纳米材料及其应用
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ｆ２５ ． 倍 ２２ 纳 米 材料 在 催 化 方 面 的 应 用 ．
３ 结 束语
总之 ，纳米材料作为新世纪最有发展前景的新兴学科 ，世界各国都 已投入大量的人力和财力进行各个层次的研究 ，并且取得了许多成果 。 正如钱学森先生在上世纪所言 ：纳米左右和纳米以下 的结构将是下一 阶 段科技发展的特点 ， 是一次技术革命 ， 会 从而将是２世纪的又一次产业 １
１ 纳米材 料 的特性
纳米是英文ｎｍ ｍｅ ｒ ａ ｏ ｔ 的译音 ，是一 个物理学上的度量单位 ，１ ｅ 纳米 是１ 米的十亿分之一 ，相 当于４ 个原子排列起来 的长度 。纳米是一个尺 ５ 度概念 ，并没有物理 内涵。当物质到纳米尺度 以后 ，大约是在１ ０ 纳 ～１０ 米这个范围空问，物质的性能就会发生突变 ，出现特殊性能。这种既具 不同于原来组成的原子 、分子 ，也不同于宏观的物质 的特殊性能构成的 材料 ，即为纳米材料 。 纳米材料有以下独特特性 ： １ ）小尺寸效应 。当微粒光波波长 、德布罗意波长以及 超导态 的相 干 长度或透射深度等的物理特征尺寸相近或更小 的时候 ，符合周期性 的 边界 条 件 受 到破 坏 ，因此 在 光 、热 、电 、声 、磁 等 的 物 理特 性 方 面都 会 出现一些新的效应 ，称为小尺寸效应。 ２）表 面与界而效应 。纳米微粒的表而积很大 ，在表 面的原子数 目 所 占比例很高 ，大大增加 了纳米粒子 的表面沿Ｉ 生；表面粒子的活性不但 引起微粒表面原子输运和构型的变化 ，同时也引起表面电子 旋构象和 电子能谱 的变化 。 ３ ）量子尺寸效应 。当粒子尺寸降低到某一值时 ，费米能级附近的 电子能级由准连续变为离散能级 的现象 ，当能级间距 大于热能 、磁能 、 静磁能 、静 电能 、光子能量或超导态的凝聚能时 ，量子尺寸效应能导致 纳米粒子的磁 、光 、电、声、热 、超 导等特性 显著不 同。 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。小尺寸效应 、 表面界面效应 、量子尺寸效应和量子隧道效应 ，都是 纳米粒子与纳米固体材料的基本特性 ，是纳米微粒和纳米固体 出现与宏 观 特性 “ 反常 ” 的原 因。
近年来随着信息量飞速增加 ， 要求记录介质材料高性能化 ， 特别是 记录高密度化。高记录密度的记录介质材料 与超微粒有密切 的关系。若 以超微粒作记录单元 ，可使记 录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸 小 、，具有单磁畴结构 ，矫顽力很高的将 陛，用它制作磁记录材料可以 提高信 噪比，改善 图像质量 。此外 ， 电子计算机中为防止尘埃进入硬 在 盘中损坏磁头 与磁盘 ，存转轴处也 已普遍采用磁性液体的防尘密封 。 纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用 。由于纳米微粒尺寸远小 于红外及雷达波波长 ，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料 要强得多 ，这就大大减少波的反射率 ，使得红外探测器和雷达接收到的 反射信号变得很微弱 ，从而达到隐身的作用 ；另一方 面，纳米微粒材料 的比表面积比常规粗粉大３～４ 个数量级 ，对红外光和电磁波的吸收率也 比常规材料大得多 ，这就使得红外探测器及雷达得到 的反射信号强度大 大降低 ，因此很难发现被探测 目标 ，起到 ＿ 『 隐身作用。
２４ 纳 米 材料 在 涂 料 方 面 的 应 用 ．
２ 纳 米材料 的应 用
２１ 纳 米 颗 粒 在 电 化 学 生物 传 感器 中 的应 用 ．
纳米 涂料 利用其独特 的光催化技术 对空气 中有毒气体有强烈 的分 解 ，消除作用 。对甲醛 、氨气等有害气体有吸收和消除的功能 ，使室 内 空气更加清新 。经测试 ，对各种霉菌的杀抑率达９ ％以上 ，有长期 的防 ９ 霉防潮效果 ；纳米改性 内墙涂料 ，实际上是高级的卫生型涂料 ，在卫生 用品 上应用可起到杀菌保洁作用 ，适合 于家庭、医院 、宾馆和学校的涂 装 ；纳米改性外墙涂料 ，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低 的表面张力 ，具有高强的附着力 ，漆膜硬度高且有韧性 ， 良的 自 优 洁功 能 ，强劲 的抗粉尘和抗脏物的粘附能力 ，疏水性极佳 ，容易清洗污物的 性能。