纳米分析技术（共5篇）

第一篇：纳米分析技术

纳米食品的分析检测进展

摘 要 介绍了纳米材料的安全性,重点对纳米食品的3种分析检测手段(成像、分离和表征

技术)进行了较为详细的综述,并对该领域的工作进行了展望。

关键词 纳米材料,纳米食品,分析手段

进入21世纪以来,纳米技术已经在材料、化工、生物、医药、食品、通信、能源等众多

领域展现出广阔的应用前景,并对各学科领域的发展产生了深远的影响。在食品工业中真正

运用了纳米技术的产品只占消费品的一小部分,主要包括纳米包装材料、纳米营养物和纳米

添加剂等[1]。目前,全球有200多家公司致力于纳米技术在食品工业中的应用。根据著名咨询

公司HelmutKaiser一项调查显示,仅在食品饮料包装行业, 2004年纳米产品的全球销售额就

高达8·6亿美元,而在2002年,纳米产品的全球销售额只有1·5亿美元[2]。

纳米食品,也称纳米尺度(10-9-10-7m)的食品,是以人类可食用的天然物、合成物和生物生

成物等原料采用纳米技术加工制成的,并根据人体健康进行不同配制的食品。由于纳米粒子

具有独特的表面效应和量子尺寸效应,研究发现,食品和营养素经过纳米化以后,亦表现出更

高生物活性,甚至显现出常态物质没有的活性。所以纳米食品除了包括普通食品的功能外还

有以下功能:预防疾病、调节机体、康复病体的功能;降低保健食品的毒副作用功能;提高人体

对矿质元素的吸收利用率和杀菌除味等。新兴纳米技术下生产的食品的安全性一直受到消费

者和研究人员的高度关注。本文就纳米食品的分析检测方法进行综述,以期为纳米食品的发

展提供技术支持。纳米材料的安全性

纳米材料是将材料的尺度在空间进行约束,并到一定的临界尺寸后,材料的结构和性质

也随之发生从宏观到微观的转变。粒径的减小也是引起纳米材料的安全性问题的主要原因。

Frampton通过对大气中尘埃粒子的研究发现,当大气中的尘埃粒子粒径<10μm时,尘埃粒子

对肺部有明显的毒性。材料对生物体的毒性强烈地依赖于材料的尺寸[3]。

在一般情况下,纳米材料不会表现出明显的毒性。但纳米材料的潜在毒性、在生物体内的富集及其对食物链的影响,人们却自知甚少,研究者称这种毒性为“生态毒性”。Brunner等

研究发现,不同类型的纳米粒子能够透过细胞膜,导致细胞内自由基含量的增加,最终造成生

物体的毒性[4-6];同时,纳米粒子还会在生物体的组织中富集。Chen研究发现, SiO2纳米颗粒会

导致核质蛋白的团聚,从而损害细胞核的功能[6]。富勒烯和TiO2纳米颗粒会对蚤、大口鲈鱼

和其他水生动物产生一定的毒性[7]。而纳米材料有时也会扮演降低污染物毒性的角色: Zhang

通过对鲤鱼的活体实验发现,TiO2纳米颗粒会大量富集游离的镉离子[8];纳米银也显示出较强的抗菌能力,研究者已将这种抗菌能力应用到人们健康保护和水生环境治理中[9]。

纳米食品中采用的纳米技术是一种全新的技术,如同转基因食品,其安全性和接受程度

受到消费者的质疑。纳米食品在活性、吸收利用率等增加的同时还应该考虑到有害物质的吸

收、渗透等问题。一方面粒径减小使得食品原料本身具有的毒素,农残和重金属成分更易被

吸收,加剧了纳米化后的安全隐患。另外,纳米食品中营养成分纳米粒子可以通过传统吸收途

径之外的其他途径进入人体,并穿过生物膜屏障,使人体的防御能力降低,引起机体功能紊乱,出现健康问题。

维蒙特大学的消费经济学家科洛丁斯基在佛罗达里达州奥兰多市的食品安全大会上说,〔〕纳米技术是一种新的基因工程10。美国消费联盟的资深科研人员汉森称,不要因为某种物质

在自然尺寸状态下是安全的,就以为处理成纳米尺寸后也一定是安全的,所有科学家都赞同,物质的大小也是安全重要因素之一。例如,大量接触含有纳米碳(如富勒烯)的食品或化妆品,会造成与石棉一样的危害[10]。美国消费者保护组织称,纳米食品已经悄悄打入市场,促请美国

当局强制厂商标明食品是由纳米技术制造的。因此,有必要借助于先进的分析仪器,深入了解纳米食品在复杂体系中的行为及其对人体和环境的潜在影响。纳米食品分析检测技术

纳米材料的理化性质包括尺寸大小、尺寸分布、表面特征、形状、溶解度、活性、团聚状态和化学组成等诸多信息。为了更多地获得这些信息,应用多种分析手段来检测和表征纳米材料成为一种必然。将分析手段分为成像、分离和表征3种技术。

2·1 样品前处理

样品处理是整个分析过程中最薄弱环节和时间决定步骤,也是误差的主要来源。而环境因素对纳米材料的结构和组成等性质的影响很大。因此,前处理或消化后“纳米食品”得到的结果常常不同于原位检测的结果[11]。避免或减少样品的前处理,可以有效地减少人为干扰因素。如果不得不对样品进行前处理,仔细地记录前处理的每一环节对“追踪”人为干扰因素至关重要。同时,一些新的样品前处理技术应用到纳米材料的分析检测技术,尤其是涉及到成像邻域: Paunov采用凝胶捕获技术结合扫描电镜(SEM)对乳液进行了成像[12];Bickmore采用固定技术结合原子力显微镜(AFM)对水溶液中的黏土矿物质进行了成像[13];Lonsdale应用高压冷冻和冷冻基质技术,借助于透射电镜(TEM)对稀有的糊粉原生质体进行了成像,这种技术保留了细胞结构的完好和蛋白质的抗原性,优于传统的化学固定和去水技术[14];Wang

采用低温透射电镜,对掺杂Fe的TiO2纳米颗粒进行了“原位成像”[15]。当然,这些新的样品前处理技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。

