纳米材料与纳米技术的应用

知识介绍 　　　　　　纳米材料与纳米技术的应用 　　　　　　杨　芸　刘　渝　张改莲 　　　　　　　　　　(北京师范大学化学系 　100875) 　　摘要　纳米材料和纳米技术在当今新材料领域中最富有活力 ,它们很可能成为下一世纪前 20 年的主导技术 ,纳米材料和纳米技术的应用几乎涉及现代化工业的各个领域。本文主要对纳米材 料和纳米技术在各个领域的应用予以叙述。 关键词 　纳米材料 　纳米技术 　纳米颗粒 　应用 　　“纳米材料”这一名称出现在 80 年代 ,它特指粒 径为 1 至 100nm (1nm = 10 - 9 m) 的颗粒。纳米技术 包括纳米材料的制备技术、纳米颗粒 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的控制、改 性和修饰技术 ,以及把纳米材料应用到各个领域和 各种产品上的关键技术。事实上 ,世界上早就有纳 米颗粒存在 ,只是到 80 年代 ,科学家才惊奇地发现 , 由几个到几千个原子组成的纳米颗粒既不同于宏观 的大块物体 ,也不同于单个的原子和分子 ,而是一个 颇具“个性”的奇特的群体。 此后 ,关于纳米材料的制备 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 、性能及应用研 究逐渐引起了各国科学家和政府的高度重视。在世 纪交替之际 ,有人预言 ,纳米技术可能成为下一世纪 的主导技术 ,美国科学技术委员会则把“启动纳米技 术的 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 看作是下一次的工业革命的核心”[1 ] 。之 所以受到如此的重视 ,是因为纳米材料和纳米技术 的应用几乎涉及现代化工业的各个领域。 纳米材料是由纳米颗粒组成的。纳米颗粒中的 电子被局限在一个十分微小的纳米空间里 ,电子运 输受到限制 ,电子的平均自由程短 ,使电子的局域性 和相干性增强。与宏观物体相比 ,纳米颗粒所包含 的原子数大大减少 ,因此宏观固定的准连续能带消 失 ,能级分裂 ,呈现量子化。这些实质性变化 ,使得 纳米材料在光、电、热、磁等物理性质方面和宏观材 料有很大的不同 ,并展现出十分广泛的应用前景。 以计算机为例 :科学家及时把纳米材料引入到 计算机工业 ,已成功地制备出各种元件。1988 年 , 法国科学家在研究 Fe/ Cr 多层膜时首次发现了巨磁 阻效应 ,即 :在一定的磁场下物质 (金属或合金)电阻 急剧减小的现象。Fe/ Cu、Fe/ Al 等纳米结构的多层 膜有显著的巨磁阻效应。1994 年 IBM 公司研制出 的巨磁阻效应的读出磁头 ,使磁盘记录密度提高了 17 倍。1997 年 ,以巨磁阻为原理的纳米结构器件在 美国研制成功 ,它将应用于计算机读出磁头、磁存 储、磁记忆等方面。巨磁阻材料在不同磁化状态下 具有不同的电阻值 ,利用这一特性制成随机存储器 (MRAM) ,在无电源的情况下可以继续保留信息。 1998 年 ,美国首次研制出由磁性纳米棒组成的“量 子磁盘”。该磁盘记录密度预计可达 400 Gb/ in2 ,相 当于每平方英寸可存储 20 万部红楼梦 ,其极限磁记 录的理论值可达 6 000 Gb/ in2[ 2 ]、[ 3 ] 。1999 年 ,100 nm 的芯片又在美国诞生了。由此可见 ,纳米材料 的引入将引起计算机革命。 随着纳米技术对生物学领域的迅速渗透 ,医学 以至人类的生活方式将出现革命性的变革 ,这一点 在了解细胞的生命过程以及纳米技术的特征后是不 难理解的。 我们知道 ,细胞是生命的最小单位 ,同时又是一 个活的微型机器 ,其中的酶分子即是活的微型机器 人。蛋白构象的变化使酶分子中不同结构域的动作 恰如微型机器人在搬动和重新安排底物分子的原子 排列顺序[4 ] 。细胞中的结构单元是具有某种特定 功能的微型机器。例如 :核糖体是遵照基因密码的 指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的机器 ;膜囊 泡则按照信号肽的指令负责运送蛋白质到确定的部 位 ;高尔基器负责对蛋白质进行修饰 ;蛋白质完成了 功能使命后被贴上标签送去水解成氨基酸备用。细 胞的生命过程就是这样不断交替更新的。 纳米技术是人工可以在分子的层次上进行不同 的组装。因此 ,也就可以模拟生命过程中功能不同 的活的微型机器人的特性 ,组装出各种纳米机器人 , ·3·2001 年第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　化 　学 　教 　育 使其在生命过程中发挥同样的作用。科学家设想制 造出负责清扫血管的纳米机器人 ,专门清扫血管壁 上的胆固醇等沉积物 ,以预防心血管病 ,同时也可以 制作出清扫体内癌细胞等的机器人。在纳米技术的 参与下 ,生命将不再神秘。