳米技术把这些材料应用于各个领域, 促进社会经济发展, 提高人们的生活质量。2 纳米材料在环境保护中的应用现状 2.1 应用纳米技术制备自清洁环保界面涂料

研究发现, 由于纳米尺度上的物质具有许多不同寻常的特性,从而可以利用纳米技术研制出一系列具有奇异功能的纳米界面材料。利用纳米技术研制开发的纳米TiO2在紫外光照射条件下,表面结构发生变化而具有超亲水性,停止紫外光照射,数小时或7 d后又回到疏水性状态,再用紫外光照射,又表现出超亲水性。镀有纳米TiO2的表面因为其超亲水性, 使油污不易附着, 即使有所附着, 也是和外层水膜结合, 在外部风力、水淋冲及自重作用下能自动从涂层表面剥离, 从而达到防污和自清洁的目的。太阳光中的紫外线足以维持纳米TiO2薄膜表面的亲水特性, 从而使其表面具有长期的自洁去污效应阴。这一特性可广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等的自清洁及镜面防雾等方面。近日, 在北京国防科技大学的安居工程上 , 采用了市场上最新的纳米改性涂料防水耐污染高耐候性外墙涂料, 这种“ 纳米涂料”是新型绿色环保产品, 在高档乳胶漆性能的基础上, 提高了乳胶漆的耐污染性、耐候性和防水性;大大延长了建筑外墙的使用寿命, 长久保持建筑外墙的美观、洁净和艳丽的色彩。2.2 应用纳米技术制备光催化环保杀菌消毒材料

利用纳米技术研制开发的纳米TiO2具有极强的杀菌消毒作用, 其作用机理是纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类能与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应,使细菌头单元失活而导致细胞死亡, 并且使细菌死亡后产生的内毒素分解。研究表明, 将纳米TiO2涂覆在玻璃、陶瓷表面, 经室内荧光灯照射1h 后可将其表面9 9 % 的大肠杆菌、绿脓杆菌、金色葡萄球菌杀死。这种瓷砖若用于医院,则覆着于墙面上的细菌数和空气中的浮游菌数明显下降;若用于卫生间, 则可明显降低氨气浓度。纳米TiO2光催化杀菌也可用于深度净化饮用水。李田等人在大比表面积的玻璃纤维网上制成粘结牢固、催化活性良好的纳米TiO2膜, 能明显降低自来水中的总有机物量和细菌总数, 全面改善水质以达到直接饮用的要求。

2.3 应用纳米技术制备防紫外线光吸收材料

由于纳米微粒的尺寸小于可见光波长, 因此, 其对光的反射率低于l%, 即可吸收9 9 % 以上的光。利用纳米材料的这种光学性质, 纳米微粒可作为添加剂制备出对光波有选择性吸收的新材料, 如利用纳米微粒吸收紫外光的特性,使其在防晒化妆品、塑料、金属防腐等方面得到应用。(l)应用于人体防晒化妆品，太阳光对人体有害的紫外线主要在300nm—400nm波段, 如果在防晒化妆品中添加对此波段的光有强吸收作用的纳米微粒, 如: TiO2、SiO2、MgO 和ZnO等,就能保护皮肤不受紫外线的伤害。调查表明,与现在广泛用作化妆品中防晒成分的有机紫外吸收剂相比, 纳米微粒吸收剂具有吸收能力强、无毒、性质稳定、效果好等优点。(2)应用于塑料、金属防腐保护涂层一金属和塑料在紫外线照射下很容易老化变脆或腐蚀,如果在塑料或金属表面涂一层含有纳米微粒的透明涂层, 吸收紫外光, 就可防止塑料老化或金属腐蚀。2.4 纳米技术在污染防治中的应用

