纳米材料和纳的米技术发展的哲学思考（合集5篇）

第一篇：纳米材料和纳的米技术发展的哲学思考

纳米材料和纳米技术发展的哲学思考

21世纪青年学者论坛 乘器器争 发展的哲学学' 方芳朱敏

(华南理工大学机电工程系.广州510641)摘要:本文纳米材料为倒,借助自然辩证法和科学技术辩证法的理论和观点,通过时纳米材料

和纳米技术的研究内容,发展过程的研究,分析了纳米材料和纳米技术的出现带来的哲学思考和启

迪.认为纳米材料和纳米技术的诞生和发展开辟了人类认识世界的新层次,实现了生产方式的质 的飞跃.关键词:纳米材料纳米技术纳米粒子边缘学科可持续性发展 PhilosophyThinkingofNano-—materialandNano——technology FANGFangZHU5fin(DelmranentofMechano—Electronicr.~uoneerlng,South ChinaUniversityofTechnology,Guaiig~u510641)Abstract:Ph/~sophyofnzlno—materialandrulrto—technology【nlwith如t~wpointof naturalandtechnologydialectics.D,ebornand如蛔ofn~rtO—materialand恻一却加blazed ⅡrtewwayofM妇瞎theworld,whichachieved如qualltatixeofproductionmode Keywords2rtctrto—mmz,rtoz'to—technology,rtctrto—particle,crossed—,durative也w.1纳米材料的发展概况

人类对物质的认识分为两个层次:一个是宏观,另一个 是微观.人们对宏观物质的研究已经很深^,研究的历史也

较悠久.对于微观物质的研究,到20世纪印年代出现了团 簇科学,成为凝聚态物理研究的热点.在团簇物理研究中,人们在团簇和亚微米体系之间又发 现了一个十分令人注目的新体系,即纳米体系.这个体系通 常研究的范畴为1～lOOnm,其中典型的代表是纳米粒子.由 于纳米粒子的尺寸小,比表面积大和量子尺寸效应使其具有 不同于常规固体的新特性,而成为材料科学,物理学和化学 等学科的前沿焦点.1959年着名的美国物理学家Pilchard Feymmm预言说}我不怀疑,如果我们对物质微小规模上的 排列加以某种控制的话,我们就能使物质得到太量的可能的 特性.1984年GMtex首次采用气体冷凝的方法,成功地制备 了R纳米粉.随后,美国,西德和日本先后研制成纳米级粉 体及块体材料.1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届 国际纳米科学技术会议,正式将纳米材料科学作为材料科学 的一个新分支公布于众.1991年研究者又发现了纳米碳管, 它是一种二维材料,直径只有几个纳米,而强度比钢高100 ?本课题受国家杰出青年科学基金(59925to2)~广东省自然科学基金(980趼)的资助, 23卷4期5l

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倍1密度仅为钢的1/6,是很有前途的增强剂困其导电性超 过锕,可能成为纳米级电子线路材料.纳米材料科学的诞生标志着材料科学已进凡了一个新 时代,而人们对客观世界的认识又前进了一大步.2纳米粒子和纳米技术

纳米材料分为纳米粒子(Na.10眦erParticles)和纳米固 体.纳米粒子的集合体构成纳米粉末或超微粉,而由纳米粒 子聚集而成的新型凝聚体称为纳米固体.2.1纳米粒子及其研究意义

纳米粒子又称微粒子,超小粒子,团簇,量子点等,通常 是颗粒尺度为纳米级的超细微粒.它的尺度大于原子簇小 于通常的擞粉,一般在1—100ran之间,是肉眼和一般显擞镜 看不见的微小粒子.纳米粒子通常处于微观粒子和宏观物体交界的过渡区 域.从通常的关于微观或宏观的认识来看,这样的系统既非 典型的微观系统亦非典型的宏观形态,应该是一种典型的介 观系统它具有一系列新异的物理,化学特性,涉及到宏观 大块样品中所忽略的或根本不具有的一些基本物理化学问 题.当固体微颗粒的尺寸逐步减小时,量的变化在一定条件 下会引起理化性质的质变,例如当颗粒的尺寸小于光波波长 时,金属超做颗粒均失去原有的光彩而呈黑色.人类对客观世界的认识始于宏观物体,又溯源于原子, 分子等微观粒子,然而对处于二者之间的纳米粒子长期以来 却缺乏耀人细致的研究.对纳米粒子的研究是人类认识客 观世界的新层次,一些与传统凝聚态物质不同的新概念,新 现象,新规律将从这里诞生,新的科学与技术领域也会从这 里孕育,成长壮大.2,2纳米技术及发展历史

