纳米材料及其应用

浅谈纳米材料及其应用

摘要：随着纳米科技的迅速发展，纳米材料的应用越来越广泛，文章从这个角度出发，介绍了纳米和纳米材料的定义及纳米材料的基本性质，同时，从日常生活、生物医学、信息领域介绍了它的应用。

关键词：纳米；纳米材料；应用

20世纪80年代初发展起来的纳米材料，由于尺寸小、结构特殊，具有许多奇异的物理和化学特性，在医药、制造业、环境工程、生活日用品、通信等多个领域具有广泛的应用前景，享有“跨世纪的新材料”之称。

1 纳米和纳米材料的定义

纳米（符号为nm）和厘米、分米和米一样是长度单位，一纳米等于十的负九次方米，相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小，而我们人类的一根头发的直径一般为7000-8000纳米。

纳米材料：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。

2 纳米材料的基本性质

2.1 小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶体态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减

小，导致声、光、电磁，热力学等物性发生变化，这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。例如：高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

2.2 表面效应

物质的尺寸减小到纳米级时，将引起物质表面原子数、表面积、表面能的迅速增加，从而引起物质的化学活性、物理性质的明显变化。例如：5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。

2.3 量子尺寸效应

随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。例如：粒径为20nm的银微粒在温度为1k 时出现由导体变为绝缘体的现象。

2.4 宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。例如：扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道效应。

3 纳米材料的应用

随着纳米科技的迅速发展，纳米材料的应用越来越广泛，正在极大地改善我们的生活。

3.1 纳米材料在生活领域的应用

衣：例如我们穿的衣服，如果在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以起到除味杀菌和自动清洁的作用；我们都知道化纤布虽然结实，但总会起静电，如果加入少量金属纳米微粒就可以消除烦人的静电。

食：我们利用纳米材料制作的冰箱可以抗菌，可以做成无菌的餐具和食品包装等；利用纳米的粉末，可以使废水彻底变清澈，完全达到引用标准。

住：利用纳米技术可以使墙面涂料的耐洗刷性提高10倍；在玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，不用擦洗；含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。行：用纳米材料可以提高和改进交通性能指标；纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，这样就能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。

3.2 纳米材料在生物医学领域的应用

（1）靶向定位载药纳米颗粒

靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到细胞内结构的三级靶向治疗，从而达到向病灶部位缓慢释放药物，维持长期局部有效的药物浓度，实现靶向定位给药，这样，既能大大减少药物对人体其他部位的副作用，又能对病情实现有效地治疗。

（2）载药磁性纳米颗粒

它是将有高分子和蛋白质分子的磁性纳米粒子作为药物载体静

脉注射到人体或动物体内，在外加磁场的作用下，通过纳米粒子的磁性导航，将药物送到病变部位，从而到达定向治疗的目的。（3）纳米基因载体

一些特殊的纳米粒子可以进入细胞结构达到基因治疗的目的。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；还有人研究了一种树突状的多聚物，发现它可以成为一个很好的dna导入细胞的载体，即具有纳米基因载体的作用。

（4）用作生物器件

使用纳米技术制成的微型药物输送器，可在体外电磁信号的引导下准确地把药物送入人体，并主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和dna诊断出各种疾病。用纳米材料制成的微型机器人，能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可以用来“嚼碎”泌尿系统的结实等。

3.3 纳米材料在信息领域的应用

3.3.1 纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件，更小、更快、更低能耗，而且信息存储量更大。

3.3.2 纳米信息材料主要包括以下三大类型：

（1）纳米电子材料

单电子晶体管；该晶体若为金属一般为几个纳米，若为半导体一般为几十个纳米，它们充分放电时，表现出电荷传输的量子化行为，即电子不能集体传输，而是一个一个的单电子传输。

单电子存储器：利用库仑阻塞效应和库仑振荡可以控制纳米颗粒中单电子的迁移和驻留，可见，单电子存储器很适合用作高密度储存器。

纳米芯片：即集成电路块，随着集成电路集成度的不断提高，芯片中集成电路的条宽已经小到0.3微米以下，若再缩小，将受到一些列物理原理的限制。为了使电脑更加智能化、人性化、需要进一步提高芯片的集成度，这就要突破芯片原有的设计原理，向纳米芯片进军。

纳米电脑：主要有量子计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑、神经电脑。

（2）纳米光学材料

光子晶体：光子晶体具有一个完整的光子禁带和光子局域，所以它的应用非常广泛。比如：高功率低损耗反射镜、光子选频滤波器等。

光子储存器：它的最大优点是：超高的记录速度、超高的分辨率、超高的存储密度。

光电脑：它是由激光器、透镜、反射镜组成的电脑。它是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对信息进行处理的，其处理信息的速度可到现有半导体硅器件的1000倍。而且不同光束相交时可以互不影响地独立进行传播。这使得光电脑能够在非常小的空间里开辟出很多平行的信息通道。

（3）纳米磁性材料