2·2 成像技术

纳米材料的尺寸都在可见光的衍射极限以下,普通光学显微镜无法观测纳米材料。目前,电子显微和扫描探针显微技术是运用最多的成像技术。依赖于这些技术,可以得到亚纳米的分辨率。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)3种常见的成像技术,人们可以得到纳米材料的许多性质,诸如团聚的状态、分散、吸附、尺寸、结构和形状。

Parris通过SEM观测到包埋香精油的蛋白纳米微球的形态,更深入了解这种香精油的抗氧化性。TEM可以对各种纳米粒子进行成像,可观测到不同形状的纳米管状牛乳蛋白,制备出嵌入活性酶的多肽自组装材料。利用TEM,研究者还可以控制最终合成的纳米β-环糊精的形态和尺寸分布。

对于TEM和SEM而言,必须在真空条件下操作,因此大大阻碍了这2种技术的推广。样品必须进行去水、低温固定或嵌入等前处理;而前处理的引入,不可避免地改变了样品的原有性质。如果在全液体状态下成像,就需要应用AFM技术。AFM属于扫描探针显微镜的一类,振荡的悬臂掠过样品的表面,在针尖和表面之间,可以检测到<10-12N的静电力。基于以上原理, AFM可以提供3D表面形态(大约0·5 nm的高度分辨率)。AFM的主要优势在于提供 湿的或潮湿状态下的样品的亚纳米结构。如果样品是液体状态,样品就很难固定在基质上,甚至到处流动,有时甚至吸附在振荡的悬臂上。以上会导致“涂污效应”的产生和振荡悬臂性质的改变。人们采用非接触式扫描,来减小“涂污效应”。AFM可以用于表征蛋白、多糖和脂质体的结构,AFM很早就用于成像纳米管状α-乳清蛋白的分子结构,还可以研究脂质体包埋体系的形态、尺寸、稳定性和动力学过程。

以上3种成像技术均属于损伤性技术,因此同一样品不能多次分析。电子显微技术的另一个缺点是“充电效应”,这种效应源于组织成像时,由于电子辐射导致静态电场的累积。如果将样品的表面包裹导电性材料,可以消除充电效应,但是同时会导致部分信息的缺失。此外, 3种成像技术普遍存在成本高、耗时等缺点,因此很难成为最常用的分析手段。

2·3 分离技术

常见的分离技术如高效液相色谱(HPLC)、场流分级分离(FFF)、毛细管电泳(CE)、水动力色谱(HDC)、凝胶电泳(gel electrophoresis, GE),借助于传统的检测器,这些分离技术不仅能够快速、灵敏、无损伤地定性检测各种环境中的纳米粒子(包括纳米食品),而且能对其定量。其缺点在于,由于溶剂的引入和不同介质的相互作用,使样品原始环境发生改变,最终导致分析结果的偏差。将各种分离技术的灵敏度、简单程度、分析时间、成本消耗和应用程度进行对比(表1所示),不难看出HPLC和FFF是两类优势明显的分离技术。

表1 三种分析检测手段的对比1)

简称灵敏度简单程度分析时间成本消耗应用程度

分离技术HPLC○√○√√

FFF○√√√○

HDC○√√√×

CE×√○√○

GE○√×√○

成像技术TEM√√××√

SEM√√××○

AFM○√○×○

表征技术MALDI-MS√○××√

ESI-MS√√√○○

DESI-MS√○√××

IM-MS√○√×○

PCS○√○√√

AU○○××○

NMR×○○×○

XRD√×××○

SAXS○××××

注: 1)√,良好;○,中等;×,较差。

食品邻域内,用于分离纳米材料的HPLC主要有2种: SEC(尺寸排阻色谱)和IEC(离

子交换色谱)。众所周知,尺寸排阻色谱是尺寸分离常用的技术。这种技术已经应用到量子点、碳纳米管和聚苯乙烯纳米颗粒的尺寸表征。尽管有着良好的分离效率,但尺寸排阻色谱存在以下缺点:溶剂与流动相之间存在强烈的相互作用,测定的粒径分布较窄,不能同时分离纳 米粒子和其团聚物。借助于紫外-可见光检测器(UV-Vis)或独特的荧光检测器(FL), SEC和IEC均可监控纳米蛋白材料的洗脱情况。与光子相关光谱(PCS)相结合, SEC可以检测纳米脂质体包埋体系,并给出详细、准确的尺寸分布。SEC还可以与示差折光检测器(RI)或多角度光散射(MALS)联用表征多糖。高灵敏的检测器,如电喷雾质谱(ESI-MS)和基质辅助激光解吸附-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)与SEC联用后,可以得到多糖的组成、尺寸和重复单元次序等重要信息。

20世纪60年代诞生的场流分级分离技术(FFF),现已在理论、仪器技术和实际应用方面都有了较大的发展,尤其在分离复杂的大分子物质方面,驱动技术的基本要素。与色谱一样,FFF是一种洗脱技术;与场驱动技术一样,需要一外加场或梯度。在场流分级分离中,分离是在外加场的诱导下与流体联合作用进行的。场流分级分离技术是一个分离技术的大家族,它包括多种分支技术。根据引入的外加场的不同,主要有沉淀场流分级分离、流动场流分级分 离、热力场、流分级分离、电力场流分级分离等。同高灵敏的检测技术(诸如ICP-MS和多

角度激光散射)结合,FFF已经成功应用到地球化学和天然胶体研究,同样也应用到功能化纳米粒子的行为研究。应用范围从新鲜水样和海水中的胶体物质,到土壤悬浮物的尺寸分离。Peng利用双电场FFF技术分离了不同尺寸的纳米管;此外,人们利用FFF技术分析了诸多纳米粒子,如SiO2、金属、金属氧化物和炭黑等。FFF的主要缺点:积聚壁的相互作用,通道内的连续再平衡,某些情况下的样品前处理,平衡过程中的样品补加和通道内样品团聚的可能性增大。

与SEC不同,毛细管电泳技术,不存在固定相间的相互作用。但由于分离不单单建立在尺寸的基础上,数据干扰更加复杂。水动力色谱(HDC)利用无孔刚性固体颗粒来填充其分离柱,让含有被测乳液的淋洗液在高压下通过床层,由于水动力效应,使粒径不同的粒子流出速度不同,从而实现了对聚合物乳液或胶体悬浮液中的粒子分级或分离。同SEC相比,测定的粒径分布很宽,涵盖了5-1 200 nm的范围。HDC的主要缺点就是峰的分辨率较差。HDC同最常用的UV-Vis检测相结合,已经应用到(荧光)纳米材料、胶体悬浮液和生物大分子的尺寸分离。此外,这种技术同DLS相结合,应用到脂质纳米胶囊的尺寸分离。