大气污染一直是各国政府需要解决的难题,空气中超标的二氧化硫(SO2), 一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)是影响人类健康的有害气体, 纳米材料和纳米技术的应用为解决产生这些气体的污染源问题提供了新的解决方法。利用纳米材料的催化活性治理大气污染，可以应用于燃料脱硫处理，利用纳米技术研制开发的纳米钦酸钻(CoTiO3)及钦酸锌(ZnTiO3)粉体是一种非常好的石油脱硫催化剂。还可以应用于汽车尾气净化处理，利用纳米技术研制开发的复合稀土化合物的纳米级粉体是一种新型汽车尾气净化催化剂, 纳米级粉体有极强的氧化还原性能。它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NOx的污染问题。以活性碳作为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂, 由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+, 电子可以在其三价和四价离子之间传递,因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性, 再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强, 因此它在氧化CO的同时还原NOx，使它们转化为对人体和环境无害的气体CO2和N2。利用纳米材料的优良吸附特性治理空气污染。应用于室内空气的光催化净化剂，利用纳米技术研制开发的合成稀土光催化剂〔,习可以很好地降解这些物质, 其中纳米TiO2的降解效率最好, 将近达到100%。其降解机理是在光照条件下将吸附于其表面的家庭和建筑装修以后新建材、豁结剂等产生的甲醛, 吸烟产生的乙醛, 生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨等各种有毒、有害、致癌、有机污染物氧化分解为二氧化碳、水和有机酸而有效地去除。它最大的优点为: 在不改变空气自然状态的大前提下过滤空气中的有害物质, 增加室内空气的含氧量。

在阅读大量文献的基础上发现，现在利用纳米材料的优异的吸附性能来处理化工工业区的异味、异物等对环境有害的物质的报道非常的少，因此研究新型纳米材料来处理化工工业区的环境污染这一课题有一定的可行性。众所周知，化工工业区的环境质量是非常的差的，污染相当的严重，对当地的环境质量也有很大的影响。在化工区，异味比较严重，有些厂区甚至是有刺鼻的异味，对于厂区的工作人员来说，这种工作环境是比较恶劣的，而在改善这种恶劣环境的研究工作应该是有进行中，但是很少有应用于实际的治理，因此，这方面的研究工作还需要很大的工作量来做的。现在应经有新型纳米材料应用于汽车尾气处理，室内污染物的催化净化，我认为可以在现有的处理污染物技术的基础上，利用TiO2优良的催化降解性能，研制出新的可吸附降解多种有机污染气体的新型纳米材料。这种新型的纳米材料有很大的应用价值，对保护环境、治理污染、改善化工厂区恶劣的工作环境有很大的帮助。2.5 纳米技术在水污染防治方面的应用

传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题, 污水治理一直得不到好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。1纳米过滤水处理技术

纳滤技术是一种介于反渗透与超滤之间的同属于压力驱动的新型膜分离技术, 适用于分离相对分子量界限为200--1000、分子尺寸约为1nm 的溶解组分。利用超滤技术单独处理水时的去除率较差, 而反渗透技术虽有较强的去除率, 但去除有害物质时亦同时将大量的有益无机离子除去,出水呈酸性。纳滤分离技术能截留大部分有机小分子使大部分无机盐通过, 可实现不同价态离子的分离, 它的出现填补了反渗透与超之间的空白。纳滤水处理技术在水处理中的应用非常广泛, 大致分为以下几个方面:(l)硬水软化处理;(2)饮用水的净化处理;(3)受污染地表水与地下水的净化处理;(4)工业废水的净化处理;(5)水的深度处理。2半导体纳米粒子光催化氧化水处理技术

半导体纳米粒子光催化氧化是一项新兴的颇有发展前途的废水处理技术, 是在紫外光照射下, 纳米粒子表面会产生氧化能力极强的羟基自由基,使水中大多数的有机污染物及部分无机污染物彻底氧化降解为CO2和H2O 无害物质。目前, 在光催化氧化降解领域所采用的光催化剂多为N 型半导体材料如TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等。其中TiO2因其活性高、化学稳定性好、对人体无害而最受重视。自1976年CaryJ.H等人报道了在紫外光照射下, 纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯的光催化水处理技术后, 引起了各国众多研究者的普遍重视。迄今为止,已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解, 特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时, 这种技术有着明显的优势。该技术具有降解速度快、氧化条件温和、无选择性、无二次污染、应用范围广等特点。3 高效纳米级水处理药剂直接处理技术

由于纳米材料所具有的表面效应, 使纳米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面积, 所以纳米材料在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力。利用纳米技术研制开发的一种新型纳米级净水剂具有很强的吸附能力,它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10 ~ 2 0 倍。它能将污水中悬浮物吸附并沉淀下来, 然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置, 有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味污染物。我国湖南省研制成功的“ Z氏法” 污水处理技术 , 其原理是利用纳米技术对常用的污水处理净水剂、絮凝剂和杀菌消毒剂加以物化改性, 从而形成多元复合新型高效水处理剂。纳米超高效水处理剂具有传统水处理剂无法比拟的污水净化效果, 同时药剂费用低、应用范围广、使用方便。

