纳米材料在人类生活中的应用

纳米材料在人类生活中的应用

1、“纳米”是英文nanometer的译名，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即一毫微米，也就是十亿分之一米，只相当于十几个中等原子串起来那么长。

2、纳米结构、纳米技术和纳米材料。

纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术是一种材料技术，材料技术发展的趋势之一就是尺寸向越来越小的方向发展。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的新学科，这就是纳米科技。作为一门极有前途的新兴科学，纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。

纳米技术是80扯代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小。

材料是一切事物的物质基础。如果没有七十年代制成的光导纤维，也不会有现代的光通信；如果不制成高纯度大直径的单晶硅，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和电子设备。

粒度小于38μm（400目）的粉料通常被称作超细粉体材料。而纳米材料一般是指粒径在1nm～100nm间的粒子，它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介系统，即接近于分子或原子的临界状态。

近年来，许多发达国家已先后投入巨资组织力量竞相加紧研究。我国对纳米材料的研究也非常重视。我国已将“纳米材料”列入国家“八五”期间重大基础研究“攀登计划”项目。许多研究所、高等院校也组织科研力量开始纳米技术研究工作，并取得了令人瞩目的成果。

3.纳米粒子的特性

纳米材料由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，它具有以下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质：

3.1.表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空

键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

3.2.量子尺寸效应

大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3.3.小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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。对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，产生一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变。与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降，例如2nm的金颗粒熔点为600K，随着粒径增加熔点迅速上升，块状金为1337K。

3.4.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，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（MacroscopicQuantumTunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质和化学性质，出现一些“反常现象”，如金属是导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(箔黑)后，却成为活性极好的催化剂等。

4.纳米粒子的制备方法

纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。

4.1.物理方法

4.1.1.真空冷凝法

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高；

4.1.2.物理粉碎法

通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点是操作简单、成

本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀；

4.1.3.机械球磨法

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

4.2.化学方法

4.2.1.气相沉积法

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点是产品纯度高，粒度分布窄；

4.2.2.沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点是简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物；

4.2.3.水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点是纯度高、分散性好、粒度易控制；

4.2.4.溶胶凝胶法

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备；

4.2.

5.微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的单分散性和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。

5.纳米材料的主要用途

21世纪的纳米材料与人们的生活息息相关，很多重要的国民领域都需要纳米材料来助阵。纳米材料在医学，军事乃至于人们的衣食住行都有十分重要的作用。下面简要介绍一下纳米材料在21世纪的人们的生活中的影响。

5.1.在医药中的应用

药品颗粒小容易被人体吸收，使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，将来还有可能制造出纳米机器直接进入人体杀死癌细胞、医治患者的病变、修复损坏的器官、进行人体肢体再生、人体整容等。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；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（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。纳米粉用在毛巾、枕巾等日用品上还可以杀菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌等。

5.2.在军事中的应用

雷达波吸收材料（简称吸波材料）系指能有效地吸收入射雷达波并使其散