纳米科学技术与纳米材料发展综述

第一篇：纳米科学技术与纳米材料发展综述

纳米科学技术与纳米材料发展综述

摘 要:介绍了纳米科学技术、纳米材料的概况及纳米材料的结构、特性、制备方法和应用前景.关键词:纳米科学技术;纳米材料;纳米效应

纳米是长度单位，原称“毫微米”即10’9米(10亿分之一米)。纳米科学是研究在1一100纳米内原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工，称为纳米技术。20世纪80年代，纳米材料体系开始为科学家所关注，目前已成为跨世纪材料科学研究的热点。纳米科学技术

纳米科学技术是在0.1~100 nm尺度上研究和应用原子、分子现象,并由此发展起来的多学科的、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术.它是现代物理(介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等)和先进工程技术(计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术)结合的产物.纳米并非是一个新名词,但是在Nano ST中的纳米却是一种新的思考方式,即生产过程要越来越精细,以致最后在纳米尺度上直接由原子和分子制造具有特定功能的产品.因此,随着Nano ST的发展,必将引发一系列新的科学技术.国际纳米科技会议将纳米科技分为6个主要部分,即纳米电子学、纳米物理、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学.其中纳米电子学处于重要地位,其研究的直接目标就是新型的纳米电子器件,在纳米器件中,最有特色的是单电子器件.其典型结构是纳米粒子,它的电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子点,若处于量子点内的电子能量高于热起伏,那么就可以检测到单电子隧穿现象.在此基础上可以构造单电子晶体管、逻辑电路、存储电路以及纳米功能元件阵列的超高密度集成电路.与现在的微电子器件相比,它具有更低的功耗、更快的开关速度、更高的存储密度以及更高的集成度.因此,它不仅有丰富的理论内容,而且有极为现实的应用前景.2 研究纳米科技的背景和意义

从真空电子管的发明到晶体管的出现,从集成电路的诞生到大规模集成电路和超大规模集成电路的广泛应用,每一代小型化电子器件的出现,都带来了电子技术的革命,推动了电子科技的迅速发展,也促进了其它科技和社会生产的进步.特别是以微电子器件为基础的高速计算机的出现和个人计算机的广泛应用,使人类社会进入了计算机时代.促进计算机时代继续发展的一个重要因素是微电子器件的集成度不断提高,其芯片上的功能元件尺寸不断减小,按照目前功能元件尺寸减小的速度推算,不久的将来,芯片上功能元件的尺寸将进入纳米范围.目前,人类广泛应用的功能材料和元件,其尺寸远大于电子自由程,观测的电子输运行为具有统计平均结果.描述这些性质的主要是宏观物理量,现已有成熟的理论和技术.当功能材料和元件的尺寸逐渐减小到纳米量级时,其物理长度与电子自由程相当,载流子的输运将有明显的量子力学特征,传统的理论和技术已不再适用.因而,需要发展基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落等特性的新的理论和新的技术.传统科学技术中元件尺寸是从毫米向微米过渡,现在,在新技术、新效应的应用中,功能元件的尺寸要求从微米向纳米过渡.如果再进一步发展,需要组装性能更新颖、结构更复杂的功能元件,就需要开发新材料和相应的组装技术,也就更需要多学科的协作与交叉发展.因此,从80年代后期开始逐渐发展起来了一个新的综合性的多学科交叉的研究领域———纳米科学技术.纳米科学技术的诞生将对生产力的发展产生深远的影响,并且有可能从根本上解决人类面临的一系列问题,例如粮食、健康、能源和环境保护等重大问题。纳米材料学

纳米材料学是纳米科技领域中发展最为迅速的学科。纳米材料包括纳米颗粒材料和由纳米颗粒组成的纳米相块体材料。纳米材料学主要研究纳米材料的制备、结构、性能及其应用等，是纳米科技与材料学交叉而成的边缘学科。

3.1纳米材料的特性

在生产实践中人们发现，如果将宏观尺度的物质微细化到纳米尺度，这种纳米颗粒在性能上就表现出与原宏观尺度物质完全不同的性质，人们将这种纳米颗粒称为“物质的新状态”。纳米物质之所以表现出这些奇异的性能，主要是由于物质进人纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中可忽略的物理效应。据目前人们对纳米颗粒的研究，这些效应主要有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。

