淺談納米材料及其應(yīng)用

摘 要：隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，文章從這個(gè)角度出發(fā)，介紹了納米和納米材料的定義及納米材料的基本性質(zhì)，同時(shí)，從日常生活、生物醫(yī)學(xué)、信息領(lǐng)域介紹了它的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米；納米材料；應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的納米材料，由于尺寸小、結(jié)構(gòu)特殊，具有許多奇異的物理和化學(xué)特性，在醫(yī)藥、制造業(yè)、環(huán)境工程、生活日用品、通信等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，享有“跨世紀(jì)的新材料”之稱。

1 納米和納米材料的定義

納米（符號(hào)為nm）和厘米、分米和米一樣是長(zhǎng)度單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長(zhǎng)度還要小，而我們?nèi)祟惖囊桓^發(fā)的直徑一般為7000-8000納米。

納米材料：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。

2 納米材料的基本性質(zhì)

2.1 小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或投射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶體態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電 磁，熱力學(xué)等物性發(fā)生變化，這種由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。例如：高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。

2.2 表面效應(yīng)

物質(zhì)的尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，將引起物質(zhì)表面原子數(shù)、表面積、表面能的迅速增加，從而引起物質(zhì)的化學(xué)活性、物理性質(zhì)的明顯變化。例如：5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。

2.3 量子尺寸效應(yīng)

隨著粒子由宏觀尺寸進(jìn)入納米范圍，準(zhǔn)連續(xù)能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級(jí)能隙變寬的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。例如：粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時(shí)出現(xiàn)由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體的現(xiàn)象。

2.4 宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。例如：掃描隧道顯微鏡的基本原理就是基于量子隧道效應(yīng)。

3 納米材料的應(yīng)用

隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，正在極大地改善我們的生活。

3.1 納米材料在生活領(lǐng)域的應(yīng)用

衣：例如我們穿的衣服，如果在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以起到除味殺菌和自動(dòng)清潔的作用；我們都知道化纖布雖然結(jié)實(shí)，但總會(huì)起靜電，如果加入少量金屬納米微粒就可以消除煩人的靜電。

食：我們利用納米材料制作的冰箱可以抗菌，可以做成無(wú)菌的餐具和食品包裝等；利用納米的粉末，可以使廢水徹底變清澈，完全達(dá)到引用標(biāo)準(zhǔn)。

住：利用納米技術(shù)可以使墻面涂料的耐洗刷性提高10倍；在玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，不用擦洗；含有納米微粒的建筑材料，還可以吸收對(duì)人體有害的紫外線。

行：用納米材料可以提高和改進(jìn)交通性能指標(biāo)；納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料，這樣就能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、工作壽命和可靠性。

3.2 納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）靶向定位載藥納米顆粒

靶向藥物能完成從靶器官、靶細(xì)胞到細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的三級(jí)靶向治療，從而達(dá)到向病灶部位緩慢釋放藥物，維持長(zhǎng)期局部有效的藥物濃度，實(shí)現(xiàn)靶向定位給藥，這樣，既能大大減少藥物對(duì)人體其他部位的副作用，又能對(duì)病情實(shí)現(xiàn)有效地治療。

（2）載藥磁性納米顆粒

它是將有高分子和蛋白質(zhì)分子的磁性納米粒子作為藥物載體靜脈注射到人體或動(dòng)物體內(nèi)，在外加磁場(chǎng)的作用下，通過(guò)納米粒子的磁性導(dǎo)航，將藥物送到病變部位，從而到達(dá)定向治療的目的。

（3）納米基因載體

一些特殊的納米粒子可以進(jìn)入細(xì)胞結(jié)構(gòu)達(dá)到基因治療的目的。如：國(guó)外有人利用納米技術(shù)可使DNA通過(guò)主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞；還有人研究了一種樹突狀的多聚物，發(fā)現(xiàn)它可以成為一個(gè)很好的DNA導(dǎo)入細(xì)胞的載體，即具有納米基因載體的作用。

（4）用作生物器件

使用納米技術(shù)制成的微型藥物輸送器，可在體外電磁信號(hào)的引導(dǎo)下準(zhǔn)確地把藥物送入人體，并主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。用納米材料制成的微型機(jī)器人，能疏通腦血管的血栓。清除心臟動(dòng)脈的脂肪和沉淀物，還可以用來(lái)“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結(jié)實(shí)等。

3.3 納米材料在信息領(lǐng)域的應(yīng)用

3.3.1 納米技術(shù)制造的電子器件，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件，更小、更快、更低能耗，而且信息存儲(chǔ)量更大。

3.3.2 納米信息材料主要包括以下三大類型：

（1）納米電子材料

單電子晶體管；該晶體若為金屬一般為幾個(gè)納米，若為半導(dǎo)體一般為幾十個(gè)納米，它們充分放電時(shí)，表現(xiàn)出電荷傳輸?shù)牧孔踊袨椋措娮硬荒芗w傳輸，而是一個(gè)一個(gè)的單電子傳輸。

單電子存儲(chǔ)器：利用庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和庫(kù)侖振蕩可以控制納米顆粒中單電子的遷移和駐留，可見，單電子存儲(chǔ)器很適合用作高密度儲(chǔ)存器。

納米芯片：即集成電路塊，隨著集成電路集成度的不斷提高，芯片中集成電路的條寬已經(jīng)小到0.3微米以下，若再縮小，將受到一些列物理原理的限制。為了使電腦更加智能化、人性化、需要進(jìn)一步提高芯片的集成度，這就要突破芯片原有的設(shè)計(jì)原理，向納米芯片進(jìn)軍。

納米電腦：主要有量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)電腦、化學(xué)電腦、生物電腦、神經(jīng)電腦。

（2）納米光學(xué)材料

光子晶體：光子晶體具有一個(gè)完整的光子禁帶和光子局域，所以它的應(yīng)用非常廣泛。比如：高功率低損耗反射鏡、光子選頻濾波器等。

光子儲(chǔ)存器：它的最大優(yōu)點(diǎn)是：超高的記錄速度、超高的分辨率、超高的存儲(chǔ)密度。

光電腦：它是由激光器、透鏡、反射鏡組成的電腦。它是依靠激光束進(jìn)入透鏡和反射鏡組成的陳列來(lái)對(duì)信息進(jìn)行處理的，其處理信息的速度可到現(xiàn)有半導(dǎo)體硅器件的1000倍。而且不同光束相交時(shí)可以互不影響地獨(dú)立進(jìn)行傳播。這使得光電腦能夠在非常小的空間里開辟出很多平行的信息通道。

（3）納米磁性材料

巨磁阻材料：它是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇減小的現(xiàn)象，減小的幅度比常用材料要高出10倍。

磁記錄材料：納米顆粒、納米薄膜可以是很好的磁記錄材料。

除此之外，納米材料還在航空航天、海水凈化、環(huán)境能源、紡織工業(yè)等其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，納米材料在未來(lái)必將取得更高、更大的發(fā)展。

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