2·4 表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤(AU)、核磁共振(NMR)、X射线衍射(XRD)和小角度X射线散射(SAXS)是几种常见的表征技术。在表1 中不难看出:MS结合PCS后,几乎可以满足所有的分析要求。

2·4 表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤颗粒粒径分布的标准方法,可以提供快速的原位和实时检测[24]。PCS,是一种无损检测技术,可以快速、准确提供纳米脂质体或蛋白包埋体尺寸大小。PCS还可以提供纳米多糖包埋体系的尺寸大小及其分布和稳定性表等信息。借助于这项技术,通过研究纳米壳聚糖包埋体系,人们可以改善纳米保健或功能食品效和提高其安全性。用PCS测颗粒的大小时,随着悬浮液颗粒浓度的增大,除了发生重散射外,颗粒之间还会因为互相碰撞而聚集在一起,形成团聚颗粒,影响测试结果。所得颗粒大小只是一定条件状态下相对值,并非颗粒的真实值。只有辅以其他表征手段,才能确定颗粒的实际大小和分布状况。

4种质谱技术-电喷雾质谱(ESI-MS)、基质辅助激光解吸附质谱(MALDI-MS)、解吸电喷雾质谱(DE-SI-MS)和离子迁移质谱(IMS-MS)均已应用到纳米材料的表征中。分析检测固体和液体纳米材料,常用2种软电离方式-电喷雾(ESI)和基质辅助激光解吸附(MALDI)。ICP电离源可以用于纳米食品的金属元素分析,与MS技术结合后,样品可以直接注入离子源中,再与HPLC等技术联用后,可用于元素的价态分析。FFF-ICP-MS作为一种交叉技术,已经应用到样品的尺寸分离及定量分析,这种分析检测最大限度地保留了样品的原始状态。核磁振(NMR)技术,能够提供固体或悬浮状纳米样品的动态和三维结构信息。Carter利用NMR

技术表征了空气和水中的硅纳米颗粒。扩散NMR技术可以有效地表征胶体物质的尺寸和相互作用。Lead利用脉冲梯度场NMR技术测定了腐殖酸的扩散系数。X射线光谱分为X射线光电子光谱(XPS)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线吸收光谱(XAS)、X射线散射光谱(XRD)。小角度X射线散射(SAXS)技术,可用于固体或液体纳米材料的结构表征。对单一分散体系而言, SAXS可以提供材料的尺寸、形状和结构信息;而对多分散体系而言, SAXS只能提供尺寸 的可能性分布信息。

2·5 离心和过滤等其他技术

离心和过滤技术可以用于纳米材料的制备和分离,其优点在于低成本和高效。超离心

技术能够提供最大可达1×106g的相对离心力,从而可以对胶体粒子进行沉降分离和分析,现已广泛地用于蛋白质分子的分离与分析。传统的膜过滤可以分离尺寸范围在0·2-1μm的颗粒,滤又称微孔过滤,膜的平均孔径为0·05-14μm,能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及胶体的透过。超滤也是一种加压膜分离技术,膜的平均孔径为1-10 nm,用于分离大分子溶质。纳滤作为一项新型的膜分离技术,介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,纳滤膜的孔径围在几个纳米左右纳滤技术主要应用于水的软化、净化以及分子质量在102的物质分离、分级和浓缩、脱色和去异味等。新兴的错流过滤和传统过滤技术的差别在于:传统方式是一种静态过滤,悬浮液和垂直滤层直接接触,这通常被认为是“死亡”过滤,在这个过程中无法移动越积越厚的滤层,导致滤层逐渐堵塞。而在错流过滤中,悬浮液在滤柱的孔道中做高速的循环运动,悬浮液以从过滤膜片表面切过的方式,通过膜片和多孔的基体作为滤液排出,由孔道中的高速流动引起的湍流不断的冲洗膜片表面,从而防止了堵塞。错流过滤已经成为分离胶体和颗粒的标准方法,其效果已经通过AFM技术得到了验证。利用错流过滤技术荧光分析检测湖水、河水和海水中胶体,已有相关报道。Sung利用电场辅助的错流过滤技术,成功分离了多 种纳米粒子。先进的离心和过滤技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。3 展望

由于纳米材料拥有众多优良性能,越来越多的纳米食品将走入百姓的生活。纳米材料的潜在毒性及其对食物链的影响使人们有必要认识纳米材料在复杂体系中的行为。为了获得这些信息,人们采用了多种技术分析和表征纳米食品。将3种分析手段———成像、分离和表征技术进行对比,不难发现对纳米食品特殊地前处理,利用HPLC或FFF技术将纳米材料分离开,再利用MS结合PCS的表征技术,就可以得到纳米食品中纳米材料的理化性质的基本全貌了。一种理想的、可用于分析和表征“纳米食品”的分析仪器必须满足以下条件:能同时检测纳米材料的物理和化学特性;能实时、快速检测纳米食品。但目前还没有一种仪器能够满足理想仪器所具有的所有条件,现有的分析仪器都存在以下或多或少的不足:(1)需要对样品进行前处理,增添了人为因素;(2)有损检测,样品只能分析一次;(3)只能提供材料的某些特征信息;(4)不能分析非均一相的样品。因此,这些关键性技术都有待于研究人员去突破和解决。参考文献

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第二篇：纳米加工技术

纳米加工技术及其应用

江苏科技大学机械学院

学号：139020021

姓名：原旭全

纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.材料制造技术.著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。等金属,最细颗粒可达3一10nm.º真空

蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩.此法平均颗粒度小于10nm.2)液相法:¹沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷.由于该法可制备超细(10nm一100nm)、化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料.已成为一种重要的超细粉的制备方法.3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸.此法可制造Mo.W等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AttritorMill)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎粉碎效率比球磨机或振动磨都高.(3)三束加工技术:可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用电子刻蚀,可加工出0.1林m线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.2)离子束加工技术:因离子直径为0.Inm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的.用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度.3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器认封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技术.这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术.它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造最大高度为1000林m、高宽比为200的立体结构,加工精度可达0.1林m.刻出的图形侧壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量复制,加工成本低.目前,在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可脱离母体而能转动或移动.这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用.LIGA技术对微型机械是非常有用的工艺方法.1与常规精加工的比较

纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合.纳米加工实际已到了加工的极限.而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于: l)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工件精度.3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素.如切削热,环境变化及振动等.由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足.另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得o.35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制.因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路.2.微纳米加工技术的分类

自人类发明工具以来,加工是人类生产活动的主要内容之一.所谓加工是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状.一提到加工,人们自然会联想到机械加工.机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件,然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统.某些机械加工也可以称为微纳米加工.因为就其加工精度而言,某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级.但本文所讨论的微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级.微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术.在2004年国际微纳米工程年会上,曾有人总结出多达60种微纳米加工方法.可见实现微纳米结构与器件的方法是多样的.本文不可能将所有微纳米加工技术一一介绍.对这些加工技术的详细介绍目前已有专著出版.笔者在此仅将已开发出的微纳米加工技术归纳为三种类型作概括性的介绍

（1）平面工艺

以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术.图1描绘了平面工艺的基本步骤.平面工艺依赖于光刻(lithography)技术.首先将一层光敏物质感光,通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分留在基底材料表面,它代表了设计的图案.然后通过材料沉积或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面.通过多层曝光,腐蚀或沉积,复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来.这些图案的曝光可以通过光学掩投影实现,也可以通过直接扫描激光束,电子束或离子束实现.腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电铸沉积.图1平面工艺的基本过程:在硅片上涂光刻胶、曝光、显影,然后把胶 的图形通过刻蚀或沉积转移到其他材料

（2）探针工艺

探针工艺可以说是传统机械加工的延伸,这里各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针,原子力显微探针等固态形式的探针,还包括聚焦离子束,激光束,原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针.原子力探针或扫描隧道电子探针一方面可以直接操纵原子的排列,同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用.这些固体微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面,形成纳米量级的单分子层点阵或图形.非固态微探针如聚焦离子束,可以通过聚焦得到小于10nm的束直径,由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构.聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工业,作为切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构,例如近年来出现的飞秒激光加工技术.利用激光对某些有机化合物的光固化作用也可以直接形成三维立体微纳米结构.只要加工的工具足够小,即使传统机械加工技术也有可能制作微米量级的结构.例如,利用聚焦离子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速钢铣刀.这种微型铣刀可以加工小于100Lm的沟槽或台阶结构.探针工艺与平面工艺的最大区别是,探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构.而平面工艺是以平行方式加工,即大量微结构同时形成.因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺.但探针工艺是直接加工材料,而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工.3纳米级加工的关键技术

(l)测量技术

纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量.纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描探针显微测量技术:主要用于测量表面微观形貌.用此原理的测量方法有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等.(5)扫描隧道显微加工技术(sTM).扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展,可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,可实现极限的精加工或原子级的精加工.近年来这方面发展迅速,取得多项重要成果.1990年美国Eigler等人,在低温和超真空环境中,用STM将镍表面吸附的xe(氛)原子逐一搬迁,最终以35个Xe原子排成IBM3个字母,每个字母高snm.Xe原子间最短距离约为Inm,以后他们又实现了原子的搬迁排列.在铂单晶的表面上,将吸附的一氧化碳分子用sTM搬迁排列起来,构成一个身高snm的世界上最小人的图样.此“一氧化碳小人”的分子间距仅为0.snm.将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,可得到10nm宽的线条图案.4微型机械和微型机电系统

(l)微型机械.现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构.已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.(2)微型机电系统.MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听.医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域.它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备.4.微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术.新技术取代老技术,先进技术取代落后技术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新的加工技术将会不断出现.5.参考文献

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第三篇：纳米材料与技术论文

石墨烯在橡胶中的应用

摘要：石墨烯具有较强的力学性能和导电/导热性质，为发展多功能聚合物纳米材料提供了新的方向。本文简单介绍了石墨烯的制备及其功能化,并重点介绍了石墨烯/橡胶纳米复合材料的3种主要制备方法，同时分析了石墨烯/橡胶纳米复合材料的发展前景和存在问题.关键词：石墨烯 纳米复合材料 制备引言

橡胶在室温下具有独特的高弹性，其作为一种重要的战略性物资，泛应用于国民经济"高新技术和国防军工等领域。然而，未补强的橡胶存在强度低，模量低，耐磨差，抗疲劳差等缺陷。因此绝大数橡胶都需要补强，同时随着橡胶制品的多元化，在满足最基本的物理机械性能强度的同时，需要具有功能性的纳米填料/橡胶复合材料。石墨烯是一种有着优异性能的二维纳米填料，将石墨烯与聚合物复合是发挥其性能的重要途径，石墨烯/橡胶纳米复合材料对橡胶的力学机械性能、电学性能、导热性能和气体阻隔性能等都有很大提升，因此得到了广泛关注。石墨烯的制备及其衍生物的功能化 2.1 石墨烯的制备

本文重点介绍利用氧化石墨烯（GO）的还原来制备石墨烯，该方法制备的石墨烯不能完全消除含氧官能团，还存在结构缺陷和导电性差等缺点，但是相比于其他方法，其宏量和廉价制备的特点更为突出。2.2 氧化石墨烯的还原

目前，氧化石墨烯的还原一般分为热还原与化学还原两种方法。热还原是指 GO在高温下脱除表面的含氧基团并释放大量气体，从而还 原并剥离GO.化学还原法是指利用具有还原性的物质对GO进行脱氧还原。2.3 石墨烯的功能化

对于氧化石墨烯还原之后的石墨烯，可以用非共价键改性，通过工业用燃料，荧光增白剂，表面活性剂高效稳定石墨烯。

2.4 橡胶/石墨烯复合材料的结构，性能的检测

利用红外光谱仪测定复合物的红外光谱图;用X射线衍射仪（XRD)测定复合物的衍射谱图;用发射扫描电镜(SEM)分析复合物的形貌；用电子万能试验机测试式样力学性能。3 橡胶/石墨烯橡胶纳米复合物的制备方法