3.1.1表面效应

凝固态物理学告诉我们，处于物质内部的粒子和处于物质表面的粒子其状态完全不同，后者具有很高的能量和化学活性，在电子显微镜的电子束照射下，表面粒子仿佛进人了“沸腾”状态。一般情况下，由于表面原子数和整个物质的原子数相比微不足道，所以无表面效应显示。但当物质的尺度进人纳米量级，表面原子数就达到了不可忽略的地步(表1)，这时表面效应就表现得非常明显。纳米材料的表面效应可增加材料的化学活性、降低熔点等。利用这一特性可制作高效催化剂、敏感元件、用于高熔点材料冶金等。实际上，目前已成熟的粉末冶金法及无机材料行业普遍采用的粉碎一成形一烧结工艺流程，在一定程度上就是利用了这一原理。

3.1.2量子尺寸效应(九保效应)能带理论指出:由无数原子组成固体时，各原子的能级就合并成能带，由于各能带中电子数目很多，能带中能级间隔很小，可以看成是连续的。但对于纳米粒子，能带中能级间隔增大;当能级间距大于热能、磁能、电能、光子能量或超导态的凝聚能时，物质就会呈现出一系列与宏观物质截然不同的反常特性，这就是量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米物质在磁、电、光、声、热以及超导性等方面表现出与宏观物质显著不同的特性。例如，导电的金属在纳米状态下变成绝缘体;磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，光谱线会向短波长方向移动等。有人曾利用九保关于能级间距的计算公式计算出金属银粒子在IK时出现量子尺寸效应时的临界尺寸为14nm，指出当银粒的粒径小于14nm时将变成绝缘体。

3.1.3小尺寸效应

当固态物质的粒子尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特性尺寸相当或更小时，晶体周期性边缘条件将破坏，非晶质的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热等特性发生显著改变，即谓之小尺寸效应。小尺寸效应为纳米物质的实用技术开拓了新领域，如果磁性物质当其处于纳米尺度时具有很高的矫顽力，可以制成磁卡，或制成磁性液体，广泛用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。利用等离子共振频率随尺寸变化的性质，可以通过改变纳米颗粒的尺寸控制吸收边位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、飞机隐型等。

3.1.4宏观量子随道效应

电子等微观物质具有穿越热垒的能力称隧道效应。现在人们发现一些宏观的量如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器中磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应早期曾被用来解释纳米镍在低温下继续保持超顺磁性等，后来发现在许多纳米物质中普遍存在。对宏观量子隧道效应的研究既有基础理论意义，又有重要的实用意义。它限定了磁介质进行信息存储的时间极限。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应一起将会是未来电子器件的基础，一方面它指出了现有电子器件微型化的发展方向，同时又确定了其限度。纳米材料的制备方法

制备高纯、超细、均匀的纳米微粒，发展新型的纳米材料，就显得格外重要。通常，纳米微粒制备的要求是:(l)表面洁净;(2)粒子形状及粒径、粒度分布可控，防止粒子团聚;(3)易于收集;(4)有较好的稳定性;(5)产率高。随着纳米微粒研究的深入，对纳米超细微粒提出了不同的物理、化学特性需求，而解决问题的关键就在于研究、发展新的合成技术，并实现纳米材料的规模化、产业化。纳米超细微粒的制备方法很多，总体上可分为物理方法和化学方法，以物料状态来分可归纳为固相法、液相法、气相法，进而发展、衍生出模板合成法。具体包括固相物质热分解法，物理粉碎法，高能球磨法，水热合成法，表面化学修饰法，化学沉淀法，胶体化学法，溶胶—凝胶法，电解法，激光加热蒸发法，气相等离子体沉积法等。合成的方法各有优缺点，通常存在的问题往往是反应需要高温、大量使用有机溶剂、过程控制复杂、设备操作费用昂贵、颗粒均匀性差、粒子容易粘结或团聚等。因此，需要根据对纳米材料的不同要求和特点，选择研究不同的合成方法。由纳米粉体制备具有极低密度、高强度的催化剂、金属催化剂载体以及过滤器等工艺有待改进。

5纳米技术的前景

现在很多国家，尤其是美国、日本和欧洲都非常重视发展纳米技术，他们在纳米技术研究和应用方面投人的经费成倍地增加，我国政府也十分重视纳米技术的基础研究和应用。据有些科学家分析，我国目前纳米技术的基础研究处于世界上第5第6位，应用研究主要是纳米粉体(材料)的研究处于世界先进地位。纳米技术将是二十一世纪最关键的科学技术，将是二十一世纪里各个国家实力较量的最主要、最根本的领域，二十一世纪将是纳米技术的时代。