耐洗性 大于１０ ０ ，具有 良好 的保光保色性能 ，抗紫外线能力 ５０次 极 强 。使 用寿 命达 １年 以上 。 ５ ２５ 纳米材料在陶瓷上的应 用 ． 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。它 具有 的高碾嚏 、高韧性 、低温超塑性 、易加工等传统陶瓷无与伦 比的优 点。其 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 。美 国著名材料专家Ｇｅ ｅ ｌ ｔ ￣出 ，如果多晶陶瓷是由大小为几 ｉｒ 个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的 ， 能够发生１０ ０ ％的塑性 形变。并 且发现 ，纳米陶瓷材料在室温下具有优 良的韧性 ，在 １０Ｃ经 ８￣ 受弯 曲而不产生裂纹。
革命。 参 考文 献
［】 １ 黄开金 ． 纳米材料 的制 备及应用［ ． Ｍ］ 北京： 冶金工 业出版社，０ ９ ２０ ．
在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用 ，它可以控制反 应时问，提高反应效率和反应速度 。但是 ，大多数的传统催化剂催化效率
［１ ２李晓俊 纳 米材料 的制 备及应用研 究【Ｊ １ ：Ｊ Ｍ ． 东 Ｉ东大学 出版社 ， ０ ． “ ｌ ２ ６ ０
。
关键 词 纳米 ；纳米材料 ：应 用
中圈分类号 Ｔ ３３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １７— ６ １（ １）９— １６０ Ｂ８ ６ ３９７一２ ００ １０４ — １ ０
现如今 ，科学界普遍认为 ，纳米技术是２世纪经济增长 的一台主要 １ 的发动机 ，它将成为超过网络技术和基因技术的 “ 决定性技术” ，并将 成为最有前途 的材料。它所具有的独特的物理和化学性质 ，可以节省资 源、合理利用能源并且 能够净化生存环境 ，它的发展研究会感器是用固定化的生物潘 肚成分为敏感元件与适 当的能量转 换器件结合而成 的传感装置用 以测定一种或几种分析物的禽量 。生物传 感器是多学科交叉的产物，是一种全新 的检测技术 ，存生命科学 、临床 诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。 在生物传感器的研制 中，人们尝试用多种新方法束固定酶 ，以期达 到实用的要求 。纳米颗粒 比表面积大 、吸附能力强 ，可以很牢 固地吸附 酶等生物大分子 ，增加 酶的吸附置和稳定性 ， 且蛋 白质等物质吸附在纳 米金属颗粒的表面 Ｌ 仍能保持生物活性 。纳米金 可与巯基结合 ，形成牢 固的共价键 ，增加了其 固化Ｇ Ｄ的稳老 性而不影 响其活性 ：纳米颗粒增 Ｏ 加 了三维电极 的有效固定 而积 ，可以结合更多的ＧＯ Ｄ，使得检测下限延 长：同时纳米金的存在加快了Ｇ Ｄ Ｏ 活性 中心Ｆ ＡＦ Ａ ２ Ｄ ／ Ｈ 与金 电极表面的 Ｄ 氧化还原反应 ，因此制成 了高灵敏度 的生物传感器。并 且经研究分析 ， 在纳米铜修饰 的金电极上 以邻胺基苯酚聚合物固载Ｇ Ｄ Ｏ 制成的电极 ，纳 米铜加入后对葡萄糖的检 出线低２ ，最大响应 电流高３ ，灵敏度提高 倍 倍
１１ ３ 张立德 ． 米材料和纳 米结构【 ． 京： 纳 Ｍ】 北 科学 出版 社， １ ． ２ ０ ０
ｌ ４ ６
应 用 科 学
２ 第霸 科年 １ ０ ７ １ 期 ０
纳 米材 料 及 其 应 用
方 源
（ 武汉 大学 动力与机械学 院，湖北武汉 ４ ０ ７ ３０ ２）
摘 要 提起 “ ”这个词 ，可 能很 多人都听说过 ．但 什么是纳米 ，什 么是纳米材料 ，可 能很多人并不一定 清楚 主要介绍纳米及 纳米 纳米 材料 的研 究现 状及其在各方 面应用。
低，制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪费，而 目对环境也造成污染。所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势 ，纳米 材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同 时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有 应选择 ｌ 生它可大大提高反应效率 ，控制反应速度 ，对比一般的催化剂 ，用 纳米微粒作催化剂的话 ， 可以将反应速度提高１ ～ ， ０ １倍。 ２３ 纳 米材 料 在 磁 性 材 料 方 面 的 应 用 ．