所谓纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制各研究 和工业化.以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的 一

门综台性技术体系】.早在印年代,东京大学的久保良吾(Kt~o)就提出了有 名的“效应,认为金属超微粒子中的电子数较少,而不 遵守Femfi统计,并证实当结构单元变得比与其特性有关的 临界长度还小时,其特性就会发生相应的变化7o年代末 80年代韧.随着干净的超微粒子的制取及研究,”Kubo效应“

理论日趋完善.为日后纳米技术理论研究打下了基础.纳米 技术在80年代末和90年代初得到了长足发展,并逐步成为 一

个纳米技术体系.科技界认为,纳米技术是人类认识和改 造世界能力的重大突破,将引发下一场新的技术革命和产业 革命.这场技术革命的广阔性和深人性完全可以与以往几 次技术革命相媲美,特别是纳米材料及纳米技术与信息技术 的相互推动,以及小型化的扩展趋势,将成为纳米技术产业 化的强劲潮流】.正如美国IBM公司首席科学家阿莫斯特 朗所说:”正像70年代擞电子技术引发了信息革命一样,纳 米科学技术将成为下世纪信息时代的核心.“美国《时代》周 刊曾把纳米技术选定为”今后十年最可能使人类发生巨大变 化的十项技术“之一.美国总统克林顿今年一月宣布将纳米 技术列为美国国家研究发展计划.纳米技术已成为获得材料特殊性能的重要途径,此外由 于纳米材料电磁性能的改变及表面积的增加,已成为开发隐 身材料,催化剂,磁性材料的重要手段.同时,纳米技术也是 未来信息技术希望之所在应用纳米技术电路或仅靠单个 原子,分子改变位置或开关就能用于储存信息,这样便可以 大大提高芯片的集成度,使得万亿次计算机成为可能.因 此,信息技术将是纳米技术的最大受益者之一.科学家甚至 发明了原子开关,使单个氙原子在电脉冲作用下移动而控制 电流,构成原子开关.如果使这项技术达到应用阶段.必将 引起一次擞电子革命,将它应用于计算机芯片,定能低耗和 提高运行速度.从纳米技术发展的历史可以看出,它经历了一个由不自 觉到自觉,由预测到实际研究,由分散研究到有系统地整体 研究的转变,这种转变反映出了纳米技术体系从形成到进一 步发展的系统框架.简而言之,纳米技术的诞生和发展开辟了人类认识世界 的新层次,使人类改造自然的能力直接延伸到原子和分子, 探擞索隐,人木三分.实现生产方式的质的飞跃,同时也标志 着人类的科学技术又进人—个崭新的时代.3纳米材料和纳米技术带来的哲学思考和启迪 3.1.他山之石.可以攻玉——科学方法的跨学科 应用

客观事物具有统一性,因而不同学科之间存在着一定的 共性和相似性.科学作为一个有机的整体,在各学科,各方 向存在着相互渗透相互支撑的密切关系.现代科学的细致 分工,使一个学科的研究方法得以发展得十分细致,其他学 科直接或间接地加以借鉴运用,实际上是一种思维方法的拷 贝[41.他山之石,可以攻玉,借鉴和运用其他学科的科学 方法及研究新进展,可以使我们省却在本学科体系内部从头 发展类似的方法.从而事半功倍.科学发展史雄辩地表明, 各学科之间的相互作用相互渗透.可以获得巨大的成果.近年来,材料学的发展得益于物理化学和信息科学等学科的 理论,方法与研究手段向材料学的渗透,借助于这些学科的 成果使材料科学逐渐向精密科学过渡,并跃居到现代自然科 学的前沿.纳米科学便是在物理,化学,数学等基础学科发 展的基础上出现的,而纳米技术是基础科学(介观物理,化 学,分子生物学)和先进工程技术(计算机,微电子和扫描隧 道显徽镜STM)相结合的产物.1981年瑞士IBM苏黎士实验 室的Ben~ng和舢町发明了具有原子显像能力的扫描隧道 显微镜(sⅢ),显示出原子尺度范围内空间中表面的三维图 象.准确可靠地给出了表面原子结构信息.短短几年问,sⅢ 的研究和应用已渗透到许多学科和技术部门.到八十年代 末.sⅢ不仅是一个观察手段,而且成为可以调整原子的工 52世界科技研究与发展

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具.可以认为,没有STM技术的发展,纳米材料的研究进展 不会如此之迅速

