納米材料的研究及應(yīng)用

第頁共頁納米材料的研究及應(yīng)用納米材料的研究及應(yīng)用38納米材料的研究及應(yīng)用納米材料的研究及應(yīng)用魏方芳(福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.福建300)5摘要:介紹納米材料的范圍、定義、四個根本效應(yīng)及應(yīng)用領(lǐng)城。關(guān)鑲詞:納來材并;根本效應(yīng);應(yīng)用1概述納米材料是近年來開展起來的一種新型高性能材料。納米材料(又稱超細(xì)微粒)是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，根據(jù)其形象即為外表效應(yīng)[。主13要表現(xiàn)為熔點(diǎn)降低、比熱增大。超微顆粒的外表具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用外表包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保外表穩(wěn)定化。利用外表活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。態(tài)分為零維、一可維、二維和三維納米材料t。l納米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在lo____以下，隨著晶格數(shù)量大幅度增加，材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性都大為進(jìn)步，對材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。目前對納米材料的定義為:粒徑為1一100____的納米粉，直徑為1一10O的納米線，厚度為1一lon的納米薄mnom2。小尺寸效應(yīng)2在一定條件下，顆粒尺寸的量變，會引起顆粒的質(zhì)變。由于穎粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)膜，且現(xiàn)米應(yīng)材[。并出納效的料122納米材料的根本特性納米材料有四個根本的效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、外表與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，因此出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能，如的變化稱為小尺寸效應(yīng)4]。對超微頤粒而言，尺【寸變小，同時比外表積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。)1熱學(xué)性質(zhì)變化大尺寸固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過超細(xì)微化后，發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于1納米量級時尤為顯著。0例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為164℃，當(dāng)顆粒尺寸減小0到10納米尺寸時，那么降低27℃，2納米尺寸時的熔點(diǎn)僅為32℃左右;銀的常規(guī)熔點(diǎn)為67℃，而70超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料使膜厚均勻，覆蓋面積大，可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料。高強(qiáng)度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點(diǎn)、奇特的磁性和極強(qiáng)的吸波性等，從而使納米材料己獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。2，外表效應(yīng)1納米晶粒外表原子數(shù)和總原子數(shù)之比與穎粒直徑成反比，隨著顆粒直徑變小，比外表積將會顯著增大。如將體積為Ic3物質(zhì)粉碎成In的微粒，ntm外表積就從6，一增加到一二澎，而比)z(nl4r1護(hù)表面積從6，102m一增加到6*109m一。說明外表原’‘子所占的百分將會顯著地增加，從而增大其活性。這種表活性引起的納米粒子外表原子輸送和結(jié)構(gòu)變化，及外表電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化現(xiàn)2)光學(xué)性能變化金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色，且尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑(白金)變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于1%，大約幾微米的厚度就化學(xué)工程與裝備2023年第3期能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，外表原子配位不全等特點(diǎn)，導(dǎo)致外表的活性位置增加，使納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件[。納米微粒作催化劑16可以控制反響時間、進(jìn)步反響效率和反響速度。納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個件、紅外隱身技術(shù)等。)3磁學(xué)性質(zhì)變化隨著納米晶粒尺寸變小，與體積成正比的磁各項異性也降低，當(dāng)體積能與熱能相當(dāng)或更小時，會呈現(xiàn)出超順磁性。利用超順磁性，可制成用處廣泛的磁性液體。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表如今力學(xué)、超導(dǎo)電半導(dǎo)體穎粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子一一空穴對。在電場作用下，電子與空穴別離，分別遷移到粒子外表的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)展氧化和復(fù)原反響。性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。2.3界面效應(yīng)光催化是一種具有應(yīng)用潛力的特殊催化劑〔7]，涉及到許多反響類型，如醇與烴的氧化，無機(jī)離子氧化復(fù)原，有機(jī)物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固嘴反響，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些納米材料具有非常大的界面，且界面原子的排列相當(dāng)混亂。原子在外力的作用下很容易發(fā)生遷移，從而表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，因此使材料具有特殊的界面效應(yīng)。是催化難以實(shí)現(xiàn)的川。半導(dǎo)體多相光催化劑2，量子效應(yīng)4量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體;磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān);比熱亦會反常變化;光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的挪動，探究造成這些現(xiàn)象的原因即為量子尺寸效應(yīng)。介于原子、分子與大塊固體之間的超微穎粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，能有地降解水中的有機(jī)污染物。例如納米TO，IZ既有軟高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，廉價易得，是制備負(fù)載型光催化劑的最正確選擇。3。在涂料方面的應(yīng)用2納米材料制備的涂層具有特有的優(yōu)異性能。