目前制备石墨烯/橡胶复合材料的制备方法主要有三种，即胶乳共混法，溶液共混法，机械混炼法。3.1 胶乳共混法 利用超声辐照胶乳和原位还原法(ULMR)制备石墨烯均匀分散的石墨烯/NB复合材料的方法，解决了石墨烯在橡胶基体中的分散和剥离问题，橡胶复合材料的力学性能大幅度提高[1].通过胶乳混合-静态热压和硫化方法制备了具有石墨烯导电网络的石墨烯/NR纳米复合材料[2].黄光速等通过胶乳法分别制备了石墨烯/NR和石墨烯/丁苯橡胶(SBR)复合材料，并研究了材料的硫化机理[3].Kim等[4]通过胶乳法制备了石墨烯/SBR复合材料，发现橡胶材料的热稳定性和导电性能得到了显著提升.Schopp等[5]通过胶乳法制备了常规和新型碳系填料(炭黑,碳纳米管,石墨烯)填充的SBR复合材料，发现不同填料类型、填充量、填料分散方法对复合材料性能的有影响，其中，石墨烯对SBR复合材料的力学性能、电性能以及气体阻隔性能的提高最为显著.3.2 溶液共混法

Lian等[6]通过溶液共混法制备了石墨烯/丁基橡胶(IR)复合材料,橡胶机械性能得到显著的提升.Sadasiviuni等[7]用马来酸酐接枝丁基橡胶(MA-g-HR)，通过溶液法制备得到了石墨烯/MA-g-HR纳米复合材料.Bai等[8]利用超声将氧化石墨烯分散到二甲基甲酰胺，将丁腈橡胶(NBR)溶于四氢呋喃，然后将氧化石墨烯分散液加到橡胶溶液中，再经超声、分散、干燥、双辊混炼和热压硫化得到了氧化石墨烯/NBR复合材料.3.3 机械混炼法

Mahmoud等[9]最早通过机械混炼法制备了石墨烯/NBR复合材料，并研究了石墨烯对材料的循环疲劳的影响.Al-solamy等[10]先利用双辊开炼机对复合橡胶进行机械混炼，然后将复合橡胶模压成面积为1cm2、高1cm的圆柱体，最后热压、硫化得到石墨烯/NBR复合材料,并研究了复合材料的导电性能，提出了导电橡胶纳米复合材料压阻效应的微观结构模型.Das等通过机械共混法分别制备了石墨烯、膨胀石墨(EG)、CNTs、EG/CNTs杂化填充SBR纳米复合材料，并对4种复合材料的电性能和力学性能做了对比.Dao等[11]通过铝三仲丁醇在DMF水溶液中处理石墨烯制备出氧化铝涂覆氧化石墨烯纳米片复合填料.3.4 其他方法。

Castro等[12]采用气相沉积法在聚苯胺/乙丙橡胶复合导电橡胶中趁机石墨烯的方法制备了新型有机电导材料；Cheng等[13]以金属镍泡沫为模版，通过CVD法制备了三维石墨烯泡沫，再将二甲基硅橡胶浇筑到石墨烯泡沫中制备石墨烯/合成橡胶复合材料；Zhan等[14]报道了将化学还原的石墨烯自组装到NR胶乳粒子表面，在不经过开练配合的情况下直接静态热压硫化，制备了具有石墨烯“隔离”网络结构的NR复合材料（NRLGES）；Wang等[15]在玻璃基板上通过层-层的静电组装制备了聚乙烯亚胺/羧基丁腈橡胶多层膜材料.4结论与展望

石墨烯具有优异的物理和电特性，作为橡胶纳米填料，具有非常高的增强效率和效果，同好似还可以赋予橡胶材料其他特性如导电性，导热性，改善其机械性能和气体阻隔性能等，对橡胶制品的高性能化和功能化具有特别的意义。

石墨烯/橡胶复合材料的制备方法的核心问题是在集体中均匀有效的分散与分布石墨烯填料。目前常用的复合方法有：胶乳共混、溶液共混和机械混炼，一般采用溶液共混和胶乳共混制备的复合材料中石墨烯分散均匀，因此复合材料具有更优异的性能。GO表面的含氧基团能有效增强与极性橡胶的界面作用；还原石墨烯比表面积大且存在“褶皱”结构，因此其与大多数非极性橡胶如NR，SBR等有较强的界面结合。通过石墨烯的表面修饰可以进一步提高街面作用和石墨烯分散，从而提高复合材料性能，总的来说，石墨烯可以有效的增加各种橡胶基材的导电性，导热性，机械强度和气体阻隔性。

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第四篇：纳米保鲜技术论文

纳米保鲜技术

摘要：概述了纳米保鲜技术和国内外几种新型的保鲜技术，以及纳米保鲜技术的优越性，重点介绍了纳米保鲜剂以及纳米包装材料在食品保鲜中的应用，并讨论了其前前景以及安全性。

随着科技的发展和人们生活水平的进步，人们对事物储存的要求也越来越高，相比于传统的腌渍，脱水等食物储存，人们越来越青睐于新鲜的食物，先比于传统的食物保存方法，保鲜食物更加健康口感也更加突出。而相比于几种常见的保鲜技术，纳米保鲜又有诸多的优点，受到了诸多的关注。(一)几种传统的保鲜技术：

1.干燥法：仅适用于粮食，对水果等不适用

2.化学试剂保鲜法：化工产品含有多种对人体健康有害的成份和物质。有害的毒素残留不但危害人体健康、污染环境，造成动植物群体的更大危害，而且成本高、操作不便。

3.食品添加剂保鲜法：大都采用高锰酸钾、山梨酸钾、倍酸脂、多菌灵、抗生素及甲醛等防腐剂。这类有害物质危害人体健康，主要损伤和抑制ＤＮＡ复制和代谢，有的直接损伤细胞，使人体诱发多种疾病。

4.电冰箱保鲜法：电冰箱仅仅具有制冷的作用，并不具备保鲜功能，无法抑制细菌和杀死病毒。同时电冰箱也会产生电磁辐射，影响人体健康，且储藏数量有限，风味不佳，高耗能源。

5.微冻技术，仅使用于海鲜类产品，且暂不成熟，不具备推广运用条件。

6.气调保鲜法：相比于以上几种保鲜方法有明显的优点，但是其一是设备投资大。、一般小型企业和个体私营户都难以实现，气调保鲜虽然优于冷藏，但是仍会是食物的口感品质下降，口感和色泽改变，风味和口感也大不如以前。且冷藏的管理复杂，费工费时并大量耗费电能，也不能很好解决食品运输过程中的保鲜问题，同时造成了成本高，加重了终端消费者的经济负担

