纳米材料的科学应用

配合物，通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶→凝胶而形成一种
空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶
瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2 纳米团。
2）纳米陶瓷的制备
• 从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程，除去孔隙， 以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。 方法有：
7.2.2 控释载药纳米微粒
• 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它们是 粒子在10一500nm间的固体胶态粒子。它与以往 的控释制剂不同，载药纳米微粒的控释过程具有 其特定的规定，囊壁溶解和微生物的作用，均可 使囊心物质向外扩散。将药物制成纳米制剂后， 不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的 特性，使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治 疗。
7.1.2 磁学性能的应用
• 纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性 状态，例如α -Fe、Fe304和α -Fe203粒径分别为 5nm、16nm、20nm时转变为超顾磁性。另外纳 米颗粒材料还可能具有高的矫顽力、巨磁电阻、 magnetocaloric效应等性能。因此可用于制备磁 致冷材料、水磁材料、磁性液体、磁记录器件、 磁光元件、磁存储元件及磁探测器等磁元件。
• 通过分析纳米颗粒在各个方面的应用，充分展示 出纳米颗粒的广泛用途及其在材料科学中举足轻 重的地位。纳米颗粒诱人的应用前景使得人们对 它的研究越来越重视，也越来越深入。然而，从 研究到工业应用的过程中还有许多新的课题去探 索，如纳米颗粒的分散、纳米颗粒的表征、纳米 颗粒与微米粉体的混合技术及专用设备的开发等。 相信在科技工作者的努力下，必特有更多特殊性 能的纳米颊粒材料以及先进的工程应用技术不断 涌现。
• TiO2陶瓷材料不仅对O2、CO、H2等气体有较强的敏感性，而且还可 作为环境湿度传感器。
7.1.6 生物医学上的应用
• 纳米颗粒尺寸一般比生物体细胞要小得多， 这就为生物学研究提供了一个新途径：利 用纳米颗粒进行细胞分离、细胞染色及利 用纳米颗粒制成特殊药物或新型抗体进行 局部定向治疗等。
7.1.7 催化性能的应用
DNA插入细胞核DNA的准确点则取决于纳米粒子的大小和
结构。还有人研究了一种树突状物的多聚物，由于它有着
精确的纳米结构和表面与内部都可以携带分子的特性使之
成为一个很好的DNA导入细胞的载体。
7.2.6 纳米材料在成像、诊断上的应用
Applications of quantum dots as multimodal contrast agents in bioimaging.
第七讲 纳米材料的应用
7.1 纳米颗粒的应用 7.2 纳米材料在生物医药领域中的应用 7.3 纳米材料在工程领域中的应用
7.1 纳米颗粒的应用
• 7.1.1 力学性能的应用 纳米颗粒具有大的比表面积，活性大并具 有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧 结，致密化速度快、可降低烧结温度并提 高力学性能。近年来，用纳米颗粒强化为 目的的纳米陶瓷材料得到较大进展，为陶 瓷材料的发展提供了生机，大量以纳米颗 粒为原料或添加料的超硬、高强、高韧、 超塑性材料相继问世
（4）纳米陶瓷的制备
• 纳米陶瓷的制备工艺主要包括纳米粉体的制备、成型和烧结。
• 1）纳米陶瓷粉体的制备
•
① 气相合成：主要有气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法，这些方法较
具实用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型，它既可制备纳米
非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性，并
沉降法：如在固体衬底上沉降； 原位凝固法：在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外
管壁，然后用刮板刮下，直接经漏斗送人压缩器，压缩成一定形状的 块材； 烧结或热压法：烧结温度提高，增加了物质扩散率，也就增加了孔隙 消除的速率，但在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块 状纳米陶瓷材料。
不久将投入生产，磁电子传感器件的应用市场亦十分宽广。
一种新型磁性材料
• 西班牙蔬塞罗斯磁性材料实验室的科学家RomZioli领导的研究小组，已发明了一种新型磁性材料， 用它制造的变压器具有极高的效率，能量损耗比传统变压器小得多。 新型磁性材料是用直径仅8纳米的亚微观粒子嵌入固态基体制造的，也称"纳米复合材料"。Zioli 领导的研究小组将氧化铁纳米微粒加入一种甲醇基液体聚合物，然后将这种溶液冷却到4.2K的极低 温度，从而使其成为固体。所谓的固态基体就是甲醇基聚合物，基体中的氧化铁纳米微粒均匀地嵌 入其中，从而形成类似泡沫塑料的结构。其中的纳 起初牢牢地粘在基体上不运动，当在基体上加上 很小的磁场时，纳米微粒便能脱离基体并在它占据的空腔 中旋转。研究人员认为，它能旋转是因为 空腔表面以某种方式排斥这些纳米微粒。
