纳米材料论文
纳米材料论文
姓名：王骞
学号：2012301040055
学院：化学与分子科学学院
摘要：21世纪，纳米技术，纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的结构类型和基本特性以及其在催化，生物医学，化工，国防等方面的主要应用，并着重介绍了其在化学领域的应用，如纳米金，石墨烯，二氧化钛，氧化锌纳米线等等。
关键字：纳米材料性能氧化锌二氧化钛石墨烯纳米金
纳米材料是什么
纳米材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料, 它是以组成纳米材料的结构单元——晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的。目前, 国际上将处于1-100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体, 以及由纳米微晶所构成的材料, 统之为纳米材料, 包括金属，非金属，有机，无机和生物等多种粉末材料。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。
纳米材料的结构类型与基本特性
纳米粒子改性复合材料可以涉及结构，功能及智能等各个方面, 分类的方法甚多。为了叙述方便,按照纳米结构材料的空间维数可以分为4 种类型。1.零维的原子簇和原子簇的集合（0-0复合）采用不同成分，不同相或不同类型的纳米粒子复合而成纳米固体。2.一维的多层薄膜（0-1复合）把纳米粒子分散到线性固体材料中, 制成线体材料。一般不是直接复合。3.二维的超细颗粒覆盖膜（0-2复合）把纳米粉末分散到二维薄膜材料中, 这种0- 2 复合材料又可分为均匀分布和非均匀弥散两大类。非均匀分布粒子可以是随机、混乱地分散在薄膜基底中, 也可以是人为、有侧重地为满足某种局部的特殊需求而安排。3.三维的纳米块体材料（0-3复合）把纳米粒子分散或埋置到常规的三维固体中,用这种方法获得的固体材料性能稳定优越, 材料本身适用范围广泛, 故应用最多。例如介孔固体作为纳米复合材料的母体, 通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中( 孔洞尺寸为纳米或亚微米级) ,这样的介孔复合体便成了纳米复合材料, 用以释放药物或赋予新理化性能等等。由于粒子填充分布的组态不尽相同, 这种材料将显示出多种多样的微观性质。
纳米材料的特性主要有：1.表面效应：指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化, 如图1所示。从图1中可以看出, 粒径在10nm 以下, 将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm 时, 表面原子数比例达到约90% 以上, 原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多, 带来表面原子配位数不足, 使之具有很高的表面化学活性, 所以, 金属纳米粒子在空气中易自燃, 无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应。表面效应主要表现为:熔点降低，比热增大。2.尺寸效应：指由于颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化。随着纳米微粒尺寸的减小, 与体积成比例的能量, 如磁各向异性等亦相应降低, 当体积能与热能相当或更小时, 会发生强磁状态向超顺磁状态转变。当颗粒尺寸与光波的波长, 传导电子德布罗意波
长, 超导体的相干长度或投射深度等物理特征尺度相当或更小时, 会产生光的等离子共振频移, 介电常数与超导性能的变化。3.体积效应：由于纳米粒子体积极小, 所包含的原子数很少。因此, 许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同, 就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明, 这种特殊的现象通常称之为体积效应。4.量子效应：介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒, 将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级, 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时, 就会呈现一系列与宏观物体戳然不同的反常特性, 即量子效应。5.幻数结构：粒径小于2nm 的纳米粒子往往被称为原子簇。当原子簇含有某些原子数目时, 显得特别稳定, 这个特别数目称为幻数。原子簇的幻数与相应粒子的对称性、相互作用势有关。
纳米材料的应用
借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家在各个领域都取得了重大的进展，也同时促进了纳米材料应用越来越广泛化。
1.在催化方面：纳米粒子表面活性中心多，为它作为催化剂提供了必要的条件，纳米粒做催化剂，可大大提高反应速率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也可以发生，纳米粒做催化剂比一般催化剂反应速度提高10-15倍。例如半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能系的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化还原反应。
2.在生物医学方面的应用：细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
3.在其它精细化工方面的应用：精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入Al2O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。
4.在国防科技的应用：纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。
化学中的纳米世界
1.纳米金：指金的微小颗粒，其直径在1～100nm，具有高电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性。由氯金酸通过还原法可以方便地制备各种不同粒径的纳米金，其颜色依直径大小而呈红色至紫色。作为现代四大标记技术之一的纳米金标记技术(nanogold labelling techique)，实质上是蛋白质等高分子被吸附到纳米金颗粒表面的包被过程。可作为显微镜示踪物，应用于均相溶胶颗粒免疫测定技术，应用于流式细胞仪，应用于斑点免疫金银染色技术，应用于免疫印迹技术，应用于斑点金免疫渗滤测定技术，应用于免疫层析技术，生物传感器，生物芯片等等。
2.石墨烯，二氧化钛：半导体的光催化原理是：照射到半导体上的光能量能够将其中的电子从价带激发到导带，产生具有极高氧化能力的电子(e-) -空穴(h+)对，并氧化催化表面的有机物、蛋白等生成二氧化碳和水，从而达到自清洁效果。该技术可降解的物质包括有机物、无机物、蛋白质等，且无二次污染。在半导体材料中二氧化钛以其光敏性高、
氧化活性强、化学稳定性好、无毒及成本低等优点而倍受关注。TiO
2纳米管阵列（TiO
2
nanotubes array ,TiO
2
NTAs）具有大的比表面积，同时为空穴-电子提供了传输通道，在
生物传感器等领域具有很好的应用前景。而对其进行掺杂，提高导电性和检测灵敏度是拓
宽TiO
2
NTAs 在生物传感器应用中的一种有效途径。例如ITO（氧化铟锡）微电极阵，与在ITO导电玻璃上光刻，做成微电极阵，在电极上先沉积一层石墨烯，在将其还原，在石墨烯上在沉积一层二氧化钛，在二氧化钛上再沉积一层石墨烯并将其还原，形成
ITO-IGO-Ti O
2
-IGO电极，由于二氧化钛球比较大，两层石墨烯可以将其包裹而导电，从而可以完成对细胞多巴胺的检测，而且是一种自清洁电极，用过后水洗在紫外线下光照几分钟之后就可以再次使用。
3.氧化锌纳米线：氧化锌作为一种新型的第二周期第四主族宽禁带，也是一种重要的直接宽带隙半导体。氧化锌的能隙为Eg为3. 37 eV的半导体材料,激子束缚能高达60 meV ,禁带宽度对应于紫外光波段 ,有望开发出蓝光、蓝绿光、紫外光等多种发光器件 ,现已在太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件、高温、高压等方面显示出了广泛的应用前景。特别是对于纳米 ZnO 来言 ,由于其具有量子尺寸效应、小尺寸效应和大的比表面积，纳米ZnO表现出了与固体材料不同的特殊性质,更具有很多奇特的性能。目前,纳米ZnO材料的研究已取得极大的进展 ,实验上已经合成了不同形貌、不同维度的ZnO纳米材料,如纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米带、纳米环、纳米盘等等。于ITO导电玻璃上生长纳米线，在其上沉积一层金，可以完成对细胞释放多巴胺的检测。
结语：纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。纳米技术将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向，相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代-纳米材料时代。
参考文献
[1] 周鸣纳米科技及纳米材料 2007.11.2
[2] 李林梅基于微流控芯片的细胞培养及实时电化学检测 2013.4