纳米科技与现代生活论文

纳米材料与其发展前景
摘要
随着第三次产业革命的深化与发展，纳米科技也在不断走向成熟，其应用也在不断扩展。

纳米材料的应用也将会更加广泛。

关键词纳米科技纳米材料纳米陶瓷
先来谈谈我对这门课的理解吧。

选这门选修课的初衷是为了增加理科方面的知识，毕竟一个文科生对于物理、化学、生物还是知之甚少的。

但是又怕自己水平有限，难以理解老师的授课内容。

所幸老师很体谅我们，授课内容并没有很高深，也使得我对纳米科技有了更深层次的理解，而不是只停留于表面了。

纳米科技英文名称是nanotechnology，定义：能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。

生物芯片和生物传感器等都可归于纳米技术范畴。

纳米是长度单位，1纳米是十亿分之一米，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。

纳米科技是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳
米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。

纳米材料是纳米科技的一个应用方面，它与人们的生活息息相关。

一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

其应用包括：天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米半导体材料、纳米催化材料、医疗上的应用、纳米计算机、纳米碳管、家电、环境保护、纺织工业、机械工业。

在老师授课中，曾经多次提到荷叶及其所具备的自洁效应。

为什么和也具有这种功效呢？是因为它是一种“超双疏性界面材料”。

什么是“超双疏性界面材料”呢？其实这并不是什么神秘的东西，荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基等极性基团，在自然环境中很容易吸附水分或污渍。

而荷叶叶面都具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。

为什么会有这种“荷叶效应”，用传统的化学分子极性理论来解释，不仅解释不通，恰恰是相反。

从机械学的光洁度角度来解释也不行，因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度，用手触摸就可以感到它的粗糙程度。

经过两位德国科学家的长期观察研究，在上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。

原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级
的超微结构。

在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。

因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。

这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。

雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奥妙所在。

研究表明，这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它植物中。

某些动物的皮毛中也存在这种结构。

其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。

另外，更重要的是，为了提高叶面吸收阳光的效率，进而提高叶面叶绿体的光合作用。

这种自然界的造化，是生物界经过亿年的适应性和变异性的自然选择、遗传进化而来的。

纳米材料的另一应用是纳米陶瓷。

既然要谈纳米陶瓷，不仅要了解纳米科技与纳米材料的含义，也要知道陶瓷的相关知识。

我国的陶瓷历史悠久，早在新石器时代就发明了陶器。

陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。

陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。

常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。

陶瓷材料一般
硬度较高，但可塑性较差。

除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。

陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。

而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；烧至700度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。

其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。

它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

90年代初，日本Niihara首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷，具有很高的力学性能。

纳米颗粒Si3N4、SIC超细微粉分布在材料在内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。

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。

有关研究表明，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，
而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。

在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶瓷低400～600℃，且烧结不需要任何的添加剂。

其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。

通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。

因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。

参考文献：/html/
/
/
《纳米材料》。