纳米材料的研究进展以及应用前景研究

纳米材料的研究进展以及应用现状1.绪论从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1~100纳米范围内的一种固体材料。

主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。

因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。

这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。

目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。

纳米科学技术也引起了科学家的重视，在当代的科学界有着举足轻重的地位。

纳米技术的范围包括纳米加工技术、纳米测量技术，纳米材料技术等。

其中纳米材料技术主要应用于材料的生产，主要包括航天材料、生物技术材料，超声波材料等等。

从1861年开始，因为胶体化学的建立，人们开始了对直径为1~100纳米粒子的研究工作。

然而真正意义上的研究工作可以追溯到20世纪30年代的日本为了战争的胜利进行了“沉烟实验”，由于当时科技水平落后研究失败。

2.纳米材料的应用现状研究表明在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，不仅可以除去异味和消毒。

还使得衣服不易出现折叠的痕迹。

很多衣服都是纤维材料制成的，通常衣服上都会出现静电现象，在衣服中加入金属纳米微粒就可消除静电现象。

利用纳米材料，冰箱可以消毒。

利用纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经可以在商场买到了。

另外利用纳米粉末，可以快速使废水彻底变清水，完全达到饮用标准。

这个技术可以提高水的重复使用率，可以运用到化学工业中。

比如污水处理厂、化肥厂等，一方面使得水资源可以再次利用，另一方面节约资源。

纳米技术还可以应用到食品加工领域，有益健康。

纳米技术运用到建筑的装修领域，可以使墙面涂料的耐洗刷性可提高11倍。

玻璃和瓷砖表面涂上纳米材料，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。

这样就可以节约成本，提高装修公司的经济效益。

使用纳米微粒的建筑材料，可以高效快速吸收对人体有害的紫外线。

纳米材料可以提高汽车、轮船，飞机性能指标。

纳米陶瓷未来很有可能成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的重要材料，不仅可以大大提高发动机性能、还可以延长工作寿命和增强可靠性。

纳米卫星发射升空可以随时随地监测宇航员安全驾驶。

在生物医疗领域里，采用纳米技术制成的大型药物输送器，可以携带一定剂量的药物，在体外电磁信号的引导下可以准确到达身体的各个部位，不仅有效地起到治疗作用，还可以减轻疼痛感并减轻药物的不良的反映。

纳米材料的运用市场是十分广的，纳米技术带来的经济效益也是不可低估的。

根据国际上的一些权威机构预测，2012年由纳米技术创造的经济效益将会达到15000亿美元，纳米技术在未来几十年的应用范围将会超过互联网。

纳米材料、玻璃、带来的技术进步，纳米涂料的运用和发展，将会给传统建筑公司、装饰公司造成巨大的技术冲击。

很多传统行业也会随之发生改变。

国内科学家指出，传统的建筑、化学、生物医药、工业制造，通讯设备等领域，将会迎来新的一次“技术革命”现在国际上用纳米技术注册的企业已经超过1000家，同时这些企业建立了纳米材料和纳米技术的工厂和标准化的生产车间。