参考文献

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第二篇：纳米科学技术概论论文

《纳米科技概论》公选课

课程考查论文

学院名称环境与土木工程学院 专业名称地质工程 学生姓名张鼎

学生学号201403100512 选课序号

2016年4月17日

纳米科技的应用

纳米，这是一个十亿分之一米的尺寸单位的物质而已。是人类首次用单个原子、分子自由排列物质的科学技术。它包括纳米生物学、纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米化学以及纳米医学、纳米信息学等学科，已被称为二十一世纪的前沿科学，它蕴藏着超乎人们想象的巨大商机。

纳米科技是尖端科技，却早就存在身旁。举例来说，荷叶表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内，所以不易吸附污泥灰尘。这种荷叶表面纳米化结构，自我清洁的物理现象，就被称作荷叶效应。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成,或由下至上制成,难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时，会和它们在巨观时有很大的不同，例如：不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成可以当催化剂(铂)、稳定的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

它不是可望不可及的技术，它可以结合中国现有的国情利用纳米功能开发出许多与老百姓生活息息相关的纳米功能产品。什么是纳米功能应用产品呢？就是利用纳米材料采取不同的制备方法，使纳米材料变成有特异物理功能的特征，用这种物质研制成的产品，具有纳米技术的四大效应的特征。利用这四大效应的某些特异性，可改变某些物质的原有特性或结构。如纳米功能水杯、纳米功能卡、纳米功能酒等，这些产品可通过纳米功能的四大特征实现了改变水分子团的结构，激活人体细胞；改变了酒中甲醇酒精的分子团结构等复杂机理，从而产生了令人难以置信的止疼、养生、排毒、健体，抗感冒、抗疲倦。真正的纳米功能水，就是这样产生的，是以上述特点为科学基础的。

纳米技术它究竟能给人们带来什么变化呢？我们不去探讨尖端的纳米技术，仅以最朴实、通俗的案例讲述一下纳米技术已给人们或将给人们带来的实惠，这些纳米技术的应用，是真真切切的，与当今老百姓生活息息相关的产品。仅举几个纳米技术运用的例子：

一、纳米“导弹”：纳米级的“导弹”具靶向作用，可自动攻击癌细胞，并可“消灭”癌细胞。事实上，纳米技术可对癌症，产生较好的疗效，已经有成功的报道案例。近期又有报道，纳米技术可抗病毒性感冒。其实，何止有抗感冒之效用，还有更多的新发现。如北京宇天能纳米技术有限公司发明的TN863纳米母粒研制的纳米功能水杯，经10－30分钟处理后的自来水，具多种有趣的现象。如饮用处理过的自来水后，一些人反映不易感冒了，精神旺盛了，睡眠好多了，小孩不厌食了，老人四肢有力了，这只是因为纳米的四大效应改变了水的分子团结构，并且使水产生了大于普通水60％－84.7％的活性能量，可称为富含营养，能养生保健、理疗的活性水。由于是纳米功能所致，因此称为纳米功能水。实现纳米技术应用产业化，这是需要我们共同努力的事。

二、纳米功能汤锅、餐具：纳米功能的生命之光能量可迅速使廉价的白菜汤改变本质结构及特性。这种纳米功能白菜汤可使人们享受到比“人参汤”更好的效果，同样有迅速的抗疲倦、排毒、养生、久服延年益寿之功效。其实，古时的李时珍在《本草纲目》中为水专门著有一篇“水部”之论，明确指出“水疗”法。

三、纳米功能饮水机：它的特征是用自来水替代矿泉水。人们再也不为买水票操心。远离搬运及灌装水桶的烦恼，今后，只需轻松打开一下家里的自来水龙头，仅十几分钟，自来水就已改变了水分子团结构，使大分子团水变成了小分子团结构的养生功能之水，喝了这种水，一般人都会迅速感觉消除疲劳，并对一些病症有意想不到的排毒祛病的神奇效应，称之为将长寿村的水搬回家，人人可实现长寿的追求愿望。不过有的人会不高兴，那就是一些生产感冒制药厂的厂家或销售商，因为到那时得感冒的人可能会减少80％，当全民普及饮用纳米功能水后，预计感冒药将减少50％以上。感冒药市场因此大大减少。建议经常吃感冒药的人，可尝试天天喝纳米功能自来水，肯定会有改变，如果您远离了感冒，请不要忘记“纳米”比大米要高级一些。

