納米材料的科學(xué)應(yīng)用

1、 7.1.1 力學(xué)性能的應(yīng)用 納米顆粒具有大的比表面積，活性大并具有高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化速度快、可降低燒結(jié)溫度并提高力學(xué)性能。近年來，用納米顆粒強(qiáng)化為目的的納米陶瓷材料得到較大進(jìn)展，為陶瓷材料的發(fā)展提供了生機(jī)，大量以納米顆粒為原料或添加料的超硬、高強(qiáng)、高韌、超塑性材料相繼問世 納米微粒尺寸進(jìn)入一定臨界值時(shí)就轉(zhuǎn)入超順磁性狀態(tài)，例如-fe、fe304和-fe203粒徑分別為5nm、16nm、20nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌櫞判?。另外納米顆粒材料還可能具有高的矯頑力、巨磁電阻、magnetocaloric效應(yīng)等性能。因此可用于制備磁致冷材料、水磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存

2、儲元件及磁探測器等磁元件。 納米顆敞在電學(xué)性能方面也出現(xiàn)了一些獨(dú)特性。例如納米金屬顆粒在低溫下呈現(xiàn)絕線性，納米欽酸鉛、鐵酸鋇和欽酸釣等顆粒由典型的鐵電體變成了順電體?？梢岳眉{米顆粒來制做導(dǎo)電漿料、絕緣漿科、電極、超導(dǎo)體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和非線形電阻及鵲綰徒櫚綺牧系取 納米顆?？杀憩F(xiàn)出與同質(zhì)的大塊物體不同的光學(xué)特性，例如寬頻帶強(qiáng)吸收、藍(lán)移現(xiàn)象及新的發(fā)光現(xiàn)象，從而可用于光反射材料、光通訊、光存儲、光開關(guān)、光過濾材料、光導(dǎo)體發(fā)光材料、光折變材料、光學(xué)非線性元件、吸波隱身材料和紅外傳感器等領(lǐng)域。納米顆粒表面積巨大，表面活性高，對周圍環(huán)境(溫度、氣氛、光、濕度等)敏感，因此可用來制作敏感度

3、高曲超小型、低能耗、多功能傳感器。 以氧化錫為基體材料，并摻入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┗蛱罴觿?，可制得對酒精、氫氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷等氣體具有選擇性敏感性能的氣敏元件。氧化錫對氣體靈敏度高低與材料的比表面積有關(guān)，通常比表面積越大，氣體靈敏度越高。納米氧化錫顆粒具有明顯優(yōu)越性能，具有更高的氣體靈敏度。目前用納米sno2顆粒膜制成的傳感器已經(jīng)實(shí)用化，可用作氣體泄漏報(bào)警器和濕度傳感器，并且可以隨著溫度的變化有選擇地檢測多種氣體。tio2陶瓷材料不僅對o2、co、h2等氣體有較強(qiáng)的敏感性，而且還可作為環(huán)境濕度傳感器。 納米顆粒尺寸一般比生物體細(xì)胞要小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新途徑：利用納米顆粒進(jìn)行細(xì)

4、胞分離、細(xì)胞染色及利用納米顆粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療等。 納米顆粒表面原于所占體積百分?jǐn)?shù)大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)與頰粒內(nèi)部不同，原于配位不全等導(dǎo)致表面的活性點(diǎn)增加，這些因素使它具備了作為催化劑的基本條件。納米頰粒作為催化刑具有無細(xì)孔、無其它成分、能自由選擇組分、使用條件溫和方便等優(yōu)點(diǎn)。 無機(jī)填料的主要作用是增量以降低成本，有時(shí)甚至以犧牲基體材料的性能為代價(jià)。納米頰粒填料不僅能起到增量效果，而且能夠提高基體材料的性能，尤其是經(jīng)過表面改性的納米頰粒對基體的一些性能有著良好的促進(jìn)作用，應(yīng)用前景很好。 納米al2o3、cr 2o3、sio2顆粒由于其良好的懸浮特性，可制成高精度拋光液，用于

5、高級光學(xué)玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光。納米頰粒還是有效的助燃劑，例如在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加1wt納米鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加1倍。納米頰粒也可以用于印刷油墨，可以不再依靠化學(xué)顏料而是選鋒適當(dāng)體積的納米顆粒來得到各種顏料。 通過分析納米顆粒在各個(gè)方面的應(yīng)用，充分展示出納米顆粒的廣泛用途及其在材料科學(xué)中舉足輕重的地位。納米顆粒誘人的應(yīng)用前景使得人們對它的研究越來越重視，也越來越深入。然而，從研究到工業(yè)應(yīng)用的過程中還有許多新的課題去探索，如納米顆粒的分散、納米顆粒的表征、納米顆粒與微米粉體的混合技術(shù)及專用設(shè)備的開發(fā)等。相信在科技工作者的努力下，必特有更多特殊性能的納米頰粒材料以