纳米玻璃、纳米涂料，已经在市场上得到了广泛的应用。

这些技术将会进一步打开一些陌生领域的大门。

纳米材料纳米技术的出现，拥有着无限可能，纳米机器人、纳米计算机的出现。

大大降低了企业的生产成本，人们也可以享受到科技的乐趣。

未来我们身边都是纳米材料制造的产品，不仅环保、而且价格低廉。

人们在商场可以买到物美价廉的优质产品。

这是科学技术在生活领域的运用。

未来可能我们坐的汽车、飞机等都是纳米材料制造的。

纳米材料属于材料学的一个分支，应该加大研发力度，让更多的学者投入到研究纳米材料的队伍。

另外政府可以加大资金支持，不断派遣这方面的专家出国考察、深造。

为国家、为社会创纳米材料应用现状及发展趋势造巨大财富同时，增加就业岗位，缓解大学生就业压力。

科技改变生活，科技改变世界，纳米技术将会颠覆很多传统行业。

3.纳米陶瓷材料的应用纳米陶瓷作为一种较为先进的材料，最先发展于上世纪的八十年代。

这种新型的陶瓷材料的组成为纳米级显微结构，其缺陷及气孔的尺寸、晶界宽度与晶粒尺寸都在100nm量级。

纳米陶瓷与以往的陶瓷相比性能更加独特，这一特性的形成缘于纳米微粒界面及表面效应，也缘于其所具有的小尺寸。

纳米陶瓷已经成籽现代科技关注的重点，而且更是凝聚态物理与材料科学研究的前沿地带。

作为一种多晶材料，陶瓷由晶界与晶粒所组成，是一种烧结体。

因其工艺较为特殊，所以要想避免小型裂隙与气孔的存在极为困难。

对陶瓷性能起决定性的因素是其显微结构与相关组成，主要包括裂纹、孔隙、晶界及晶粒等的组成情形。

氧化物陶瓷作为极重要的医学材料，已经很广泛地应用于临床医学实践。

其主要应用于耳听骨修复、牙种植体、骨螺钉及肘关节等方面的制造上。

纳米陶瓷一经问世便使其在超塑性、硬度及强度等方面的性能获得了显著的提升。

所以，其在制造人工器官方面以及在临床医学领域中的应用前景将极其广阔。

4.纳米碳材料的应用当前纳米碳管已经成为惹人注目的新型材料，这主要是由于该项材料在半导体、机械与导电等方面凸显了独特的性能。

从强度上看，纳米碳管较钢要高过百倍，而且在硬度与弹性方面都比较突出。

这种突出的特性使它在许多领域都获得了极其广泛的应用空间。

运用纳米碳管于隧道显微镜扫描方面，可以使通常状态下的STM 针尖所难以解决的问题解决起来变得相对容易一些。

作为一种碳氢聚合物的类金刚石碳能够凭借着离子束与离子体等技术在物体的表面形成一定的沉积，使之出现一层薄膜。

通过修饰而造就的金刚石涂层其结构为纳米结构，其生物相融性比较突出。

特别是在血液方面的相融性能，更是惹人注目。

就血液所凸显的相融性问题，这是材料领域内的一相极其关键性的问题。

几乎全部合成材料，当其与血液进行接触时，都会在相当大的程度上出现凝血现象。

通过研究还发现，与其他方面的材料比较，金刚石碳的表面对蛋白都具有较强的吸附能力。

类金刚石碳薄膜在心血管的临床治疗方面应用价值较广，有专业人士分析认为，在不远的将来对于医用机器人而言，其外表的薄膜也将会使用这种材料。

就纳米碳材料而言，这是当前碳领域内性能高、功能强的新型材料，同时也是研究开发的新起点。

从当前的实际情况看，它的研究与开发仅仅处于起步阶段。

应该讲在整个生物医学领域内，其应用的潜能十分巨大。

5.纳米高分子材料的应用对于纳米高分子粒子来讲，可以通过在医学领域里的应用，完成对某些疑难病症的诊疗与救治。

这种粒子在直径上要较红血球小一些，而且能够保证在血液内的运动自由状态。

所以，将这种于身体并无害处的粒子注入人体当中，可以使之在病症检查与治疗中发挥作用。

通过对动物实验证明，把载有地塞米松的纳米粒子以动脉注射的方式输入血管中，能够使动脉狭窄得到控制。

而乳酸纳米粒子载有抗生药物可以使冠状动脉的再狭窄得到有效预防。

另外，一些纳米高分子载有抗癌与抗生物质，可以凭借动脉用药的方式注入体内，就能够完成对某些特定器官的专门治疗。

一些纳米球载有药物，可通过将其制成乳液完成肠内外注册，也可实现皮层以下部位的注射。

纳米粒子的直径比较小，自由表面相对较大，因此胶体稳定性较强，吸附性能较高，而且能够在最短的时间内实现吸附平衡。

所以，这种粒子能够实现对生物物质进行吸附方面的分离功能。

对纳米颗粒可以将其压薄进而形成过滤器，因为实施的是纳米孔径过滤，所以在医学上可以作为血清的消毒之用。

通过半胺基、羟基、羧基等的引入，就可以通过氢键、静电等作用使相关生物大分子彼此间发生作用，致使沉降作用直接影响到大分子的分离。

6光催化纳米材料在环境保护中的应用(1)大气治理大气中的有害气体，常见如CO、SO2、NOx等，不仅是造成酸雨、光化学烟雾、温室效应的罪魁祸首，还直接危害人体的健康。