7.1.3 电学性能的应用
• 纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独 特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝 线性，纳米钦酸铅、铁酸钡和钦酸钓等颗 粒由典型的铁电体变成了顺电体。可以利 用纳米颗粒来制做导电浆料、绝缘浆科、 电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、 压敏和非线形电阻及鹊绾徒榈绮牧系取
7.1.4 光学性能的应用
• 正是由于这些纳米微粒旋转，总使自己的磁场方向和外加磁场的方向保持一致，因此在外加磁场变 化时几乎不损失能量喧是以往的磁性材料不具备的性能。 这一新材料的出现，将为新一代超高效率电源变压器的诞生开辟道路。以往的变压器的铁芯在 交流电通过其线圈时会发热，这是因为能量以热能的形式损耗了。由于用纳米复合材料取代铁芯制 作的变压器几乎不发热，故能量损耗极小，因此，变压器可做得很小，效率却可 大大提高。 目前这种材料的缺点是只能在极低的温度下工作，因此Zioli领导的研究小组正在进一步探索能 在室温条件下具有极低能量损耗的变压器磁性材料。更新的磁性材料含有非磁性纳米微粒，具有更 好的声光性能和热力学性能。
• 纳米颗粒可表现出与同质 的大块物体不同的光学特 性，例如宽频带强吸收、 蓝移现象及新的发光现象， 从而可用于光反射材料、 光通讯、光存储、光开关、 光过滤材料、光导体发光 材料、光折变材料、光学 非线性元件、吸波隐身材 料和红外传感器等领域。
7.1.5 敏感性能的应用
• 纳米颗粒表面积巨大，表面活性高，对周围环境(温度、气氛、光、 湿度等)敏感，因此可用来制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功能 传感器。
（5）纳米陶瓷的特性
• 纳米陶瓷具有很高的力学性能 。 • 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，
包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低 温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学 性能，特别是在高温下使硬度、强度得以 较大的提高。
• 研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下 烧结就能达到致密化的优越性；纳米陶瓷 有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。
• 极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以显著降 低材料的烧结致密化程度、节约能源；使陶瓷材料的组成 结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用 可靠性；可以从纳米材料的结构层次（l～100nm）上控 制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性 能。
• 由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏 观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒 均匀长大，那么颗粒越小产生的缺陷越小，所制备的材料 的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具 备的独特性能。
• 以氧化锡为基体材料，并掺入适当的催化剂或填加剂，可制得对酒精、 氢气、硫化氢、一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感性能的气敏元 件。氧化锡对气体灵敏度高低与材料的比表面积有关，通常比表面积 越大，气体灵敏度越高。纳米氧化锡颗粒具有明显优越性能，具有更 高的气体灵敏度。目前用纳米SnO2颗粒膜制成的传感器已经实用化， 可用作气体泄漏报警器和湿度传感器，并且可以随着温度的变化有选 择地检测多种气体。
• 纳米颗粒表面原于所占体积百分数大，表 面键态和电子态与颊粒内部不同，原于配 位不全等导致表面的活性点增加，这些因 素使它具备了作为催化剂的基本条件。纳 米颊粒作为催化刑具有无细孔、无其它成 分、能自由选择组分、使用条件温和方便 等优点。
7.1.8 工业填料中的应用
• 无机填料的主要作用是增量以降低成本， 有时甚至以牺牲基体材料的性能为代价。 纳米颊粒填料不仅能起到增量效果，而且 能够提高基体材料的性能，尤其是经过表 面改性的纳米颊粒对基体的一些性能有着 良好的促进作用，应用前景很好。
7.2.4 载药磁性纳米微粒（物理靶向）
•
来自百度文库
载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新
型药物运载系统。这种载有高分子和蛋白的磁性
纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体(小鼠、
白兔)内后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性
导航，使药物移向病变部位，达到定向治疗的目