在利用纳米技术处理水的方面的研究，很多科研工作者都做了大量的研究工作，也有些成熟的技术已经用于工业生产中。但是对于应用新型的纳米材料来直接处理地下井水的报道并不多见。现在在广大的农村地区，大都直接抽取地下水作为日常生活的饮用水，但大部分地区的未经处理的地下水是达不到饮用标准的。因此，在现有技术的基础上研制一种新型的纳米材料，来进行快速的水处理，使该材料可直接进入普通农村家庭这一课题是值得进行研究工作的，这可以利用科学技术来提高人们的生活质量。此外，在城市家庭中都有饮水机，据有关报道，桶装纯净水在开封两到三天后其桶内的细菌含量就跟未处理之前相当。对大部分家庭来说一桶纯净水一般都不会在两三天内饮用完，因此开发一种利用纳米材料优越的吸附降解性来处理桶装纯净水内的细菌的新型纳米材料是具有很大的意义的。总结

综上所述, 随着纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展,纳米技术在环境保护和污染治理方面的应用已显现出欣欣向荣的景象。作为21世纪前沿科学的纳米技术, 它有着广阔的应用前景, 将对环境保护产生深远的影响,甚至会改变人们的传统环保观念;它将拓展人类保护环境的能力, 为彻底改善环境和从源头上控制新污染源的产生, 创造条件。可以预见,随着纳米技术研究工作的不断深入和实用化水平的不断提高, 特别是纳米技术与环境保护、污染治理的进一步有机结合, 许多环保难题诸如大气污染治理、污水处理、固体废弃物处理处置将会得到有效解决, 人类将充分享受纳米技术带来的洁净环境。

第二篇：纳米材料在环境保护方面的应用

《纳米材料与纳米技术》论文

纳米材料在环境保护方面的应用 学号：205110803

姓名：尚晓娟

摘要： 随着纳米科技迅猛发展，越来越多的人开始关注并研究纳米材料的环境行为，本文综述了纳米材料的定义以及纳米材料在环境保护中的应用。

关键词：纳米材料； 环境保护； 应用 1引言

随着纳米技术的飞速发展,纳米材料的合成和使用正日益增加，并且在电子、纺织、医药、化妆品、建筑、环保等行业，纳米材料都得到了广泛的应用。

2纳米材料定义

根据美国试验与材料协会(the American Society for Testing and Materials)和英国标准学会(the British Standards Institution)的定义，纳米材料是指任一维尺寸小于100nm的材料[1]。纳米材料在环境保护中的应用

3.1 水环境保护

在水环境保护方面，纳米材料及技术可以应用于以下几个方面：

（1）减少水资源消耗。

用纳米TiO2处理后的化学纤维制作的衣服、窗帘和帐篷等能起到自洁作用，不需使用化学洗涤剂清洗，从而降低了污水的排放量，同时减少了水资源的消耗。

（2）水的净化处理。

使用纳米材料的光催化方法，可使许多难降解的污染物转化为H2O和CO2 等无污染的小分子物质。

（3）用于有机物废水处理。

利用TiO2、ZnO等半导体对有机污染物进行光催化降解，最终生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物，正逐渐成为工业化技术，这为环境污染的消除开辟了广阔的前景。

（4）用作纳米净水剂。

一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10～20倍。

（7）抑制蓝藻生长。

研究表明，改性纳米TiO2具有较强的氧化能力，对滇池蓝藻的微囊藻胶群体、叶绿素以及超氧化物歧化酶活性等可产生明显的破坏性影响，从而可显著抑制蓝藻生长

［2］。

3.2 大气环境保护（1）用作煤炭助燃催化剂

工业用煤燃烧后也会产生SO2气体，如加入纳米级助燃催化剂则不仅可使煤充分燃烧，不产生CO气体，提高能源利用率，而且会使硫转化为固体硫化物，而不产生SO2气体，从而消除有害气体的产生［3］。