利用光催化纳米材料，可对低浓度有害气体进行降解；配合过滤技术，还能净化空气。

现有研究发现，可在载体表面涂抹TiO2材料，对有害气体进行吸附，并转化为无害气体。

研究表明，在TiO2材料中掺杂WO3，能提高催化剂的活性，用于空调制作，可以杀菌、净化空气。

此外，使用紫外光照射TiO2材料，可降低室内甲醛、乙醛的浓度。

但是，该材料只能处理低浓度的有害气体，在高浓度气体中，催化活性会不断降低，直至完全失活。

(2)水污染治理第一，无机废水处理。

在光催化纳米材料的表面，无机物的光化学活性强，材料经激发后，会氧化低氧化态的有毒无机物，还原高氧化态的有毒无机物，从而降解无机污染。

在这个过程中，由于水体中的重金属种类多，且部分重金属具有回收价值，利用TiO2材料可以吸附汞、银等离子，实现重金属的回收再利用。

第二，有机废水处理。

根据有机废水的分类，将光催化纳米材料的应用归纳总结为5 类：①农药废水。

以含硫农药为例，将TiO2和SO2复合使用，发生氧化反应后可实现降解效果。

②化工废水。

化工废水中的污染物较多，例如甲醇、乙醇、苯类、乙烯基二胺、苯甲酸等。

利用TiO2材料，可以快速降解，消除污染物的危害。

结合实践，将人工采光技术、TiO2材料相结合，可将多氯联苯物质降解为CO2和H2O。

③含油废水。

石油开采和运输期间，含油废水会污染海域环境，利用TiO2材料可以降解油污。

具体应用中，先在空心玻璃球载体中，采用浸涂- 热处理法制备TiO2；然后依照相关规定，控制负载量和晶型，利用此催化剂可以对水体表面的浮油进行降解。

④印染废水。

印染废水中的有害物质主要是苯环、胺基。

在溶解氧条件下，利用TiO2材料可将上述污染物转化为矿化有机物，期间不会出现二次污染。

⑤造纸废水。

造纸废水中的总碳含量高，利用光沉积法制备的催化剂（RU/Ti O2），有机总碳的去除率达到99.6% 以上，实现废水脱色的目标。

第三，自来水净化。

自来水是从地表和地下水源获得，净化时的重点是清除悬浮物，但细菌、胶体物质的降解不完全。

利用TiO2材料，不仅能降解有机物、无机物，还能进行杀菌。

现有研究表明，可以使用玻璃纤维网固定TiO2材料，形成催化膜后，直接对自来水进行净化，有机物的去除率能达到60% 以上。

(3)噪音控制随着经济社会快速发展，人们的交通出行需求逐年增加，车辆、船舶、飞机等交通工具在行驶中，发动机产生的噪音大。

人们长期处于噪音环境下，会危害身心健康，尤其是损伤神经系统功能。

对此，利用TiO2材料制作润滑剂，可在发动机的表面形成永久固态膜，既能提高润滑效果，又能降低噪音，延长发动机的寿命。

7.碳质纳米材料在混凝土中的应用研究作为准一维拥有独特的结构特征纳米材料，碳纳米管（CNT）具有奇异的力学、电学、介电/ 电磁学、热学等诸多性能。

国内外诸多学者尝试了多种分散制备工艺，将CNT用作结构增强及功能增强组分引入到传统的水泥混凝土基体材料中，最终制备出一种CNT 改性的纳米混凝土。

由于CNT 是中空的管状一维纳米材料，与水泥水化产物C-S-H处于相近量级，同时超高的长径比、超高比表面积及超强的力学韧性，在很少CNT 掺量时就可有效弥补水泥混凝土材料多孔性收缩以及本征脆性缺陷。