在涂料中參加納米材料，可進(jìn)一步進(jìn)步其防護(hù)才能，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣損害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。已有美國的研究人員用納米級二氧化錫、二氧化欽、三就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，，氧化二鉻等與樹脂復(fù)合作為靜電屏蔽的徐層;在標(biāo)稱之為量子尺寸效應(yīng)[。]s牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，到達(dá)量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動性，儲存太陽能、節(jié)約能的目的。在建材產(chǎn)品如玻因此存在隧道效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如璃、涂料中參加適宜的納米材料，可以到達(dá)減少光微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。納顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)米SIC反是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中參加納米Sm，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)i度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)____，也將推動復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。3。在生物醫(yī)學(xué)面的應(yīng)用3地磁性納米粒子作為藥濟(jì)的載體，在外磁場一步微型化時必需要考慮上述的量子效應(yīng)。3納米材料的應(yīng)用3，在催化面的應(yīng)用1納米微粒作催化劑，是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。納米顆粒具有很高的比外表積，外表的鍵的引導(dǎo)下集中于病患部位，以進(jìn)步藥效[，使藥10納米材料的研究及應(yīng)用物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹納米技術(shù)的開展，使微電子和光電子的結(jié)合更的智能藥物進(jìn)入人體，可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織;使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀外表急劇增大，表加嚴(yán)密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大進(jìn)步。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其才能進(jìn)步10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)展高精度的對地偵察。納米科學(xué)是一門將根底科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，納米材料被稱為“世紀(jì)最有前12面構(gòu)造發(fā)生變化，殺菌才能進(jìn)步20倍左右，對臨0床常見的外科感染細(xì)菌都有較好的抑制作用。微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的`根本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學(xué)反響。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生途的材料”0，在世界納米材料與[’]納米科技獲得成就的同時，也涉及到許多有關(guān)重要的問題有待進(jìn)展深化的探究和解決。2世紀(jì)將是納米技術(shù)的時代，1納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。納米生物學(xué)用來研究在納米尺度上的生物過響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能、人類安康和環(huán)境保護(hù)等重大問題。隨程，從而根據(jù)生物學(xué)原理開展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細(xì)顆粒外表覆蓋一層厚為5一2____的聚0合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反響。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使著其制備和改性技術(shù)的不斷開展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥消費(fèi)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應(yīng)用【參考文獻(xiàn)】：^pISa巧aranyaaC，F(xiàn)~nFH.ThsoctUeadMeha:cPrO時et團(tuán)ncnal戶-納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合，研究分子生物器件，利納米材料的研究及應(yīng)用用納米傳感器，可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息，從而理解機(jī)體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。3.4在環(huán)保方面的應(yīng)用納米材料的控制污染方面可起到關(guān)鍵性的作用。主要表達(dá)在它降低能消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資消耗;減少廢物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染?！畂Met.JlicN二斗山，Me劫u目caTr田蛇uo們匯卜2，sef油山歹l泌‘曰J]199.A23A;1071一1081.2白春禮.納米科技開展及其前景川科學(xué)通報，1，(2;2o04)609.3劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳.納米材料的特殊性能及其應(yīng)用;沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，20，2(1.02)4單志強(qiáng).納米材料特性及其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用;環(huán)保材料.(205)0一40一.)(200033，在微電子學(xué)上的應(yīng)用5納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的5劉藝、劉衛(wèi)華、王彥芳.納米材料的特殊性能及其應(yīng)用;沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，20搶.2(1).(工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的才能，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理才能的____性打破，納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時代的核心。3.6在光電領(lǐng)域的應(yīng)用6都有為.化工進(jìn)展;1993(4);21一24.7古宏展.化工進(jìn)展;1999(4);5一78吳鳴.首屆全國納米材料應(yīng)用技術(shù)交流會論文集;11一11.149李良訓(xùn).金山油化纖;2儀K，第一期.)10張立德.納米材料的開展〔;中國科學(xué)基金，1994