综观今日科学世界,科学方法的跨学科运用,将各自然 科学,社会科学和技术科学逐步联系起来,使得每一九学科 都和整个科学的大系统密切相连.以至于任何一个结构层次 上的重大科学突破,都可能迅速通过研究方法的跨学科运用 等多种方式扩散开来.直到物化为改造世界的技术与产品, 深刻地影响瞢整个科学世界和现实世界的图景】 32”小就是太.少就是多“H——纳米材料蛤人类思 维方式带来的变化

新材料的发展不仅是科技进步,经济发展,军事先进的 物质基础,同时也改变着人类社会的思维方式和实践方式, 推动着社会的进步.许多新材科开发的思路,研究与应用的 过程本身蕴涵着崭新而深刻的认识论与方法论】.大工业时代,占主导地位的思维模式是”非此即彼“,但 高科技时代却为我们打开了通向”既此叉彼的大门,这是一 种历史的进步.大与小,多与少之问的界限就象是黑与白 曲与直一样明显,不能混淆.但是,科技的发展却在具体事 物上将它们紧密地综合在一起.二归一了过去不可能的, 不重要的,在纳米状态下,很有可能是可行的,并且是极其重 要的因素.实现纳米技术的一种方式是由宏观向微观,即通过宏观 的方式将机器制造得越来越小.纳米材料由于其小尺寸效 应而具有的高硬度和高强度特性,将改变人们的常规思维模 式.如果用纳米材料制成计算机.体积将缩小到原来的亿分 之一,而计算速度却增加到原来的几百倍.日本末京大学的 化学家们已经发现了一种“神奇的粒子,它可以像电脑那 样,具有暂时记忆和永久记忆功能.当这种粒子受到紫外线

或激光的照射时,就会改变结构.这样就可以利用它来储存 二进制数码.借助于电子扫描隧道显微镜(STM).每平方微 米表面可储存1012bit的信息.它的发现具有难以估量的价 值,或许有一天,电子计算机会进人到分子计算机”的时代.然而.随着电脑体积不断减少的同时.其威力却不断增加.这就意味着“小就是大,”少就是多“.”小就是大,少就是多“的论点被认为是一种”悖论“.但 它是～种合理的”悖论“,是高科技文明的产物.是社会进步 的必然结果.它符合奠定其基础的科技前提,符合客观事物 本身发展的内在的逻辑,因此认为是正常的,合理的.在高 科技文明的今天,我们只有树立既此又彼的思维模式,才 能适应科技发展的形势.否则,人类将面临更多无法理解的 悖论”.新材料对人类思维方式与实践方式的深层次影响,不易 被人们意识到,往往被人们所忽视.而这正是新材料在当代 社会发展中的若干作用中最具潜在价值与长远意义的独特 方面.3.3纳米材料和纳米技术与可持续性发展

“可持续性发展”的权威定义是1978年世界环境与发展 委员会在《我们共同的未来》一书中提出的.就是“既满足当 代人的需要,叉不对后代满足其需要的能力构成危害的发 展”..制约可持续性发展的因素很多,但归根到底是科学 技术.科学技术不仅影响到经济发展,它还影响到社会的发 展与环境的发展.因此,科学技术在可持续性发展中居核心 地位.资源是可持续性发展中的一个重要因素.目前,世界上 的材料有10O万种,而天然的材料只占5%.纳米材料和纳米 技术的发展为人们设计赫跫材事I尤其是舍成复台材料打开 了太门.实现纳米技术的手段除了从宏观到微观外,还有另

