纳米材料及其应用.pdf

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1、第 2 1 卷 第 2 期 Vo 1 2 2 No 2 周 口师范学院学报 J o u r n a l o f Z h o u k o u T e a c h e r s C o l l e g e 2 0 0 5年 3月 M目 L r 20 o4 纳米材料及其应用 刘奎立，李建(周 口师范学院 物理 系，河南 周 口4 6 6 0 0 0)摘要：系统介绍了纳米材料 的概念、分类、特性 以及 制备与合成方法，重点介绍 了纳米材料在工业生产、医 药、生活和环保 中的应用，讨论 了中国在 纳米材料产业方面存在的问题，并指出了纳米材料产业发展 前景，关键词：纳米材料；环保；纳米材料产业 中图分类号：

2、T B 3 2 文献标示码：A 文章编号：1 6 7 1 9 4 7 6(2 0 0 5)o 2 0 0 2 7一O 3 著名的诺贝尔奖获得者费恩曼在 6 o年代就预言，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性 他所说的物体就是现在的纳米材料 纳米材料是 2 O世纪 8 0年代中 期发展起来的新型材料，它既不同于微观原子、分子，也不同于宏观物质的超常规特性，在光学、电磁、超 导，化学和生物活性、催化化学发光及标记表面增强拉曼免疫等方面呈现出优 良的物理化学特性，受到物 理、化学、材料科学等众多研究领域的极大关注 因此，纳米材料研究是 目前材料科学研究 的一个

3、热点，纳 米技术被公认为是 2 1 世纪最具有前途的科研领域 1 纳米材料的概述 1 1 纳米材料的概念和发展史 纳米材料，从狭义上说，就是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的 总称 从广义上看，纳米材料应该是晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料 J 目前，国际上将处于 1 1 0 n m尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称之为纳米材料 包 括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料 纳米材料(N S M)的概念最初是在 8 0年代初期 由德国学者 G l e i t e r 教授提出来 的 ，事实上，人工制 备纳米材料的历

4、史至少可以追溯到 1 0 0 0年前 当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨 的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料 1 8 6 1年，随着胶体化学的建立，科学家们开始对 1 1 0 0 n m的粒子系统进行研究 但限于当时的科学技术水平，化学家们并没意识到在这样一个尺寸范围是 人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究 1 9 9 0年 7月在 美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支 到现在，纳米科技可以较容易地通过扫描隧道电子显微镜(S c a n n i n g T u n n e l

5、in g M i c r o s c o p e s，S T M)完成 J，且能随意 地实现原子、分子、纳米粒子的整齐排列。1 2 纳米材料的分类 纳米材料按其结构可以分为四类：具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料；具有纤维结构的称 为一维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料 还有就是以上各种形式的复合材料 按化学组份可 分为纳米金属、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料 按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁 性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等 按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等 1 3 纳米

6、材料 的特性 收稿 日期：2 0 0 31 1 0 7；修 回日期：2 0 0 41 O一1 5 作者简介：刘奎立(1 9 7 6 一)，男，河南扶沟县人，硕士，主要从事材料 学研 究 维普资讯 http:/ 周口师范学院学报 2 0 0 5年 3月 纳米粒子是处在原子簇和宏观物质的过渡区域，是一种典型的介观系统，包括 金 属、非 金属、有机、无 机和生物等多种颗粒材料 随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材 料所不具有的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，从而使超细粉末与常规颗粒材料相 比较具有一系列奇异的物理、化学性质 其物理性质和化学性质既不同

7、于宏观物体，也不同于微观的原子 和分子 纳米材料 由于超细的晶粒、高浓度晶界以及无序有序排列，因而具有一般块状材料无可 比拟的特异性 能：超塑性好，如陶瓷中加入不同粒径的纳米氧化物粉，使陶瓷的超塑性达到 2 0 0 8 0 0；强度与硬度 高，如纳米陶瓷的断裂强度均高于普通陶瓷；纳米材料的塑性、韧性也都高于相应的常规材料；纳米材料的 熵对热容的贡献比常规材料大得多，纳米非晶态 S i，N (氮化硅)材料的热膨胀系数 比常规 S i N 高 1 2 6 倍；超顺磁性，粒径为 7 n m F e：O，粉体有较强的超顺磁性；纳米材料的电阻高于常规材料，且电阻温度 系数与粒径密切相关 J 2 纳米材料