6、及先進(jìn)的工程應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)。 7.2.1 普通載藥納米微粒 這種劑型的出現(xiàn)背景是基于將一些藥物通過藥劑學(xué)和納米技術(shù)的高度結(jié)合，使原本因理化性質(zhì)不穩(wěn)定而降解破壞或因不良反應(yīng)較大而影響其使用的藥物經(jīng)特殊的方法高度分散于藥物載體中，制成載藥納米微粒，用液體載體的流動(dòng)形式給藥，從而避免了所提到的缺點(diǎn)。 納米控釋系統(tǒng)包括納米粒子和納米膠囊，它們是粒子在10一500nm間的固體膠態(tài)粒子。它與以往的控釋制劑不同，載藥納米微粒的控釋過程具有其特定的規(guī)定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物質(zhì)向外擴(kuò)散。將藥物制成納米制劑后，不但達(dá)到緩控釋效果，而且改變其藥物動(dòng)力學(xué)的特性，使一些免疫系統(tǒng)的慢性病能得到更好的治療

7、。 靶向藥物能完成從靶器官、靶細(xì)胞到最為先進(jìn)的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的三級靶向治療，從而達(dá)到病灶部位緩慢釋放藥物，維持長期局部有效的藥物濃度。此類微粒是根據(jù)臨床需要，通過選用對機(jī)體各種組織或病變部位親和力不同的載體制作載藥微粒或?qū)慰寺】贵w與載體結(jié)合，以使藥物能夠輸送到治療期望達(dá)到的特定部位，因而稱之為靶向定位給藥。物理靶向物理靶向 載藥磁性微粒是在微囊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型藥物運(yùn)載系統(tǒng)。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物載體靜脈注射到動(dòng)物體(小鼠、白兔)內(nèi)后，在外加磁場下，通過納米微粒的磁性導(dǎo)航，使藥物移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。國內(nèi)有實(shí)驗(yàn)研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在進(jìn)行了免疫活性檢測和體

8、外抑瘤實(shí)驗(yàn)后證實(shí)其具有抗體導(dǎo)向功能，并具有較高的磁響應(yīng)性，具有較強(qiáng)的靶向定位功能，為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。 一些特殊的納米粒子可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)達(dá)到基因治療目的。 如：國外有人利用納米技術(shù)可使dna通過主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞。將質(zhì)子dna濃縮至50200nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對細(xì)胞核的有效入侵，而最后反粒dna插入細(xì)胞核dna的準(zhǔn)確點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。還有人研究了一種樹突狀物的多聚物，由于它有著精確的納米結(jié)構(gòu)和表面與內(nèi)部都可以攜帶分子的特性使之成為一個(gè)很好的dna導(dǎo)入細(xì)胞的載體。applications of quantum dots as multimodal c

9、ontrast agents in bioimaging. 7.3.1 納米陶瓷 （1）陶瓷的特點(diǎn) 陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，均勻性差、可靠性低、韌性、強(qiáng)度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。 所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料 ,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷 ,這就需要解決 ：粉體尺寸、形貌和分布的控制 、團(tuán)聚體的控制和分散 、塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制

10、。 極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)性能，可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化程度、節(jié)約能源；使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次（l100nm）上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。 由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強(qiáng)度就相應(yīng)越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨(dú)特性能。 納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。1）納米陶瓷粉體的制備 氣相合成：主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉(zhuǎn)化法和

11、化學(xué)氣相合成法，這些方法較具實(shí)用性?；瘜W(xué)氣相合成法可以認(rèn)為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強(qiáng)了低溫下的可燒結(jié)性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團(tuán)。原子團(tuán)的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強(qiáng)來控制，粒徑可小至34nm，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。 凝聚相合成（溶膠一凝膠法）：是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物，通過控制ph值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合，經(jīng)溶膠凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。

12、此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的sio2、al2o3和tio2納米團(tuán)。 從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有： 沉降法：如在固體襯底上沉降； 原位凝固法：在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置一個(gè)充液氮的冷卻管，納米團(tuán)冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經(jīng)漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材； 燒結(jié)或熱壓法：燒結(jié)溫度提高，增加了物質(zhì)擴(kuò)散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結(jié)溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。 納米陶瓷具有很高的力學(xué)性能 。 納米陶瓷的特

13、性主要在于力學(xué)性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度、斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是在高溫下使硬度、強(qiáng)度得以較大的提高。 研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性；納米陶瓷有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問題。 在微米級基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性提高24倍，使最高使用溫度提高400600，同時(shí)還可提高材料的硬度和彈性模量，提高抗蠕變性和抗疲勞破壞性能。 納米磁性材料 磁性是物質(zhì)的基本屬性之一，任何物質(zhì)都有磁性，只是強(qiáng)弱不同而已。磁性材料是古老而用途十分廣泛的功能材料，納米磁性材料是 20 世紀(jì) 70 年代后逐步產(chǎn)生、發(fā)展、壯