事实上 ,科学家通过显微 镜操作技术已将果蝇的染色体基因进行移动 ,结果 培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀 ,甚至把果蝇 的眼睛、翅膀挪动位置。用纳米技术去操纵基因排 列将更加神奇 ,可以对错误的基因进行修正 ,从而治 疗各种疾病。瑞典科学家用黄金和多层聚合物制作 的微型医用机器人 ,可移动并捡起肉眼看不见的玻 璃珠 ,它将用于在人体内移动单个细胞 ,成为微型手 术器械。 早在 50 年代 ,人们就已经开始研究金属纳米颗 粒的催化性能 ,只不过在那时 ,纳米还没有成为一个 系统的概念。他们发现 ,在一定的条件下 ,金属纳米 颗粒催化断裂 H —H、C —C 和 C —O 键的活性很强。 这主要是因为催化反应是在催化剂表面进行的 ,而 纳米材料的表面原子所占的比例很大 ,同时表面原 子数和总原子数之比随粒径的减小而增大 (一般占 总原子数的 50 %左右) ,所以它具有很高的比表面 积和表面能 ,表面的键态和电子态和颗粒内部不同 , 表面原子配位不全等原因 ,导致活性点多 ,因此和传 统的催化剂相比 ,纳米材料的催化活性和选择性都 大大提高。 纳米颗粒催化剂主要分为以下几类 :即金属纳 米粒子催化剂和带有衬底的金属纳米粒子催化剂 , 第三种是碳化钨、γ2Al2O3 、γ2Fe2O3 等纳米粒子聚合 或者是分散在载体上。 金属纳米粒子催化剂主要以贵金属为主。如 Pt 、Pd、Rh 等 ,此外还包括一些非贵金属 ,如 Ni、Fe、 Co 等。 例如 ,以粒径为 30 nm 的 Ni 微粒来催化环辛二 烯的加氢反应时 ,选择性为 210 ,而传统的 Ni 催化 剂的选择性仅为 24。又如 ,银纳米颗粒可以催化氧 化乙烯 ,其活性要比传统的催化剂要高许多。 带有衬底的金属纳米粒子催化剂主要是以氧化 物为载体 ,把粒径为 1 至 10 nm 的金属粒子分散到 多孔的衬底上。例如将 3 至 4 nm Pd 微粒负载在 TiO2 上 ,在常温常压下催化 1 ,22二己烯加氢反应 , 转化率可以达到 100 % ,而常用的工业 Pd 催化剂在 相同的反应时间里仅可得到 29117 %的己烷。又 如 ,将 Au 纳米粒子固载在 Fe2O3 、CO3O4 等上 ,在 70 ℃时就表现出了较高的催化氧化活性。 纳米级催化剂还正处于实验室阶段 ,例如 :三效 催化剂广泛应用于汽车尾气处理 ,效果并不理想 ,但 加入纳米级的复合稀土氧化物后 ,对尾气的净化特 别明显 ,尾气中的 CO、NOx 几乎完全转化了。同样 纳米 TiO2 可以用来降解有机磷 ,催化降解毛纺染整 废水 ,还可以降解石油 ,从而解决了有关的污染问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 纳米技术及其应用研究的发展 ,为陶瓷行业的 发展增加了新的活力。 纳米粉体可用于陶瓷的改性 ,这是因为微小的 纳米颗粒不仅比表面积大 ,而且扩散速度快 ,因而进 行烧结时致密化的速度就快 ,烧结温度也低。目前 , 这方面已经有不少实验室成果。西欧、美国等国家 的科学家正在做中间生产的转化工作。例如 ,在粗 晶粉体中添加 Al2O3 的纳米粉 ,可以提高氧化铝的 致密度和耐热疲劳性 ;把 Al2O3 和 ZrO2 纳米粉混合 后 ,可得到高韧性的陶瓷材料 ,并且烧结温度降低了 100 ℃。长期以来 ,作为微电子工业的主要材料之一 的氧化铝基板材料 ,我国一直依靠进口。最近 ,我国 科技工作者制备了添加纳米氧化铝的基板材料 ,其 光洁度、冷热疲劳、断裂韧性都大大提高 ,热导系数 也比常规材料提高了 20 %。高性能纳米陶瓷的发 展还在于保证纳米粉体的质量 ,实现微粒粒径大小 和分布、形状的可控以及粉体的无团聚 ,这些是发展 新型陶瓷的可靠基础。 虽然纳米材料的发展历史很短暂 ,但它已经慢 慢从实验室中进入到寻常百姓中 ,渗透到了我们衣、 食、住、行的各个方面。 纳米材料的运用可使得许多传统产品改头换 面。传统的彩电等家用电器的外壳一般都是黑色 的。这主要是由于需要利用树脂加炭黑来进行静电 屏蔽 ,而今 ,日本松下公司已经研制出 Fe2O3 、TiO2 等纳米涂料 ,既有屏蔽作用 ,又具不同色彩 ,从而克 服了用炭黑静电屏蔽只有单一颜色的局限性 ,使得 彩色电视机终于成为名副其实的“彩色”家电。 又如 ,在化纤制品和纺织品中添加纳米颗粒 ,可 以起到除味杀菌的作用 ;而把纳米颗粒加入到油墨 中也可改善油墨的流动性。 在烈日炎炎的夏天 ,防晒成了人们所关注的一 件事情。在防晒品中加入表面覆盖力强、对身体无 害的高聚物的纳米颗粒 ,既可增强防晒品的防紫外 线的能力 ,同时还改善了防晒品的性能 ,真可谓一举 两得。 