我们需要新型的保鲜技术，随着纳米技术的发展，纳米在食物保鲜方面的作用也越来越受到重视，纳米保鲜剂正是时代发展的产物，中国果蔬产量居世界领先地位，年均生产水果一亿吨，蔬菜３.５亿吨。但是，由于受到保鲜技术和储备能力的制约，流通过程中果蔬年损失率高达25—30％。而美国的果蔬损失率仅为1.7—5%，相比之下，中国的果蔬损失指数比发达国家的美国高出23.65个百分点。也就是说，中国农民每年生产的水果和蔬菜就有近四分之一被白白地损失！

（二）纳米保鲜剂

保鲜剂广泛广泛适用于任何品种的瓜果、水果、蔬菜、花卉、肉类、禽蛋、海鲜、食用菌等食品的保鲜贮藏，且有效提高了果蔬品质。克服了时间短，容量小，有毒副作用，操作不便，成本高的弊端，国外很多国家都在使用，中国市场尚处于起步阶段，但前景广阔

1.纳米保鲜剂的优点：

A吸附性：ＰＳＬＴ材料具有很强的双重吸附性，巨大的比表面积不但可以吸附大量的农药残留、有害毒素、有害重金属，还可以分解乙烯气体和抑制细菌。

B溶出性：由于ＰＳＬＴ材料中的有益元素溶出率高，可以供给其保鲜产品所缺少的矿物质、微量元素、中量元素和稀土元素（果蔬产品在田间生长时靠土壤来供给能量，而在保鲜储存期间则有纳米保鲜剂提供养分有效延长其生命）。

C对各元素的双向调节作作用：使用ＰＳＬＴ产品可对常量和微量元素的含量进行双向调节。若缺少的元素或离子，加入ＰＳＬＴ材料能溶解补充；而已有的或过多的，因“同离子效应”使其不溶解或产生结晶沉淀以减少它的含量，使其被保鲜果蔬产品达到生物体需要的最佳营养平衡状态，健康自然存活。

D PH双向调节作用：用ＰＳＬＴ保鲜食品，其ＰＨ值呈弱碱性，而且钾、硅等元素的含量明显提高。因ＰＳＬＴ材料可将ＰＨ值４调至６以上，ＰＨ值１０调至７左右，即根据物体所需进行双向调节至接近中性或弱碱性。在弱碱性条件下，微生物难以生存，并造成有害病菌挤出性死亡；而羟基自由基特性可造成细菌脱水性死亡(而不同于传统的杀菌剂来毒杀病菌)，因此被保鲜的产品不会腐烂变质。

D无缘远红外线辐射：对于被纳米保鲜剂保鲜的产品其体内的水分在共振的条件下处于微循环状态呈生物活性，其水分不容易流失。植物和动物都属于生物。比如：猪圈里的猪是活的，其血液是流通的，猪的水分就不会流失猪也不会腐烂，而一块猪肉的水分就容易流失、风干或者腐烂。类同于，一个人的血液如果没有发生病变就不会导致人的死亡。因此，对所有含水分新鲜的产品都具有保鲜的作用，而且水分越大保鲜期越长。并可以使食品提升品质，改善口感，增加营养。

由于以上五个方面的特性，因此在采用纳米保鲜剂时需求的环境（室内）温度（常温）零下6度至零上35度即可保鲜，而不需要苛求低温冷藏，因为果蔬产品在大田里生长期间即遇到过低温也遭受过高温并未致其变质，当然大多数产品不能在零下储存，我们在采用纳米保鲜剂时为方便管理和规范体积用到的容器，本身可起到保温与隔热的作用。所以在采用纳米保鲜产品过程中不需考虑温、湿度，常温即可。

2纳米保鲜剂的特点:

1、保鲜范围广：对果蔬、根茎类、肉制品类、食品类、动物标本类、花卉、禽蛋、食用菌、饮料、奶茶等所有含水分的产品都有非常理想的保鲜效果。

2、成本低廉：ＰＳＬＴ纳米生物材料是无机成分(类似于永久性磁铁及吸铁石)，性能稳定，几乎不会衰变。数十年间可持续不断地发挥作用，因此可以反复使用。只有被弃置或散落丢失时，其功能才随之“消失”。所以保鲜成本非常的低廉，是其他任何保鲜措施无法取代的。

3、效果独特：贮存任何食品6－8小时后可达到有机活性标准。使变褐带味的生肉8小时后复鲜，煮米饭可使米饭增白，且一周不会发馊，能提高产品品质，是食品的天然改良剂和脱毒剂；

4、保鲜期限长：所有含水分的产品都可以用普斯利通保鲜剂进行保鲜，且其所保鲜的产品含水份越大保鲜期越长，也就是说保鲜期和果蔬产品所含的水分是成正比的。大致来说，具体的保鲜期还因我们所要保鲜的产品的品种、产地、贮藏时的成熟度、贮藏的时节和贮藏条件都有关系。如：西瓜的水分占85%所以其保期可达1年；瓜果、水果、蔬菜、嫩玉米、枣、薯类水分占到65%其保期在6个月以上；豆角、辣椒、茄子等保期在5个月以上；由于黄瓜的呼吸强度大保期仅为4个月；草莓、荔枝、樱桃、槟榔保期两个月；肉类、海鲜、花卉、食用菌、叶菜、野菜、面包食品等保鲜期为2个月以上。

5、安全健康：纳米生物脱毒保鲜剂能吸附有机物、重金属而用于环保处理毒水毒气；具有消炎止痛、吸毒排毒收敛功能而用于制药；能抑菌杀菌而用于美容保健；能溶出人体所需的微量元素又能吸附水中的氯气除去重金属和异味，可制作优质PSLT纳米生物矿泉水；用于浸种育苗，使秧苗健壮，作物繁茂，提高作物品质，增产明显；用于酿造，可提高酒品质除去酒中恶醉成分，使酒变得更香醇；能除去饲料中污染物，使动物健康发育，促进生长，提高禽类产蛋率、延长产蛋期；用它培养花木效果更佳，促进花木生长发育，使花朵更鲜艳等。

但PSLT纳米生物材料在某种意义上讲更适宜于人体，PSLT纳米生物矿泉水是人体“细胞洗涤剂”，能排除人体内积累的有害重金属，而使体内细胞起死回生。PSLT生物纳米中微量元素分布曲线与生物体水分中微量元素分布曲线相吻合，能使水分中微量元素达到平衡，对人体健康大有益处。