8、的制备(1)物理方法 物理方法制备纳米材料般采用蒸发冷凝法及机械粉碎两种方法 前一种方法所获得 的产品质量较好，但成本较高；后一种制备方法则成本较低而质量较差，主要问题是粒子的颗粒大小不均 匀：(2)化学方法 用化学方法制备纳米材料一般采用气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、溶 剂蒸发法和微乳液法等几种方法 采用化学方法获得的纳米粒子一般质量较好，操作方法也较为容易，生 产成本也相应较低，是 目前生产 中主要采用的方法H 3 纳米材料的应用 3 1 在工业生产方面的应用 纳米材料的运用在工业生产中显示 了独特的魅力 如在橡胶 中加入纳米 S i O：，可以提高橡胶的抗紫 外辐射和红外反

9、射能力 塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度、韧性、致密性和防水性 在有 机玻璃中加入经过表面修饰处理的纳米 S i O：，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的 目的 最近又 开发了用于食品包装的 T i O：及高档汽车面漆用的珠光钛白L 1 在电子计算机和电子工业方面，存储容量为 目前芯片上千倍的纳米材料存储器芯片已投入生产 计算 机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成“掌上电脑”在机械工业，采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备 的耐磨性、硬度和寿命 在合成树脂 中添加纳米 S i O：，纳米 Z n O，纳米 S i O：复配粉体材料，经抽丝、

10、织布，可 制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外辐射的内衣和服装 纳米物质由于量子尺寸效应和表面效应，在摩擦表面以纳米颗粒或者纳米膜 的形式存在具有 良好的 润滑性能和减磨性能，在润滑油中添加纳米材料制成的润滑剂可显著提高其润滑性能和承载能力，减少添 加剂的用量，提高产 品的质量，特别适用于苛刻条件下的润滑场合 引 3 2 在医药方面的应用 利用纳米科技可将生物降解和生物相容性的聚合物与药物一起制成纳米药物，作为靶向药物制剂，直 接导入病体部位的器官、组织甚至细胞，达到提高药物疗效、降低毒性的作用；将纳米材料作为药物载体，可增加某些药物的胃肠吸收，提高其生物利用率；将纳米材料作为载体，可用于基因的输送和

11、治疗；纳米材 料作为组织修复、人体器官等生物材料的应用也有很好的前景 另外，纳米材料在疾病的诊断和监测上也 有广泛的用途 3 3 在生活中的应用 将天然花粉超细粉碎后，营养物质得 以释放，作为添加剂可以制成高价值保健 品 在防晒护肤品中添 加纳米级 Z n O，T i O：有很好的护肤美容作用，其 防紫外线效果优于有机防晒剂 目前 日本已开发出了化妆 品用紫外线屏蔽剂；用 A g 等纳米粒子制成的抗菌、除臭复合剂粉，具有光谱杀菌、除臭功能，并可长时间 使用m 用纳米材料制成的多功能塑料具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线作用，可用作 电冰箱、空调 外壳里的抗菌除味塑料 3 4 在环境保护方面

12、的应用 维普资讯 http:/ 第 2 2卷 第 2期 刘奎立，等：纳米材料及其应用 2 9 纳米级稀土钙钛矿型复合氧化物 A B O 对汽车尾气所排放的 C O，N O和 H C具有良好 的催化转化作 用 它作为活性组份负载于蜂窝状堇青石载体上制成的汽车尾气催化剂催化效果较好，价格便宜，可以替 代昂贵 的贵金属催化剂 近年来，很 多稀土钙钛矿型复合氧化物 已经投放市场应用于汽车尾气 的治 理 纳米 T i 0：不但具有纳米材料的特性，还具有优 良的光催化性能，可以分解有机废水 中的卤代脂肪 烃、卤代芳烃、有机酚类等以及空气 中的甲醛、甲醇、丙酮等有害污染物为二氧化碳和水 在紫外光的照射下，纳