一

种方式就是由微观到宏观.即直接操纵原子和分子,对它 们进行不同的排列组合而形成新的物质,从而制造出具有新 功能的产品.通过纳米微粒的研制成功和相关纳米理论研 究的进行,人们可以按照自己的要求,选用特定的纳米微粒, 合成得到具有特殊性能的新型复合材料70年代中期的席 省理工大学一位名叫德雷克斯勒的大学生,受生物学家在研 制如何控制构成DNA链的启发,提出耍用原子建造机器,并 进行复制.这被当时主流科学家视为一派胡言的设想,在 1989年被一个惊人的i冉息所鼓舞,就是国际商用机器公司(IBM)的科学家利用扫描隧道显微镜和类似小镊子的工具移 动氙原子,最后拼成IBM这个着名商标,而日本科学家则实 现了将硅原子堆成一十“金字塔,首次实现了原子三维空间 的立体搬迁】.目前,科学家正在研究的领域涉及:让机器 自己按一定程序复制自身,就像细胞分裂一样.这样就可以 用机器来制造食物,来修复细胞,可以防止疾病和抗衰老菩.所以采用纳米技术,可以对现有的分子进行改造,将构成分 子的原子移走.再利用单个的原子组京新的分子,这样便可 以轻而易举地制造出人类所需要的物质.虽然目前还不能 实现以上的设想,但人类在微型化上毕竟迈出了至关重要的 一 步.能源与生态的危机是人类所持的关于利用和改造自然 界的直接产物.1962年第一部环境科学着作《寂寞的春天》 面世,使人们不得不直面环境污染的问题.材料界的科学家 也加人了这场环保斗争,希望通过新材料的研制和开发助其 它学科～臂之力纳米材料为科学的发展提供了一种新思 路.如:纳米颗粒的多金属混合粉末烧结体可以代替贵金属 作为汽车尾气净化的催化剂.纳米储氢技术的研究和发展.将会缓解能源需求的危机,井能提供一种代替碳氢化台物燃 料的清洁能源,为”绿色技术“提供技术基础.纳米生物学的发展促进了人们在纳米尺度上进一步了 解生物大分子的精细结构及其功能关系.目前,应用电子扫 描隧道显徽镜(SAM)已经得到了不少有关DNA的请晰图象, 这向人们展示了一个多姿多彩的DNA世界.”何须浅碧深 红色,自是花中第一流,使人心旷神怡,一读三叹.实际上.生命过程所需能量代谢及其它众多生物生理过程,都是在细 胞这个微米和亚微米的结构内进行的,应用纳米技术就能获 得细胞膜,细胞器表面的结构信息.此外.若利用纳米粒子 船卷4期

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研制成纳米机器人(~orohot)注人人体血管内,对人体进行 全身健康检查.疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉 积物,甚至还能吞噬病毒.杀死癌细胞等

所以,科学家们指出,纳米技术将对生产力发展产生深 远的影响.并有可能从根本上解决目前人类所面临的一系列 问题.如环境,粮食,能源等极其重大的问题】 4总结

今天,~chardFey岫ar-以及那位叫德霄克斯勒的大学生 的美好设想已经有可能成为现实.人们已经能够制备包含 几十个到几百万个原子的纳米粒子,并把它们作为基本构成 单元,适当排列形成一维量子线,二维量子面,三维纳米固 体.创造出相同物质传统材料不具备的奇特性能.我槔感幸运能在纳米材料和技术这个将引发下一场新 的技术革命和产业革命的学科中进行部舟的研究工作.这 是一个需要多学科共同携手的课题,而且对于人类的思维方 式以及可持续性发展都将有深远的影响.这使我有沉重的使

命感.而且,处于宏观和微观之间的纳米世界的介观美使我 留连.彭加勒在他的一篇文章中写道:“正因为简洁是美的, —J0JjJ0 i国外新闻l '}—x—f———

所以我们优先寻求简洁的事实;所我们迫寻恒星的巨大轨 道,用显微镜探察奇异的细小,在地质年代中追踪过去的遗 迹,这些活动都给我们带来快乐.”我想我会因为这种快乐而 不擗工作和努力 参考文献

:】]师昌绪跨世纪村料科学技术的若干热点问腼自然科学进展 2I]00,9(1):1—13 [2]李亚青等.试论纳米技术.科学技术与辩证法1998.15(3):32 — 38 [3]棘飞.论科学方法的跨科学运用.科学技术与辩证法1996,】3(6):24—30 [4]郝垒梅.黄青高科技带来的悖论“.科学技球与辩证法21100, 】7(3):12—15 [5]彭璃.论新材料在当代杜会发展中的作用自然科学史研究 ? 1.17(2):10l一110 [6]沈满洪.科学技术与可持续性发展.科学技术与辩证法.1蛳.14(5):4—1O [7]纳米技术系列报遭之二.用单十原子制遣美好世界{参考消 息).1,1:27—28 作者简介

方劳(FGFj.现为华南理工大学机电工程幕博士研究生.【贵任编辑:高利丹)