３ 结 束语
总之 ，纳米材料作为新世纪最有发展前景的新兴学科 ，世界各国都 已投入大量的人力和财力进行各个层次的研究 ，并且取得了许多成果 。 正如钱学森先生在上世纪所言 ：纳米左右和纳米以下 的结构将是下一 阶 段科技发展的特点 ， 是一次技术革命 ， 会 从而将是２世纪的又一次产业 １
１ 纳米材 料 的特性
纳米是英文ｎｍ ｍｅ ｒ ａ ｏ ｔ 的译音 ，是一 个物理学上的度量单位 ，１ ｅ 纳米 是１ 米的十亿分之一 ，相 当于４ 个原子排列起来 的长度 。纳米是一个尺 ５ 度概念 ，并没有物理 内涵。当物质到纳米尺度 以后 ，大约是在１ ０ 纳 ～１０ 米这个范围空问，物质的性能就会发生突变 ，出现特殊性能。这种既具 不同于原来组成的原子 、分子 ，也不同于宏观的物质 的特殊性能构成的 材料 ，即为纳米材料 。 纳米材料有以下独特特性 ： １ ）小尺寸效应 。当微粒光波波长 、德布罗意波长以及 超导态 的相 干 长度或透射深度等的物理特征尺寸相近或更小 的时候 ，符合周期性 的 边界 条 件 受 到破 坏 ，因此 在 光 、热 、电 、声 、磁 等 的 物 理特 性 方 面都 会 出现一些新的效应 ，称为小尺寸效应。 ２）表 面与界而效应 。纳米微粒的表而积很大 ，在表 面的原子数 目 所 占比例很高 ，大大增加 了纳米粒子 的表面沿Ｉ 生；表面粒子的活性不但 引起微粒表面原子输运和构型的变化 ，同时也引起表面电子 旋构象和 电子能谱 的变化 。 ３ ）量子尺寸效应 。当粒子尺寸降低到某一值时 ，费米能级附近的 电子能级由准连续变为离散能级 的现象 ，当能级间距 大于热能 、磁能 、 静磁能 、静 电能 、光子能量或超导态的凝聚能时 ，量子尺寸效应能导致 纳米粒子的磁 、光 、电、声、热 、超 导等特性 显著不 同。 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。小尺寸效应 、 表面界面效应 、量子尺寸效应和量子隧道效应 ，都是 纳米粒子与纳米固体材料的基本特性 ，是纳米微粒和纳米固体 出现与宏 观 特性 “ 反常 ” 的原 因。
近年来随着信息量飞速增加 ， 要求记录介质材料高性能化 ， 特别是 记录高密度化。高记录密度的记录介质材料 与超微粒有密切 的关系。若 以超微粒作记录单元 ，可使记 录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸 小 、，具有单磁畴结构 ，矫顽力很高的将 陛，用它制作磁记录材料可以 提高信 噪比，改善 图像质量 。此外 ， 电子计算机中为防止尘埃进入硬 在 盘中损坏磁头 与磁盘 ，存转轴处也 已普遍采用磁性液体的防尘密封 。 纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用 。由于纳米微粒尺寸远小 于红外及雷达波波长 ，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料 要强得多 ，这就大大减少波的反射率 ，使得红外探测器和雷达接收到的 反射信号变得很微弱 ，从而达到隐身的作用 ；另一方 面，纳米微粒材料 的比表面积比常规粗粉大３～４ 个数量级 ，对红外光和电磁波的吸收率也 比常规材料大得多 ，这就使得红外探测器及雷达得到 的反射信号强度大 大降低 ，因此很难发现被探测 目标 ，起到 ＿ 『 隐身作用。
２４ 纳 米 材料 在 涂 料 方 面 的 应 用 ．
２ 纳 米材料 的应 用
２１ 纳 米 颗 粒 在 电 化 学 生物 传 感器 中 的应 用 ．
纳米 涂料 利用其独特 的光催化技术 对空气 中有毒气体有强烈 的分 解 ，消除作用 。对甲醛 、氨气等有害气体有吸收和消除的功能 ，使室 内 空气更加清新 。经测试 ，对各种霉菌的杀抑率达９ ％以上 ，有长期 的防 ９ 霉防潮效果 ；纳米改性 内墙涂料 ，实际上是高级的卫生型涂料 ，在卫生 用品 上应用可起到杀菌保洁作用 ，适合 于家庭、医院 、宾馆和学校的涂 装 ；纳米改性外墙涂料 ，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低 的表面张力 ，具有高强的附着力 ，漆膜硬度高且有韧性 ， 良的 自 优 洁功 能 ，强劲 的抗粉尘和抗脏物的粘附能力 ，疏水性极佳 ，容易清洗污物的 性能。耐洗性 大于１０ ０ ，具有 良好 的保光保色性能 ，抗紫外线能力 ５０次 极 强 。使 用寿 命达 １年 以上 。 ５ ２５ 纳米材料在陶瓷上的应 用 ． 