13、米氧化锌具有催化剂和光催化剂的作用，能分解有机物质，可以制成抗菌、除臭 和消毒产品，保护和净化环境 此外，载有金属离子的纳米材料具有很好的抗菌功能 王永华等 对载有 A g 的纳米材料进行 了抗 菌性方法实验，证明了载有 A g 的纳米材料具有 良好的抗菌功能，A g 可使细胞膜上的蛋白失活，从而杀 死细腿 还可以用纳米材料制成孔径比 病毒还小的过滤膜净化水，人喝了这种水可以减少对肾的负担H 引 4 中国纳米材料产业发展现状 在纳米材料产业发展方面，中国与美、日、德有相当大的差距，但是近几年来，国内许多企业家对纳米 材料产业表现出了浓厚的兴趣，随着高新技术产业发展机制的 日 趋完善，国内纳米材

14、料产业会有更快的发 展 前不久，国家经贸委颁布的 近期工业行业发展导向 提出，今后中国将大力推动超轻技术在纳米材料 制备领域的应用，在继续完善纳米碳酸钙工业化生产的同时，加快超轻技术纳米氢氧化铝、氢氧化镁等产 品的应用，扩大国内纳米材料的应用领域和应用水平，使中国成为世界纳米生产大国和强国 5 结束语 纳米材料作为一种新型材料，在工业、电子计算机、信息、生物工程、能源、环境方面已经展示了良好的 应用前景，引起了人们的高度重视 随着对纳米材料研究的日 趋深入，必将对科学技术产生深远的影响，其 应用前景也必定更加光明，应用领域将更为广泛，将涉及社会生活的各个方面 中国在 2 O世纪 8 O年代中

15、期开始纳米科技的研究，取得了一定的具有国际水平的研究成果 但是，在纳米材料产业发展方面，和国际 上发达国家相比还有相当大的差距，还存在着不少的问题 如果 国内的企业家认识到纳米材料在许多领域 的不可替代性，让企业取得可观的经济效益，以应用促进生产，以生产带动研究开发，那么，国内纳米材料 的应用前景将是非常广阔的 参考文献：1 张秀荣 纳米材料的分类及其物理性能 J 现代物理知识，2 0 0 2，1 4(3)：2 4 2 5 2 朱志祥，汪道新 纳米材料研 究现状及发展趋势 J 实用美容整形外科杂志，2 0 0 1，(8)：2 0 0 2 0 2 3 汪焕林，王建宁，张军 纳料材料的应用 J 青

16、海大学学报(自 然科 学版)，2 0 0 2，2 0(1)：3 4 3 6 4 O n g C K，F a n g H，C，Y a n g，Z e t a 1 M a g n e t i c r e l a x a ti o n i n Z n-S r d o p e d b o r i u m f e r r i t e n a n o p a r t i c a l e s f o r r e c o r d i r J J o u r h a l o f ma g n e t i s m a n d ma ma e ti c ma t e r i a l s，2 0 0 0，2 1 3，

17、41 3 41 7 5 曹茂盛，关长斌，徐甲强 纳料材料 导论 M，哈 尔滨，哈 尔滨工业出版社，2 0 0 1 2 3 6 G l e i t e r H，N ano s t mc t u r e d m a t e r i a l s I n，H a n s e n N e t a l，e d s p m c e e d i r l g s I f t h e S e c o n d R i s e I n t e rna ti o n a l S y m p o s i u m o n M e t a l l u r g y and M a t e ri a l s S c i e n

18、c e M D e n m a r k，R o s k i l d e，1 9 8 1 1 5 2 9 7 文玉华，周富信，刘日武 纳米材料 的研 究进展 J 力学进展，2 0 0 1，1(2)：4 7 6 1 8 白春礼 扫描 隧道显微技术及其应用 M，上海：上海科学技术 出版社，1 9 9 2 9 1 1 3 2 9 周环波 纳米材料、纳米结构及其应用 J 孝感学院学报，2 0 0 1，2 1(6)：3 4 3 8 1 0 高新，李稳宏，王锋，杨清翠 纳料材料的性能及其应用领域 J 石化技术与应用，2 0 0 2，(5)：1 9 9 2 0 1 1 1 俞康泰，李 勇，纳米材料的产业化 J