由于微粒的粒径极小 ,其比表面积大大增加 ,例 ·4· 化 　学 　教 　育 　　　　　　　　　　　　　　　2001 年第 3 期 如当粒径为 5 nm 时 ,表面原子占 50 % ,而当粒径为 2 nm 时 ,表面原子增加到 80 % ,这种键态的严重失 配产生了许多活性中心 ,使得纳米材料具有极强的 吸附能力 ,因而可以轻松捕获各种促使物质腐败变 质的氧原子、氧自由基 ,以及产生其他异味的烷烃类 分子。 根据纳米材料的这一性质 ,把纳米颗粒添加到 纤维制品中 ,可以使纤维制品具有除味杀菌的作用 , 具有除臭功能的医用纱布就是这个道理。无菌冰箱 则是因为在冰箱的塑料中添加了纳米材料。 纳米材料在其他领域的应用也十分广泛。如在 军事领域中 ,可以将纳米材料应用于隐身技术。例 如 ,美国 F117A 型飞机的隐身材料中就含有多种纳 米颗粒 ,它们对不同波段的电磁波有很强的吸收能 力。 此外 ,纳米材料还可作为有效的助燃剂。如纳 米铁粉可以用来作为固体燃料的助燃剂。有趣的 是 ,有些纳米材料却具有阻止燃烧的功能 ,若把它们 加入到建筑材料中去 ,则可以提高建筑材料的防火 性能。 纳米材料的应用领域极为广泛 ,可以说它已经 渗透到了方方面面。可以预见 ,过去人们所设想的 可以揣在口袋里的计算机 ,能进入人体内任何地方 的机器人等等这些“天方夜谭”,都会随着纳米材料 和纳米技术的研究发展而得到实现 ! 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 　张立德. 纳米材料和技术的战略地位、发展趋势和应用. 纳米技 术产业专刊 ,2000 , (3～4) :4 [ 2 ] 　都有为. 纳米磁性材料及应用. 工程科技论坛 (三) ,23 [ 3 ] 　张立德. 纳米材料和技术的战略地位、发展趋势和应用机遇. 工 程科技论坛 (三) ,1 [ 4 ] 　徐建兴. 纳米技术时代的生物物理学发展. 纳米技术产业专刊 , 2000 , (3～4) :15～16 The Applications of Nano - materials and Nano - techniques YAN G Yun L IU Yu ZHAN G Gailian (Department of Chemistry , Beijing Normal University , 100875) Abstract 　Nano - materials and nano - techniques , the most att ractive fields in the current material area , will be the leading echniques in the first 20 years of the century. The applications of nano - materials and nano - techniques are almost involved in every field of modern industry. This paper mainly describes the applications of nano - materials and nano - techniques in vairous fields. Keywords 　nano - materials , nano - techniques , nano - particles , application ★会议报道★ 湖北省初中化学“不同课型教学法” 课题研究经验推广会在当阳市召开 　　湖北省初中化学“不同课型教学法”课题研究经 验推广会于 2000 年 11 月 14 日至 17 日在当阳市召 开。湖北省教研室化学室主任夏正盛老师主持会 议 ,各地、市、州化学教研专家和化学骨干教师共 210 多人参加了会议。会议听取了当阳市教研室化 学教研员朱吉杰老师的主题报告和实验中学宋万明 老师及建设中学曹孙梁老师的分报告 ,听了本教法 3 种典型课型的示范课 ,代表们还到实验中学现场 观看了实验展览、录像、实验过程档案 ,与所有实验 教师进行了广泛深入的交流。与会代表一致认为 , 当阳市初中化学“不同课型教学法”课题组的成果 , 在教育理论上特色鲜明 ,教学模式可借鉴性强 ,这一 成果代表着湖北省同类课题研究的先进水平。夏正 盛老师要求与会代表要联系当地实际创造性地学习 当阳市课题的经验 ,特别是要学习当阳市课题组成 员先进的教育观念 ,立足于“人的可持续发展”,来促 进社会的可持续发展。 初中化学“不同课型教学法”是湖北省率先起步 研究的服务于素质教育 ,服务于农村“小康后”教育 的操作方法。该课题以马克思主义哲学原理和教育 经济学原理为理论支撑 ,吸收了中国“启发式”的精 髓 ,它不追求单一机械的教学模式 ,而强调具体问题 具体分析 ;它不但思考教学技巧而且强调学科教育 (下转第 26 页) ·5·2001 年第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　化 　学 　教 　育