纳米应用

纳米应用

一、纳米材料的特殊性质

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的

材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖

符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，

增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移

和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不

能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。

（三）电学性质

因为晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧

道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导

体器件。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是因为界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变

弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面

有其广泛的应用前景。

二、纳米材料在化工行业中的应用

（一）在催化方面的应用

催化剂在很多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应

时间、提升反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经

济效益难以提升，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提升反应

效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微

粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提升10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物

制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个

短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，

半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与

空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进

行氧化和还原反应。

（二）在涂料方面的应用

纳米材料因为其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异

性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大

的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体

系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可

分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提升基体的某些性质和

改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有

的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐

腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感

特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提升其防护能力，实

现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用

可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中

加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半

导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电

特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，

这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂

料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有

随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿

车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使

传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂

料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术

革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

（三）在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影

响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带

来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提升橡

胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通

橡胶中，可以提升橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用

白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提升塑料的

强度和韧性，而且致密性和防水性也相对应提升。

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包

括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的

时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、

最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、

光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术

的诞生，将对人类社会产生长远的影响，并有可能从根本上解决人类

面临的很多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。