3纳米保鲜剂的现状：

虽然这方面的研究很多，但是成品少，效果也不是很尽如人意，市场上也有很多类似的假冒产品，其安全性也有待考证，但是这也新型的保鲜技术为人类未来的生活带来了无限的可能，国内外也有很多专家企业致力于这方面的研究，发展速度快一旦成熟将带来巨大的经济效益

对于不怕挤压的果蔬产品，比如西瓜、土豆、红薯等，利用普通民房果窖、防空洞、地下室就地成垛码放，按比例、间距夹放保鲜剂即可。

用于超市货架展台保鲜时，在展台上面按比例、间距摆放好保鲜剂后，在上面堆放果蔬、食品、等任何含水分的新鲜产品均可。

纳米保鲜剂可反复使用，且永不失效，在电冰箱或者其他箱子、盒子、柜子的六面内壁用双面胶粘贴保鲜剂后，不用电的纳米保鲜盒、保鲜箱、保鲜柜就诞生了，且效果理想、节能环保、健康安全，永久使用，不远的将来将走进千家万户。

（三）纳米包装材料

果蔬采摘后持续的生命活动主要表现为呼吸作用，其实质是在各种酶的参与下，经过一系列中间反应进行的一个缓慢的生物氧化与还原过程。其间组织中复杂的有机物分解成简单物质，最后生成二氧化碳和水，并释放出热量。理想的保鲜材料应当既要保持果蔬呼吸作用，维持其缓慢的生命活动，但又不会破坏其正常的新陈代谢。另外，果蔬的保鲜在很大的程度上依赖于水分的适度保持。储运期间的呼吸要消耗水分，此外，多种因素也会造成部分水分的蒸发。果蔬水分损失的内因是由它们的组份性质所决定，而一般外部因素则更起着主 导作用，环境温度、湿度、光照、等。新鲜果蔬最常使用气调包装技术，其保鲜机理主要是依赖包装膜材料高分子链热振动形成的间隙为气体分子透过的通道。这就要求通过气体渗透，保持包装内部的气体组分对果蔬保鲜的最佳比例。但在实际应用中效果不是很理想。因此研制更为理想的果蔬产 品保鲜包装材料显得非常迫切，具有重要的经济价值和社会意义

。研究结果表明，与普通包装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生

物学性能上有大幅度提高，如可塑性、稳定性、阻装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生物学性能上有大幅度提高，如可塑性、稳定性、阻物学性能上有大幅度提高，同时在白色污染日益严重的今天，纳米包装技术显得尤为重要 1纳米二氧化钛在果蔬贮藏保鲜中的应用

纳米二氧化钛的光催化性一方面能够将果蔬贮藏中产生的乙烯氧化分解成二氧化碳和水；另

一方面细菌等微生物也是由有机物复合构成，纳米二氧化钛在光线照射下产生氧化l生很强的活性自由基使蛋白质变性，从而抑制微生物的生长甚至杀死微生物。与常用杀菌剂相比，纳米二氧化钛抗菌杀菌效果迅速，灭菌彻底圆。韩永生等指出，纳米TiO：具有抗菌杀毒、吸收紫外线、自洁功效及良好的阻隔性和力学性能等，可以保证包装保持自身洁净和防雾滴功台

纳米二氧化钛复合薄膜可以有效地减少代谢过程纳米TiO：复合薄膜可以有效地减少代谢过程中产生的二氧化碳和水以及乙烯等有害物质，抑制或杀灭微生物以减少果蔬出现变质与腐烂。并且避免因其他贮藏方法如化学保鲜剂所产生的环境污染，克服了目前保鲜技术的缺陷，因此二氧化钛保鲜技术有这广阔的前景应用

2.纳米硅氧化物在果蔬贮藏保鲜中的应用

纳米SiOx颗粒的适量加入有望形成牢固的纳米抗菌涂膜，同时利用硅氧键对二氧化钛和氧气吸附、溶解、扩散和释放作用，从而抑制果蔬呼吸强度，起到保鲜、保水的作用。纳米SiOx的加入可能改变水分子在膜中的渗透路径，增强复合膜的阻水性，提高保湿性。

加入纳米SiOx涂膜剂，水晶梨的失重率与腐烂率都显著小于其它涂膜液(P

纳米技术是21世纪科技发展的制高点，它的迅猛发展将促进几乎所有领域产生一场革命性的变化。目前，纳米技术在果蔬贮藏保鲜中的大部分研究尚处于试验阶段，而实际应用的例子相对较少。这主要是因为纳米技术的应用会使果蔬贮藏保鲜的成本加大；纳米包装材料大规 模生产的工艺要求高、程序复杂等诸多方面问题还需要进行深入细致的研究。

（三）纳米保鲜的安全性

近年来，围绕纳米产品的生物安全问题发达国家也积极地展开了研究。2003年4月，R F Service(2003)在Science首先发表文章讨论纳米材料与生物环境相互作用可能产生的生物安全问题，并介绍了Lam研究小组的研究结果。随后，各个领域的科学家们开始探讨纳米生 物安全问题，尤其是关于纳米颗粒对人体健康、生存环境以及社会安全等方面是否存在潜在负面影响的问题即纳米生物环境安全性

科技是吧双刃剑，在迅猛发展的纳米浪潮中，任何人都不能忽视它所带来的一些负面影响 但是，有关纳米材料的安全l生评价资料检索结果表明，世界范围内还没有一个研究机构对纳米 的负面影响做相关的研究，我们要利用科技，但同时也要保护好自己

第五篇：材料纳米微米加工技术

材料纳米微米加工技术

Materials Micro and Nano Machining Technology 青岛大学材料科学与工程学院

闫菁云（高分子创新班

201341603091）

【摘要】微米／纳米技术是一个新兴的、高技术和基础研究紧密结合的高科技领域，汇集了电子、机械、材料、制造、检测，以及物理、化学和生物等不同学科新生长出来的微小和微观领域的科学技术群体，是科学技术创新思维的结果，被认为是面向21世纪的新兴科技，近年来在全世界范围内得到了飞速的发展，取得了惊人的成绩，正在并且即将对人类产生深远的影响，甚至改变人们的思维方式和生活方式，极富挑战性。这篇文章主要论述了微米纳米技术的内容及应用。