的。国内有实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒，
在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后证实其
7.3 纳米材料在工程领域中的应用
• 7.3.1 纳米陶瓷 （1）陶瓷的特点 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，因 其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀 以及质量轻、导热性能好等优点，在日常 生活及工业生产中起着举足轻重的作用。 但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，均匀 性差、可靠性低、韧性、强度较差，因而 使其应用受到了较大的限制。
7.1.9 其他应用
• 纳米Al2O3、Cr 2O3、SiO2颗粒由于其良好 的悬浮特性，可制成高精度抛光液，用于 高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛 光。纳米颊粒还是有效的助燃剂，例如在 火箭发射的固体燃料推进剂中添加1wt％纳 米铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加1 倍。纳米颊粒也可以用于印刷油墨，可以 不再依靠化学颜料而是选锋适当体积的纳 米颗粒来得到各种颜料。
7.2 纳米材料在生物医药领域中的应用
• 7.2.1 普通载药纳米微粒 • 这种剂型的出现背景是基于将一些药物通
过药剂学和纳米技术的高度结合，使原本 因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反 应较大而影响其使用的药物经特殊的方法 高度分散于药物载体中，制成载药纳米微 粒，用液体载体的流动形式给药，从而避 免了所提到的缺点。
具有抗体导向功能，并具有较高的磁响应性，具
有较强的靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了
结实的基础。
7.2.5 纳米微粒的基因治疗作用
•
一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治
疗目的。
•
如：国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作
用定位于细胞。将质子DNA浓缩至50—200nm大小且带
上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵，而最后反粒
7.2.3 靶向定位载药纳米微粒
• 靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为 先进的细胞内结构的三级靶向治疗，从而 达到病灶部位缓慢释放药物，维持长期局 部有效的药物浓度。此类微粒是根据临床 需要，通过选用对机体各种组织或病变部 位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单 克隆抗体与载体结合，以使药物能够输送 到治疗期望达到的特定部位，因而称之为 靶向定位给药。
纳米磁性材料是 20 世纪 70 年代后逐步产生、发展、壮大而
成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。美国政府
2007年大幅度追加纳米科技研究经费，其原因之一是磁电子
器件巨大的市场与高科技所带来的高利润，其中巨磁电阻效应
高密度读出磁头的市场估计为 10 亿美元，目前已进入大规模
的工业生产，磁随机存储器的市场估计为 1 千亿美元，预计
且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气
态，以产生悬浮微粒和或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及
蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3～4nm，是制备纳米陶瓷最有希望的
途径之一。
•
② 凝聚相合成（溶胶一凝胶法）：是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成
（2）纳米陶瓷
• 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具 有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺 寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等 都是在纳米量级的水平上。要制备纳米陶 瓷 ,这就需要解决 ：粉体尺寸、形貌和分布 的控制 、团聚体的控制和分散 、块体形态、 缺陷、粗糙度以及成分的控制。
（3）纳米陶瓷粉体的优良性能：
• 在微米级基体中引入纳米分散相进行复合， 可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2～4倍， 使最高使用温度提高400～600℃，同时还可 提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性 和抗疲劳破坏性能。
7.3.2 纳米磁性材料
•
磁性是物质的基本属性之一，任何物质都有磁性，只是
强弱不同而已。磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料，