19、 佛山陶瓷，2 0 0 2，(5)：3 1 3 2 1 2 孟庆臻，万靖武 纳米粒子与纳米材料 J 河南科技，2 0 0 1，(6)：2 5 2 6 1 3 袁荞龙，罗宁 国内钛白粉生产研究及应用进展 J 化工进展，1 9 9 7，(5)：5 7 1 4 王月霞，苗望春 润滑油中的纳米材料 J 润滑油，2 0 0 2，1 7(3)：1 9 2 1 1 5 朱 屯，王福明，王习东，等 国外纳米材料科技进展 与应用 M，北京：化学工业出版社，2 0 0 2 1 6 2 1 6 3 1 6 黄渝鸿，许映霞，万昌秀，乐以伦 纳米材料在生物 医学 中的应用 J 化工新型材料，2 0 0 2，3 0(2)

20、：1 0 1 2 1 7 石松耀，陈国虞 实用纳米材料 热处理，2 0 0 2，1 7(1)：2 5 3 2 1 8 光焕竹，冯树文，杨培霞，袁福龙 纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用 J 化学工程师，2 O O 2，(2)：5 6 5 7 1 9 沈迪新 中国汽车尾 气污染控制与对策 J 环境科 学进展，1 9 9 7，5(6)：2 3 3 3 (下转第3 5页)维普资讯 http:/ 2 2 卷 第 2期 谢建平，等：三甲基硅基键合相微乳液毛细管电动色谱 3 5 足一般工业分析在高重现性方面的要求的现代毛细管电泳模式，使得现代毛细管电泳能够在一般工业分 析领域一展身手 一旦这一理想成为

21、现实，高效毛细管电泳才可能真正与高效液相色谱比肩而立 参考文献：1 z h 丑 L I J Y，X i e J P，L i u J Q，e t a1 M i c r o e m u l s i o n d e c t r o k i n e t i c c h r o m a t o g r a p h y w i t h l a s e r-i n d u c e d n u c 嘴 8 c e n c e d e t e 0 n f 0 r s e n s i t i v e d e t e r m i n a t i o n o f e p h e d r i n e a n d p s

22、 e u d o e p h e d r i n e J E l e c t ro p h o r e s i s，2 O O 4，2 5【1)：7 4 7 9 2 P e r i c I，K e n n d l e r E R e c e n t d e v e l o p m e n t s i n c a p i l l a r y e l e e t r o k i n e t i c c h r o m a t o g r a p h y w i t h re p l a c e a b l e c h a 增 e d p s e u d o s t a t i o n a r y

23、p h a s e s o r a d d i ti v e s J E l e c t r o p h o r e s i s，2 0 0 3。2 4【1 7)：2 9 2 4 2 9 3 4 【3 M o l i n a M，S i l v a M M i c d l a r e l e e t rok i n e ti e c h r o m a t o g r a p h y：c u r r e n t d e v e l o p m e n t s a n d f u t u r e J E l e c t r o p h o r e s i s，2 O O 2，2 3 (2 2 2

24、 3)：3 9 0 7-3 9 2 1 4 X i e J P，Z h a n g J Y，L i u H X，e t a1 Mi e ro e m u l s i o n e l ect r o k i n e t i e c h r o ma t o g r a p h y with l a s e r-i n d u c e d fl u o r e s c e n c e d e t e c t i o n：a 8 t est e d wit h a m m o a c i d s J】B i o m e d C h r o m a t o g r，2 0 0 4。1 8【8)：6 0

25、 0 6 0 7 【5 X i e J P，C h e n X F，Z h a n g J Y，e t a1 A n o v e l d o u b l e c o a t i n g f o r m i e m e m u l s i o n e l e c t ro k i n e t i c c h r o m a t o g r a p h y with k d a e e d fl u o r e s c e n c e d e t e c t i o n：8,9 t est e d w i t h a m i n o a c i d d e r i v a t i v e s J