中美科学家发现新的碳成键排列方式

美国《科学》杂志最近刊登由中美科学家联合署名的论 文,宣布从理论上发现五配位平面碳合物,填补了多配位平面碳研究的一项空白.论文第一作者美国佐治亚大学博士后汪志祥介绍说: 配体数指中心原子与其它原子成键的个数.碳原子配体具 有三类传统的排列方式:如乙炔的两配位线形,苯环的三配 位三角形和甲烷中的四配位四面体.30年前,后来获得诺贝尔化学奖的美国教授罗尔德?霍 夫曼提出一个化学”谜题“:四配位平面碳是否存在?这个难 题由美国佐治亚太学的着名量子化学家施莱尔教授和其他 化学家共同解决.他们不仅通过理论计算证实了四配位平面碳化合物的可能性,而且从实验上找到了具体例子.此后 不久施莱尔又证明了六配位平面碳化合物的合理性.此次,施莱尔与汪志样合作,证明五配位平面碳化合物 也有存在的台理性,从而填补了四配位和六配位问的空白.他们发现了三个具有五配位平面碳的基本单元.通过把这 三个基本单元嵌人到单环或多环碳氢化合物中,他们设计出 一

类新的分子,并将之命名为”超配位芳香烃".芳香族化合物最初指分子中含有苯环的化合物.19世 纪中叶,化学工作者发现有相当多的有机化舍物具有一些特 别的性质,它们的分子式中氢原子与碳原子之比往往小于1, 但是它们的化学性质却不像一般的不饱和化台物.例如,它 们不容易起加成反应而容易起取代反应.这些化合物中许 多有芳香气味,有些是从香料中提出出来的,因此当时称它 们为芳香族化合物.汪志祥等人发现的这类新化合物还具 有一种有趣的性质,就是依赖于所选取的单元不同,这些新 化合物可以维持或转换原母体碳氢化合物的芳香性或反芳

香性.曾在中国科学院研究生院工作的汪志榉指出,此次的发 现拓展了人类对化学键的认识,丰富了有机化学和无机化学 的内容,同时在这两者之间架起了桥梁.他估计,这类不寻 常的化台物可能具有某些新的性质,可以用来设计新的材 料.(新华社供本刊稿)世界科技研究与发展

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。

参考文献

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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。

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

第五篇：纳米演讲稿

开头：Today, we will talk about nano-materials and nano technology in the field of textiles and clothing.Our introduction includes four parts , Introduction and History of nanotechnology, Properties of nanomaterials, Nano-materials in the field of textiles and clothing,Prospects for Nanotechnology.Ok , let’s start our topic.纳米简介：We all know that “Nano” is a transliteration(音译)of the English Nanometer , Nanometer is a very small unit of length.One nanometer is equal to One-thousand-millionth of a meter.You may not know the nanometer clearly.let’s look at a picture for further understanding.You can see the human hair diameter is here.(150micrometers).One nanometer is equal to one ten thousandth the thickness of hair.纳米材料和纳米科技的简介：

Nanomaterials means a material composed of nanoparticles between 1 and 100 nanometers.At the nanoscale , substances and materials research and processing technology called

