浅谈纳米材料应用及发展前景

Jiangsu University

浅谈纳米材料应用及发展前景

摘要

纳米材料展现了异常的力学、电学、磁学、光学特性、敏感特性和催化以及光活性，为新材料的发展开辟了一个崭新的研究和应用领域。纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一，被认为是世纪的又一次产业革命。纳米材料向国民经济和高新科技等各个领域的渗透以及对人类社会的进步的影响是难以估计的。

关键词：纳米材料；纳米应用；量子尺寸效应

1.前言

纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构，只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。

在工程方面，纳米材料80年代初发展起来的，纳米材料其粒径范围在1—100nm之间，故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各

国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破；我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目[1]。美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心”[2]。

2.纳米材料的制备

现行的纳米材料制备方法很多。但是真正能够高效低成本制备纳米材料的方法还是现在各个国家研究的重点。目前已报的工艺方法主要有以下几种：物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金融合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。

3.纳米材料的主要应用

3.1纳米材料在工程方面的应用

纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC 等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结,另一方面,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度,缩短烧结时间。纳米粉体可用于改善陶瓷的性能，其原因在于微小的纳米微粒不仅比表面积大，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。目前这方面已有不少实验室成果。高强度铝基陶瓷中添加的纳米粉，可提高材料的弯曲强度和结构强度。用做磁性滑动触头的非磁性陶瓷中，添加的纳米粉体，可使陶瓷具有与磁性薄膜相同的热膨胀系数和良好的选择性。另外，陶瓷材料通常是宏观脆性材料，当其晶粒尺寸达到纳米量级时，可变成宏观塑性材料，可加工性能有明显改善，有望用于航天飞行器。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应,使得纳米复相材料的熔点和相转变温度下降,在较低的温度下即可得到烧结性能良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现良好的延展性。纳米TiO2陶瓷在室温下具有良好的韧性, 在180°C下经受弯曲而不产生裂纹[3]。纳米复合陶瓷具有良好的室温和高温力学性能,在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用,在许多超高温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微电子器件的包封、电容器、传感器等方面的应用,利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料,使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中,可以明显改善玻璃的脆性[4]。无机纳米颗粒具有很好的流动性,可以用来制备在某些特殊场合下使用的固体润滑剂。

3.2纳米材料在催化方面的应用

纳米材料在光催化方面应用广泛，通过光催化，形成强氧化性的离子，将表面的物质氧化分解。纳米粒子对催化氧化、裂解反应都具有很高的活性和选择性，对光解水制氢和一些有机合成反应有明显的

光催化活性。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍，如用纳米粒子做光解水催化剂，比常规催化剂产率提高2-3个数量级，用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5mm 以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率急剧增大。利用光催化性能，将纳米材料应用在家装涂料里面，能够将新装房屋内的有害物质氧化分解，使环境更加环保。

3.3在医学和生物工程上的应用

21世纪的健康科学将以出人意料的速度向前发展,人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗已提到研究日程上来。在这方面,纳米材料很可能担任重要角色。美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物,称之为“定向导弹”,该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物,注射到人体血管中,通过磁场导航输送到病变部位,然后释放药物[4]。由于纳米粒子的小尺寸使得它们可以在血管中自由流动,因此可以用来检查身体各部位的病变和治疗。纳米微粒在临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也开展了大量的研究工作。微粒和纳粒作为给药系统,其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应[5]。纳米系统主要用于毒副作用大,生物半衰期短,易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,

深化人们对生理及病理的解释。

3.4在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,并且影响到人类生活的方方面面,纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音, 并显示它的独特魅力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域,纳米材料都能发挥其重要作用。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。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇,涂料中添加不同成分的纳米材料,可使涂料的功能化大为提高。例如可使涂料具有耐磨、耐腐蚀、隔热、阻燃等多种性能。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,使其密封性和粘和性都大为提高。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。随着纳米科学技术的发展,会有越来越多的纳米材料在精细化工方面得到应用。

3.5在微型半导体器件方面的应用

量子器件的研究核心是减少材料的维数,迫使电子处于不同能态,制造出可控能态的材料,如量子阶、量子线和量子点,并将其加工成工作器件。微型半导体器件是半导体纳米材料的一个最重要的应用。以量子效应为基础的纳米器件是纳米组装体系的产物,它包括纳米有序(无序)陈列结构、纳米微粒与介空固体组装体系、金属/半导体组装