四、纳米功能省油器：一只小小的纳米功能棒放入油箱三年不管它，它会自动地为您效劳，不停地将汽油裂变为优质节能油，节油可达7％－20％，不同于现在的一些节油办法，需一天或几天加一次添加剂，即麻烦又耽误时间。因此，纳米省油器让人变懒惰一些，让汽车变“勤劳”一些。

五、纳米功能酒：一瓶几元一瓶的二锅头酒，被迅速地无声无响的变成了犹如几十元、几百元一瓶的柔和、甘醇的美酒，而且相对而言，因为酒精被分解，使人喝了不易醉、不上头，有护肝之功效，还有益肾等特殊的保健作用。

六、纳米自洁表面处理和涂料:如果将透明、疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或瓷砖、玻璃上，大楼就不会被空气中的油污弄脏，瓷砖和玻璃也因不会沾上水蒸气而永远透明。任何粘在表面上的物质，经阳光的照射，都会在纳米涂料的催化作用下，变成可以蒸发的气体或者容易被擦掉的物质，建筑物不再总是脏乎乎的，家庭里的卫浴设备也不必每天清洗了。将这种纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不会沾上灰尘，省去不少洗衣服的麻烦。氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色镜的变色速度较慢，用纳米材料做成的变色镜就不一样了，变色速度很快，用它做士兵的防护激光镜是再好不过了。

七、纳米高强度材料：如果把金属纳米材料颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。人们幻想在下一个世纪，总有一天会制造出如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船，会使它们的重量减少到1/10。到那时，一辆摩托车的重量会变成只有20～30千克。人们日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点。硬是指它可以当做刀具用来切削金属，脆是指它经不住冲击。陶瓷的另一个长处是耐高温，在10000℃的高温下也不变形。用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性。这个问题一旦被彻底解决，会在汽车发动机上大显身手，彻底甩掉发动机的冷却系统，使发动机工作在更高的温度下，汽车将跑得更快、飞机会飞得更高。

八、纳米单电子元器件：把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，就会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态，变成只能具有某一动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接结果表现为，在金属颗粒的两端加上电压，当电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时，金属颗粒不导电。这样一来，原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不再成立了。还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，这就切断了电流的连续性，这使人们联想到是否可以发明用一个电子来控制的电子器件，所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小，一旦实现，把它们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。

上述几项纳米技术，一旦开发应用，毫不夸张地说可以为亿万人民带来真正的实惠，具有数

十、百亿元的市场价值。

为了纳米科学研究及其成果的应用，首先要能按照人们的意愿在纳米尺度上对材料进行自由地剪裁和安排，这一技术被称为纳米加工技术。实际上，一方面纳米加工技术是纳米材料应用的重要基础，另一方面纳米加工技术中也包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说，在一个粗细为几纳米的孔或线里，原子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一般而言，原子运动的自由程为几个微米。在这个长度上，原子发生碰撞、进行热扩散的作用可忽略不计。可是在纳米孔或线内，原子的扩散主要是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子，一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力越小。在纳米世界里，材料表面很小，相互之间距离很近，以至于两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此，在纳米世界内，所有的加工技术都必须在原子尺寸的层面上考虑。

目前，全球纳米技术的收益已达500多亿美元，预计未来5－10年内将达到1440万亿美元。有人预言，最富有的人将再也不是比尔·盖茨，而是拥有纳米技术的人。

纳米技术究竟能给人什么呢？给人梦想、给人健康、给人长寿。“纳米长寿、千寿之神”甜蜜的微笑只是献给热爱它的人，只要善待纳米科技，并善良地拥抱纳米技术，你将获得快乐与幸福，也将获得长寿，也可能获得巨大的财富。

纳米技术能使人长寿几百岁吗？答案是：能！当然，那只是尖端纳米技术的任务。比如，人老了，换一个18岁小伙子的纳米材料做的心脏、肾等，或者纳米细胞活能代谢机，5年一个周期，衰老细胞被清除掉，诞生十八、十九岁的充满生机的新生细胞。使人能如此活上200岁、300以上，这些并不是神话，随着纳米技术的研发运用，迟早有这么一天。

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。

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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。

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