关键词：微米技术、纳米技术

一、微米技术

微米技术是指在微米级（0.1-100微米）的材料上设计、制造、测量、控制和应用的技术。目前，微米技术的研究与应用涉及以下几个方面：

1.微小尺度的设计应用

研究微型系统的设计需要形成一整套新的设计理论方法，例如：微动力学、微流体力学、微热力学、微机械学、激光学等。以便解决微型系统设计中的尺寸效应、表面效应、误差效应及材料性能的影响。

2.微细加工技术

微细加工技术包含超精机械加工、IC工艺、化学腐蚀、能量束加工等诸多方法。对于简单的面、线轮廓的加工，可以采用单点金刚石和CBN（立方氮化硼）刀具切削、磨削、抛光等技术来实现，如激光陀螺的平面反射镜和平面度误差要求小于30nm，表面粗糙度Ra值小于1hm等。而对于稍微复杂一点的结构，用机械加工的方法是不可能的，特别是制造复合结构，当今较为成熟的技术仍是IC工艺硅加工技术，如美国制造出直径仅为60~120um的硅微型静电电动机等。

主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合； 微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工

包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工 技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生 产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微 细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路 制造技术的基础上发展的，特门市大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微 电子时代，光电子时代的关键技术之一。

3.精密测量技术 精密测量技术是具有微米及亚微米测量精度的集合量与表面形貌测量技术。目前精密测试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能，如谐振频率、弹性模量、残余应力的测试和微结构的表面形貌及内部结构，如未提缺陷、微裂缝、微沉积的测试等。

二、纳米技术

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，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，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。

1.纳米电子技术

纳米电子技术是在纳米尺度（1~100nm）研究物质的电子运动规律、特性及其用的科学技术，并利用这些特征规律生成纳米电子材料、器件和系统纳米电子器件以其固有的超高速（10-12~10-13s）、超高频（大于 1000GHz）高集成度（大于1010元器件／cm2)、高效低功耗、极低阈值电流密度（亚毫安）和极高量子效率等特点在信息领域有着极其重要的应用前景，将可能触发新的技术革命，成为未来信息技术的核心和支柱。

纳米电子技术主要包括纳米电子学基础理论、纳米电子材料、纳米电子器件和纳米电子系统等主要技术方向，以及纳米加工与制备、纳米电子表征测量等支撑技术。

2.纳米机械技术

纳米机械技术包括的领域很广，其研究基础包括纳米加工过程的动力学模拟、纳米构件与表面分子工程、纳米摩擦学等，这里所指的纳米机械是能实现纳米尺寸上某种功能的机械，如纳米制造设备级纳米执行器，纳米执行器能实现纳米尺寸的移动与定位。

随着科学技术的发展，人们在不断追求机械装置的小型化、微型化，希望以尽可能小的能耗以及最少的物质消耗来满足生物、医学、航天航空、数字通信、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求。微小型化始终是当代科技发展的方向。以制造毫米以下尺寸的机构和系统为目的的微/纳米技术，一方面利用物理、化学方法将分子和原子组装起来，形成有一定功能的微/纳米结构；另一方面利用精细加工手段加工出微/纳米结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘科学的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命，导致了微型机电系统的出现。

3.纳米材料技术

纳米技术的研究主要集中在纳米材料的制备、结构特征、表征、功能材料的开发应用等方面。利用纳米材料的独特结构及性质,可发展纳米电子技术及微系统技术,组装具有多种特殊功能应用于特定领域的微系统。纳米材料是纳米技术的重要组成部分。纳米材料具有常规材料所不具有的特殊性质,具有广阔的应用前景。

纳米材料可分为零位的纳米颗粒材料,也称为超微粒子,一般粒径在几纳米到几百纳米之间,由于表面能高,致使颗粒成球状,易聚集不容易分散;一维的纳米针状材料(纳米丝材料),是指针状材料的直径尺寸为纳米级,该针状体的细长比(长度与直径比)一般为5～10,细长比更大的材料为纳米丝材料;二维的纳米薄膜材料,是指厚度为1到几百纳米的材料,这种膜可以是致密的也可以是多孔的,此膜在光学及气体分离方面具有广泛的应用前景;三维的纳米晶体材料(纳米块状材料)[2],通常是由纳米颗粒加工制得,其主要特点是晶界密度高、性能优异,如纳米晶稀土永磁材料。

4.纳米加工技术

微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展,导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸.微纳米加工技术可以制作单电子晶体管,可以实现单个分子与原子操纵.微纳米加工技术可以建筑人类进入微观世界的桥梁,是人类了解和利用微观世界的工具.因此了解微纳米加工技术对于理解微纳米技术,以及由微纳米技术支撑的现代高科技产业是非常重要的.5.纳米测量技术

微观尺度的测量，早期是采用光学显微镜，从最原始的双透镜开始，显微镜技术经历了漫长的发展过程。如今，传统的镜头被细小的探针所代替，人类已经能够观测物质最细致的结构并能测量单个原子和分子的行为。这种强有力的测量工具，就是以纳米探针为敏感元件的扫描探测显微镜。它使人们能够对以前无法观测到的纳米尺度的物质表面结构及特性进行探测和成像，它的诞生促进了纳米技术的快速发展。

三．切削、磨削加工

对于微细切削、磨削加工,纳米级加工主要意味着加工精度和表面型貌。实现纳米级切削加工的关键是机床和刀具。超硬刀具材料、新型轴承、在线控制与补偿等新技术的出现和应用,使得金属切削加工技术得到很大发展。有研究报道,在采取一系列措施之后,尤其是精细地研磨刀具,可获得几纳米甚至1nm厚的切屑,这揭示了纳米级切削加工的可能性。目前超精加工的精度已可稳定地达到亚微米水平。在表面质量方面,采用金刚石刀具的切削加工、精密研磨抛光和在线电解修整砂轮镜面磨削技术都可获得纳米级的表面粗糙度。

参考文献

【1】 朱荻，纳米与微米加工技术，航空航天大学，2002（06）【2】 韩淑敏，微米/纳米技术在机械加工中的应用，科学技术

【3】 刘长利，沈雪石，张学骜，刘书雷，纳米电子技术的发展与展望，微纳电子技术第48卷第10期，2011（10）

【4】 韦星船，纳米科学技术发展及展望，江苏化工第29卷第4期,2001（08）