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。它 具有 的高碾嚏 、高韧性 、低温超塑性 、易加工等传统陶瓷无与伦 比的优 点。其 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 。美 国著名材料专家Ｇｅ ｅ ｌ ｔ ￣出 ，如果多晶陶瓷是由大小为几 ｉｒ 个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的 ， 能够发生１０ ０ ％的塑性 形变。并 且发现 ，纳米陶瓷材料在室温下具有优 良的韧性 ，在 １０Ｃ经 ８￣ 受弯 曲而不产生裂纹。
革命。 参 考文 献
［】 １ 黄开金 ． 纳米材料 的制 备及应用［ ． Ｍ］ 北京： 冶金工 业出版社，０ ９ ２０ ．
在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用 ，它可以控制反 应时问，提高反应效率和反应速度 。但是 ，大多数的传统催化剂催化效率
［１ ２李晓俊 纳 米材料 的制 备及应用研 究【Ｊ １ ：Ｊ Ｍ ． 东 Ｉ东大学 出版社 ， ０ ． “ ｌ ２ ６ ０
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关键 词 纳米 ；纳米材料 ：应 用
中圈分类号 Ｔ ３３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １７— ６ １（ １）９— １６０ Ｂ８ ６ ３９７一２ ００ １０４ — １ ０
现如今 ，科学界普遍认为 ，纳米技术是２世纪经济增长 的一台主要 １ 的发动机 ，它将成为超过网络技术和基因技术的 “ 决定性技术” ，并将 成为最有前途 的材料。它所具有的独特的物理和化学性质 ，可以节省资 源、合理利用能源并且 能够净化生存环境 ，它的发展研究会感器是用固定化的生物潘 肚成分为敏感元件与适 当的能量转 换器件结合而成 的传感装置用 以测定一种或几种分析物的禽量 。生物传 感器是多学科交叉的产物，是一种全新 的检测技术 ，存生命科学 、临床 诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。 在生物传感器的研制 中，人们尝试用多种新方法束固定酶 ，以期达 到实用的要求 。纳米颗粒 比表面积大 、吸附能力强 ，可以很牢 固地吸附 酶等生物大分子 ，增加 酶的吸附置和稳定性 ， 且蛋 白质等物质吸附在纳 米金属颗粒的表面 Ｌ 仍能保持生物活性 。纳米金 可与巯基结合 ，形成牢 固的共价键 ，增加了其 固化Ｇ Ｄ的稳老 性而不影 响其活性 ：纳米颗粒增 Ｏ 加 了三维电极 的有效固定 而积 ，可以结合更多的ＧＯ Ｄ，使得检测下限延 长：同时纳米金的存在加快了Ｇ Ｄ Ｏ 活性 中心Ｆ ＡＦ Ａ ２ Ｄ ／ Ｈ 与金 电极表面的 Ｄ 氧化还原反应 ，因此制成 了高灵敏度 的生物传感器。并 且经研究分析 ， 在纳米铜修饰 的金电极上 以邻胺基苯酚聚合物固载Ｇ Ｄ Ｏ 制成的电极 ，纳 米铜加入后对葡萄糖的检 出线低２ ，最大响应 电流高３ ，灵敏度提高 倍 倍
１１ ３ 张立德 ． 米材料和纳 米结构【 ． 京： 纳 Ｍ】 北 科学 出版 社， １ ． ２ ０ ０
ｌ ４ ６
应 用 科 学
２ 第霸 科年 １ ０ ７ １ 期 ０
纳 米材 料 及 其 应 用
方 源
（ 武汉 大学 动力与机械学 院，湖北武汉 ４ ０ ７ ３０ ２）
摘 要 提起 “ ”这个词 ，可 能很 多人都听说过 ．但 什么是纳米 ，什 么是纳米材料 ，可 能很多人并不一定 清楚 主要介绍纳米及 纳米 纳米 材料 的研 究现 状及其在各方 面应用。
低，制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪费，而 目对环境也造成污染。所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势 ，纳米 材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同 时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有 应选择 ｌ 生它可大大提高反应效率 ，控制反应速度 ，对比一般的催化剂 ，用 纳米微粒作催化剂的话 ， 可以将反应速度提高１ ～ ， ０ １倍。 ２３ 纳 米材 料 在 磁 性 材 料 方 面 的 应 用 ．