（2）用作石油脱硫催化剂

纳米钛酸钴(CoTiO3)是一种非常好的石油脱硫催化剂，以半径为55～70nm的钛酸钴合成的催化活体多孔硅胶或以Al2O3陶瓷作为载体的催化剂,其催化效率极高。

（3）用作汽车尾气净化催化剂

复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能,这是其它任何汽车尾气净化催化剂都不能比拟的，它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NOx的污染问题。

（4）用作纳米燃油添加剂

纳米燃油添加剂可以大幅增加动力，降低燃油消耗，提高发动机性能并延长其寿命，减少尾气中有害物质的排放，保护环境。（5）治理大气污染

利用纳米TiO2的光催化作用可将这些气体氧化成硝酸和硫酸,在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的目的。

［5］

［4］。

。

3.3 城市垃圾处理

（1）减少废物的产生

纳米材料的可回收、可生物降解等特性，可以提高食品包装的重复利用度、减轻环境污染［6］。

（2）处理城市垃圾

纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力,避免了因焚烧处理而带来的二次环境污染问题。

3.4其它

（1）控制污染源

污染的预防是指有效地使用原材料、能源、水及其他资源以减少或消除废物的产生，从而从源头上遏制污染的发生。

（2）监测环境污染

利用纳米技术研制的碳纳米管可以用于监测NOx,可在室温下工作，造价低廉，而且体积小［7］。

（3）紫外线屏蔽

纳米TiO2具有很强的散射和吸收紫外线的能力，尤其是对人体有害的中长波紫外UVA、UVB(320～400nm,290～320nm)的吸收能力很强，效果比有机紫外吸收剂强很多，并且可透过可见光。

（4）噪声控制

运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表面形成永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，得以大降低机器设备运转时的噪声，又能延长它的使用寿命

［8］

。结论与展望

近年来纳米材料在环境污染治理中的应用成为环境污染治理研究的新热点，并且取得了一些重要成果［9］。在今后的研究中，需要进一步加强：

（1）不同纳米尺度修复剂在土壤、水体中的存在状态、传输、转化和与其它物质相互作用的规律研究。

（2）土壤、水体中不同纳米尺度物质的探测和表征方法，建立纳米尺度有毒化学物质的数据库，进一步明确划分纳米尺度有毒化学物质的范围，以利于重点防范这些物质在生产和应用过程中对环境安全造成的危害。

（3）需探索有效的纳米材料安全评价方法，建立统一的纳米材料毒理学实验方法、技术及安全标准，为纳米材料的生物毒性机制研究提供保障。

5参考文献

［1］Klaine S J, Alvarez P J J, Batley G E, et al.Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects[J].Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, 27(9): 1825-1851.［2］周丽娟,尹海川,陈小兰,等.载Pt 纳米TiO2 抑制滇池蓝藻生长的研究[J].云南大学学报(自然科学版),2005,27(4):361-364.［3］胡伟武, 冯传平.纳米材料和纳米技术在环境保护方面的应用[J].化工新型材料, 2007, 34(11): 14-16.［4］孙万明, 徐现波, 文作和.纳米材料及其应用[J].合作经济与科技, 2005(07X): 18-19.［5］李常艳, 武鹏, 胡瑞生, 等.纳米材料在环境保护方面的应用[J].内蒙古科技与经济, 2003(5): 74-74.［6］孙万明, 徐现波, 文作和.纳米材料及其应用[J].合作经济与科技, 2005(07X): 18-19.［7］任清褒, 麻锦红, 周振春.纳米材料及技术在环境保护领域的应用现状和前景[J].丽水学院学报, 2005, 27(2): 28-32.［8］戴晓峰.纳米技术在环境保护中的应用[J].生物学杂志, 2008(4): 61-62.［9］王摇萌.纳米材料在污染环境修复中的生态毒性研究进展[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(11): 2986-2991.