14、大而成為最富有生命力與寬廣應(yīng)用前景的新型磁性材料。美國政府2007年大幅度追加納米科技研究經(jīng)費(fèi)，其原因之一是磁電子器件巨大的市場與高科技所帶來的高利潤，其中巨磁電阻效應(yīng)高密度讀出磁頭的市場估計(jì)為 10 億美元，目前已進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，磁隨機(jī)存儲器的市場估計(jì)為 1 千億美元，預(yù)計(jì)不久將投入生產(chǎn)，磁電子傳感器件的應(yīng)用市場亦十分寬廣。西班牙蔬塞羅斯磁性材料實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家romzioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，已發(fā)明了一種新型磁性材料，用它制造的變壓器具有極高的效率，能量損耗比傳統(tǒng)變壓器小得多。新型磁性材料是用直徑僅8納米的亞微觀粒子嵌入固態(tài)基體制造的，也稱納米復(fù)合材料。zioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將氧化鐵納

15、米微粒加入一種甲醇基液體聚合物，然后將這種溶液冷卻到4.2k的極低溫度，從而使其成為固體。所謂的固態(tài)基體就是甲醇基聚合物，基體中的氧化鐵納米微粒均勻地嵌入其中，從而形成類似泡沫塑料的結(jié)構(gòu)。其中的納 起初牢牢地粘在基體上不運(yùn)動(dòng)，當(dāng)在基體上加上很小的磁場時(shí)，納米微粒便能脫離基體并在它占據(jù)的空腔 中旋轉(zhuǎn)。研究人員認(rèn)為，它能旋轉(zhuǎn)是因?yàn)榭涨槐砻嬉阅撤N方式排斥這些納米微粒。正是由于這些納米微粒旋轉(zhuǎn)，總使自己的磁場方向和外加磁場的方向保持一致，因此在外加磁場變化時(shí)幾乎不損失能量喧是以往的磁性材料不具備的性能。這一新材料的出現(xiàn)，將為新一代超高效率電源變壓器的誕生開辟道路。以往的變壓器的鐵芯在交流電通過其線圈時(shí)

16、會發(fā)熱，這是因?yàn)槟芰恳詿崮艿男问綋p耗了。由于用納米復(fù)合材料取代鐵芯制作的變壓器幾乎不發(fā)熱，故能量損耗極小，因此，變壓器可做得很小，效率卻可 大大提高。目前這種材料的缺點(diǎn)是只能在極低的溫度下工作，因此zioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正在進(jìn)一步探索能在室溫條件下具有極低能量損耗的變壓器磁性材料。更新的磁性材料含有非磁性納米微粒，具有更好的聲光性能和熱力學(xué)性能。 1.納米顆粒型 * 磁記錄介質(zhì) * 磁性液體 * 磁性藥物 * 吸波材料 2.納米微晶型 * 納米微晶永磁材料 * 納米微晶軟磁材料 3.納米結(jié)構(gòu)型 * 人工納米結(jié)構(gòu)材料 薄膜，顆粒膜，多層膜，隧道結(jié) * 天然納米結(jié)構(gòu)材料 鈣鈦礦型化合物 磁記錄介

17、質(zhì)。磁性材料至今仍是信息工業(yè)的主體,為了提高磁記錄的密度,磁記錄介質(zhì)中的磁性顆粒尺寸已由微米、亞微米向納米尺度過度,例如:合金磁粉的尺寸約為80nm,鋇鐵氧體磁粉的尺寸約為40nm。量子磁盤是磁納米發(fā)展的新方向量子磁盤就是利用磁納米材料的儲存特性提高其儲存密度，這種量子磁盤的記錄密度理論上可達(dá)到6000gb/inch2,相當(dāng)于每平方英寸可儲存100萬本30萬字的書。磁性液體、磁性藥物、吸波材料等也是最新發(fā)展方向。納米微晶型磁性材料 納米微晶永磁材料已發(fā)展到了第五代,實(shí)現(xiàn)了體積重量小、高效、低耗能等優(yōu)點(diǎn)。納米微晶軟磁材料已具有了高磁導(dǎo)率、低損耗、高飽和磁化強(qiáng)度等性能,使之應(yīng)用于開關(guān)電源、變壓器、

18、傳感器等。 人工納米膜、多層膜、隧道已成為磁性納米材料發(fā)展的新的思路。 超導(dǎo)材料是21世紀(jì)的一種新材料,它工作速度快、耗能少、被認(rèn)為是最有希望的下一代智能機(jī)的基礎(chǔ)元件。納米超導(dǎo)材料的發(fā)展不斷應(yīng)用的溫度,為超導(dǎo)材料的實(shí)用提供了可能。 納米金屬是一種直徑在0.1微米以下,只有電子顯微鏡才能看清它的細(xì)微金屬粉末。它呈黑色、熔點(diǎn)低、燒結(jié)溫度低、強(qiáng)度高。由于納米金屬材料表面原子比例大，所以它可以提供的活化位點(diǎn)就多，因此它可以用作催化材料，sakas等報(bào)道了納米晶體5%(in mass)li-mgo(平均5.2nm,比表面面積750m2/g)的催化活性。它對甲烷向高級烴轉(zhuǎn)化的催化效果很好，催化激活溫度比普通li浸滲的mgo至少低二百度，盡管略有燒結(jié)發(fā)生，納米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。另外,在21世紀(jì)它還將廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)