26、J P h a r m B i o m e d A n a 1 -2 0 0 4-3 6 f 1)：1 8 6 X i e J P-C u i F L-C h e n X G，e t a1 M i e e U a r e l e c t ro k i n e t i e c h r o m a t o g r a p h y with l nse r q n d u e e d fl u o r e s c e n c e d e t e c t i o n f o r r a p i d a n d s e n s i ti v e a n a l y s i s o f t w o n e

27、 w b i o a c ti v e r e a g e n t s nsi n s d y n a m i c c o v a l e n t c o a ti n g J J S e p S c i。2 O O 4，2 7【1 3)：1 1 1 5 1 1 2 0 7 V a n h o e n a c k e r G，d e 1 E s e a i l l e F，D e K e u k e l e i r e D，e t a1 一D A D，C EM S a n d C E M S 2 J】J P h a n n B i o m e d A n a l y s i s o fb e

28、n z o d i a z e p i n e s i n d y n a mi c a l l y c o a t e d c a p i l l a r i e s b y cE A n a 1。2 O O 4，3 4【3)：5 9 5 6 0 6 Tr i me t h y l s fly l-b o n d e d p h a s e mi c r o e mu l s i o n c a p i l l a r y e l e c t r o k i n e fic c h r o ma t o g r a p h y XI E皿m巾i I l gZ HANG J i ma-f u

29、(D e p a r t m e n t o f C h e mi s t r y I Z h o u k o u N o r ma l U n i v e r s i t y，Z h o u k o u 4 6 6 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：B a s e d o n t h e s mma r y o fc a p i l l a r y de c t rok i n e fi e c h r o ma t o g r a p h y，n o v e l t r i me thy l s i l y lb o n d e d p h a s e mi c

30、 o e mu l s i o n c a p e l ect r o k i n e fi c c h r o ma t o g r a p h y i s p u t f o r w a r d Al s o，the me a n i n g i s a n a l y z e d t h a t t h i s n o v e l l n o d e c a I I p romo t e the a p p U-ti o n o f c 印 ma r y e l c c t rop h o r e s i s i n the fi e l d o f g e n e r a l i n

31、d u s t r i a l a n a l y s i s K e y w o r d s：m i c r o e m u l s i o n；c a p i I l 8 r y e l e c t ro k i n e t i e c h r o m a t o g r a p h y；t n m e th y h i l y l；c h e m i c a l l y b o n d e d p h a s e c h 砌1 吨 l p h y；c 印 de c t rop h o r esi s (上接第 2 9页)2 0 王永华，杨博 浅谈纳米材料的抗茵实验方法 J 材料开发与应用

32、，2 0 0 1，(1)：3 4-3 6 Na no me t e r ma t e r i a l a nd i t s a p p l i c a t i o n L I U Ku i h，L I J i a n (D e p a r t m e n t o f P h y s i c s，Z h o u k o u T e c h e r s C o l l e g e，Z h o u k o u 4 6 6 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e c o n c e p t，c l a s s i fic a ti o n，c h a r a c t

33、e r i s ti c，p r e p a r a ti o n a n d s y nt h e ti c me tho d s o f n a n o me t e r ma t e r i a l a r e i n t rod u x d Th e a p p l i c a t i o n s o f n a n o me t e r ma t e ria l s i n the i n d u s t r y，me d i c i n e，l i f e a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c ti o n a I e i n t r

34、odu c e d d e t a i l T h e p rob l e ms e x s i t e d i n o u r c o u n t r y i n the a s p t s 0 f n a n o me t e r ma t e r i a l ind u s t r y a r e dis c u s s e d a n d the d e v e l o p me n t p r o p e e t o f n a n o me t e r ma t e ria l ind u s t r y i s p o i n t e d o u t Ke y wo r d s：n a n o me t e r ma t e ri a l；e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n；n a n o me t e r ma t e rial i n d u s t r y 维普资讯 http:/