nanotechnology.Nanotechnology

including

three aspects,nanomaterial, nanodevice and nano biomedical.According to the current study field , it can be roughly divided into, nanomaterials , nanoelectronics, nanobiology, nano manufacturing, nano-optics and so on.历史：Let’s know more about the history of the development of nanotechnology.In 1965, the Nobel physics prize winner feynman(R.P.Feynman)put forward the concept of “nanomaterials” for the first time.When Scanning tunneling microscope invented in 1982, the study of the molecular world in nanometer length born.Its ultimate goal is to directly construct an atomic or molecular products with special functions.Therefore, Nanotechnology is actually a single atoms and molecules to create materials technology.Discovery of fullerenes in 1985 [1996 Nobel Prize in Chemistry].Term “nanotechnology”, originally coined in 1974, appropriated by Drexler in his 1986 book Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, which proposed the idea of a nanoscale “assembler” which would be able to build a copy of itself.Then, Nano science and technology started in 1990 formally.纳米材料：Let’s know more about Nanomaterials.In the early development of nano-materials, Nanomaterials refers to nanoparticles and thin films and solid by their composition.Now, Nanomaterials are broadly refers to materials in a three-dimensional space of at least one dimension in the nanoscale range or a pile of them as a basic unit.Popular that nanomaterials refers to any type of material composed of units of nanometers.Such as metals, ceramics, polymers, semiconductors, glass, and composites.The basic unit of nanomaterials can be divided into three categories in dimensions.A.Zero-dimensional ,there are three-dimensional space are at the nanoscale.Such as nano-sized particles, Radical family, etc.B.One-dimensional , there are two-dimensional space in the nanoscale.Such as nanowires, nanorods, nanotubes, etc.C.two-dimensional , One of three dimensional space dimension in the nanometer scale.Such as ultra-thin, multi-films and superlattices, etc.Most nanomaterials are prepared artificially.But nature has long existed nanoparticles and nano-solids.For example, Pollen is nanoscale particle.Virus is also nanoscale particles.Gecko crawls not only rely on sucker, but also tens of thousands of tiny bristles on toes.There are tens of microns coarse bristles roots.Top divided into many finer and more curved hairs.Only a few hundred nanometers in diameter each villus.Its peripheral extend into a flat shape.This adhesion can “peel” easily broken, like the tear tape the same, so the gecko can freely pass through the ceiling.Butterfly wings is composed of two 3 to 4 microns thick layers of scales.Alternately like tiny tiles as the top layer of scales.Each flake structure is very complex.The next layer is relatively smooth.Such orderly arrangement of butterfly wings forming the so-called photonic crystal, which is the nanostructure.With this structure, the butterfly wings can capture light.Only let certain wave lengths of the fiber through.This will determine the different colors.纳米材料特性： Let’s know some Properties of nanomaterials.The Basic properties of nanomaterials are Volume effect, Surface and interface effects, Quantum size effect, Macroscopic quantum tunneling effect, The dielectric confinement effect.Also, nanomaterials have some special properties, like, Optical Properties, Catalytic properties, Photocatalytic Properties, Chemical Reaction Properties, Mechanical Properties, Thermal Properties, Conductive Properties.应用：There are three ways to apply nanotechnology mainly in the textile sector(1)ultrafine fibers(2)the use of nanomaterials modification of traditional materials(3)To nanometer fiber or fabric finishing, so that it is functional.纺织服装应用：There are a lot of Nano-materials in the field of textiles and clothing.Infrared function, Antibacterial &deodorization, Anti-electromagnetic radiation, Fire retardant , Water resistant & oil resistant, Antistatic, UV protection.1.Far infrared thermal underwear.Health care textile products like, health underwear ,made of far-infrared light therapy ,nano-antibacterial and functional fabric , can release negative oxygen ions, also has the ability to efficiently emit far infrared and antibacterial deodorizing.It can improve the body's ability to heal and recovery.2.Solar ultraviolet radiation damage to the human body, mainly in the band 300-400nm, nano silica, zinc oxide, and iron oxide in this band has a characteristic of absorbing ultraviolet rays, adding a small amount of nanoparticles to chemical fibers, will produce UV absorption phenomena, which can effectively protect the body from UV damage.3.Adding a small amount of nanoparticles chemical products, such as nano silica, zinc oxide, iron oxide and chromium oxide powder with semiconductor properties, such as the incorporation into the resin, or to add it to the finishing agent for after finishing fiber or fabric, will produce good electrostatic shielding performance and greatly reduce electrostatic effects.4.Some metal particles(such as silver nanoparticles, nano copper particles)and nano nano silica, zinc oxide has certain Bactericidal properties, with the fiber composite spinning, make the function of antibacterial fiber, than the average antibacterial fabric has better antibacterial effect and washes more often.Bosideng underwear add nanoscale ultra-fine powder, it can antimicrobial sterilization, eliminate odors effectively.5.Doing Special process In the surface of the material.Establishing a nano interface structure in its macro-interface, so that the material is not only waterproof, anti-oil and anti-ink and so on , and when washing clothes made of this material can only rinse without using conventional detergents.Like , Lotus effect-a hydrophobic self-cleaning clothes According to the self-cleaning ability of lotus leaf, using hydrophobic and oleophobic properties of nano interface materials, through artificial modification of each small textile fibers, the fabric formed a fine fluff structure on the surface.It can absorb air molecules and form a layer of air cushion on the surface to prevent contamination of the fabric by the oil and water.6.Silver ions Maternity: aggregating nano elemental silver and fiber to form a strong resistance to oxidation layer structure on the fabric surface.Integration the silver and green fiber organically , it has the factions, like , isolate electromagnetic radiation, anti-bacterial deodorant, anti-static, regulate body trepeated emperature, moisture wicking, breathable, soft light, resistant to washing, washed not tie itself can be personal wear, long life.总结：Development of Nanoclothing played an important role in enhancing the core competitiveness of industrial and improving economic development.Nanoclothing getting close to people's daily lives and tools, at the same time, the garment industry pioneered a new path.In addition, with the development of science and technology and per capita standard of living, people are seeking upscale, comfortable and functional clothing.Therefore, the use of the special properties of nanomaterials to develop high value-added functional fabrics and garments will create enormous economic and social benefits in future textile and apparel industry.