第三篇：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。

参考文献

[1]Gabrielson L, Edirisinghe M J.On the dispersion offine ceramic powders in polymers.Journal of MaterialsScience Letters, 1996, 15(13): 1 105～1 107 [2]徐国财, 张立德.纳米复合材料.北京: 化学工业出版社, 2002.32～43

[3]姜云鹏,SiO2 改性聚苯硫醚力学性能的研究.高分子材料科学与工程，2002，18(5)：177 [4]张志华，吴广明，等．材料科学与工程学报，2003，21(4)：498

[5]郭卫红，李盾，等．纳米SiO2 增强增韧聚氯乙烯复合材料的研究.塑料工业，1998，26(5)：10 [6]石璞，晋刚，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.国塑料，2002，16(1)：3 [7]张彦奇，华幼卿．纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.应用化学，2003，20(2)：638 [8] 欧玉春，杨锋，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.分子学报，1997，2：199 [9]Jose-Luiz L X，Alain G，Elodie B L J Colloid and InterfacaSci，2002，250(1)：82 [10] 张启卫，章永化，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.料科学与工程，2002，20(3)：381 [11]Mascia Leno, Tang Tao.Curing and morphology ofepoxy resin-silica hybrids.Journal of MaterialsChemistry, 1998, 8(11): 2 417～2 421 [12]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2 环氧树脂复合材料性能研究.玻璃钢/复合材料, 2001(2): 34～36

[13]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2/环氧树脂复合材料性能研究.高分子材料科学与工程, 2002, 18(5): 148～154 [14]欧玉春, 杨锋, 庄严, 等.原位分散聚合聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅纳米复合材料研究.高分子学报, 1997(2): 199～205 [15]熊明娜, 武利民, 周树学, 等.丙烯酸酯/纳米SiO2 复合乳液的制备和表征.涂料工业, 2002(11): 1～3 [16]王世敏, 吴崇浩, 赵雷, 等.聚二甲基硅氧烷/SiO2杂化材料的制备与性能的研究.材料科学与工程学报,2003, 21(2): 205～207 [17]Mackenzie John D, Chung Y J, Hu Y.RubberyOrmosils and their Applications.Journal ofNon-Crystalline Solids, 1992, 147-148: 271～278 [18]潘伟, 翟普, 刘立志.SiO2 纳米粉对炭黑/硅橡胶复合材料的压阻、阻温特性的影响.材料研究学报,1997, 11(4): 397～401 [19]王金平, 俞志欣, 何捷, 等.用sol-gel 法在pc 上制备有机－无机复合耐磨涂层.功能材料, 1999, 30(3): 323～325 [20]杨勇, 朱子康, 漆宗能.溶胶－凝胶法制备可溶性聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料的研究.功能材料,1999, 30(1): 78～81 [21]曹峰, 朱子康, 印杰, 等.新型光敏PI/SiO2 杂化材料的制备与性能研究.功能高分子学报, 2000, 13(3): 25～29 [22]张彦奇, 华幼卿.LLDPE/纳米SiO2 复合材料的力学性能和光学性能研究.高分子学报, 2003(5): 683～84 [23]Reynaud E, Jouen T, Gauthier C, et al.Nanofillersin polymeric matrix: a study on silica reinforcedPA6.Polymer, 2001, 42(21): 8 759～8 768 [24]邵鑫, 田军, 刘维民, 等.纳米SiO2 对聚醚砜酮复合材料摩擦学性能的影响.材料工程, 2002(2):38～39 [25]靳奇峰, 廖功雄, 蹇锡高, 等.纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.宇航材料工艺, 2005(2): 18～19 [26]张而耕, 王志文.PPS/SiO2 纳米复合涂层的制备和性能测试.机械工程材料, 2003, 27(5): 36～37 [27]张启卫, 章永化, 陈守明, 等.聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.应用化学, 2002, 19(9): 874～875 [28]郭卫红, 唐颂超, 周达飞, 等.纳米SiO2 在MMA 单体中在原位分散聚合的研究.材料导报, 2000(10):71～72 [29]张毅, 马秀清, 李永超, 等.纳米SiO2 增强增韧不饱和聚酯树脂的研究.中国塑料, 2004, 18(2): 35～36 [30]周文英, 李海东, 牛国良, 等.纳米SiO2 改性不饱和聚酯树脂.纤维复合材料, 2003(14): 14～15

第四篇：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..

第五篇：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。

参考文献: [1]殷景华，王雅珍等．功能材料概论．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.9 [2]林鸿溢．纳米材料与纳米技术．材料导报，1993 [3] 刘吉平，郝向东．纳米科学与技术[M] ．北京：高等教育出版社，2002 [4 张立德，牟季美．纳米材料学[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，1994