納米材料及石墨烯的應用研究

王皓冉(鄭州中學，河南 鄭州 450001)

納米材料及石墨烯的應用研究

王皓冉(鄭州中學，河南 鄭州 450001)

近幾年納米材料以及石墨烯一直是研究的熱點課題。本文綜述了納米材料在水性涂料和納米機器人方面的應用，同時也概述了作為納米材料的石墨烯材料在防彈衣、傳感器以及航空航天領域的應用，并對這些材料在未來的發展作了展望。

納米水性材料；納米機器人；石墨烯材料；應用

隨著社會的發展和科技的進步，化學新材料被越來越多的研究者開發以及使用。納米材料是將材料加工成納米尺度的材料，這一類材料在納米尺度上會表現出一些獨特的性質，如小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應等，這些效應使得納米材料有一些獨特的性能。石墨烯本身就是一種納米材料，是近幾年新興的一種化學新材料，可以應用在各個領域，是一種很有前景的新型材料。本文主要介紹了納米材料及其一些應用，石墨烯材料的幾類應用，為進一步的研究提供了一定的基礎。

1 納米材料

1.1 納米材料概述

納米材料是一種納米級結構的材料，分子尺寸在1-100nm之間，這個尺寸是宏觀不可見的，是一種新型的材料。納米材料本身具有一些獨特的性質，比如小尺寸、表面以及量子尺寸效應等。例如將無機抗菌劑通過采用納米分散或者修飾的技術加入到材料中，可以制成納米抗菌材料；另外還可以利用納米材料的小尺寸效應，將其應用到紅外感光元件以及紅外隱身技術方面。

1.2 納米水性涂料及其應用

水性涂料是一種以水作為溶劑或者分散介質的涂料，與傳統的油性涂料相比，它具有零VOC（揮發性有機物）、溶劑污染小等優點，是一種環保型的涂料。建筑物內墻和外墻的裝修和粉刷都離不開涂料，將其用在建筑主體或者室內裝修上，可降低對室內外環境的污染，減小涂料本身揮發的一些有機物對人體造成的危害。納米水性涂料是采用共混法或者原位聚合法的方式制備出來的一種水性涂料。共混法一般是將納米顆粒與制備涂料所用的樹脂、分散介質以及顏料等進行混合來制備納米水性涂料的方法；原位聚合法是將納米顆粒與合成樹脂所需要的單體一起反應來制備出納米水性涂料的方法[1]。將納米顆粒應用在水性涂料上，也可以制備出納米復合涂料，例如將納米二氧化硅或者納米級的紫外線吸收劑等加入到水性涂料中，這些涂料一般都會產生抗菌、抗沾污甚至抗衰老的效果[2]。納米水性涂料符合環境友好的要求，相信在不久的將來，納米水性涂料會取代現有涂料，具有一定的工業應用價值。

1.3 納米機器人及其應用

納米機器人是近幾年出現的一個比較熱門的詞匯，廣泛應用在分子生物學的領域，是將納米技術與生物醫學相結合所形成的一種納米生物學領域的技術。納米機器人是在分子生物學原理的基礎上，應用納米技術研究制備出的一種分子學的微型機器人。圖1是輸送藥物的納米機器人結構示意圖。傳統的治療疾病的藥物一般都是采用口服或者注射的方式輸送到人體內，但是真正起到作用的只有其中的一小部分，大部分會被稀釋或者對身體產生一定的毒副作用[3,4]。利用納米機器人可以將有效的藥物精準的送至受感染的部位，不僅高效的治療疾病，也減少了一定的毒副作用。納米機器人可以在人體血管內“游走”，診斷體內的異常細胞，充當微型的醫生，治療病變的細胞，甚至用于殺死癌細胞。另外，納米機器人也可應用在機械智能的方面。

圖1 輸送藥物的納米機器人結構示意圖

2 石墨烯材料

2.1 石墨烯材料的概述

石墨烯材料是由碳原子組成的一種單原子層的石墨，只有一個原子層的厚度，是一種蜂窩狀的薄膜，擁有著良好的導電導熱性、延展性、柔軟性，較強的抗沖擊性能，也是一種最輕薄的材料。目前我國已有科學家從玉米芯中提取出石墨烯，并且得到了量產，產生了一定的經濟價值。石墨烯材料可應用在柔性顯示屏、防彈衣、水過濾膜以及航空航天領域等。

2.2 石墨烯材料在防彈衣上的應用

石墨烯材料因具有較強的抗沖擊性能，可以應用到防彈衣材料上。美國的科學雜志上已經有文獻報道，石墨烯材料能夠承受子彈沖擊的性能，并且它的性能要遠遠超過鋼鐵制備的防彈衣材料，將其用在防彈衣材料上，可以大大提高防彈衣的抗沖擊性能，在軍事領域可以得到較好的應用。

2.3 石墨烯傳感器及其應用

石墨烯因具有較強的靈敏度，可用在傳感器上。例如將石墨烯材料制成石墨烯傳感器，可以檢測到室內的污染，及時檢測出室內超標的污染物，在一定程度上減少室內裝修污染對人體造成的危害。石墨烯制成的傳感器還可以用到霧霾警報上，有研究者將硼原子加入到石墨烯傳感器中，開發出了一種十分靈敏的氣體傳感器，這種傳感器可以檢測到極低含量的有害物質濃度，對于現在空氣質量不好甚至霧霾嚴重的現象，可以及時給出提示，提醒人們提前做出預防措施[5,6]。

2.4 石墨烯在航空航天領域的應用

利用石墨烯材料高導電性、高強度以及超級輕薄等特性，可以用在超輕薄飛機上。石墨烯是世界上最薄的材料，制成超輕薄飛機可以減輕飛機的重量，另外利用其做成的傳感器用在飛機上，還可以檢測出高空大氣層中的微量元素，以及飛機上的結構缺陷，用途十分廣泛[7]。

3 結語

納米材料及石墨烯因具有獨特的性質，能夠應用在各個領域中。對于納米材料的應用，在納米水性涂料以及納米機器人的應用作了分析總結；對于石墨烯材料，是在納米材料的基礎上，應用石墨烯材料本身所具有的獨特性質，對石墨烯材料在防彈衣材料、傳感器以及航空航天領域的應用作了概述。今后還會有更多的研究者開發研究這些材料的潛在價值和應用，探索更為廣闊的應用領域，使這些新材料得到更好的應用。

[1]董春霞.納米材料在水性涂料中的應用[J].中國新技術新產品,2015(23):1-1.

[2]楊玲.水性納米TiO2基自清潔涂料的制備與性能[D].復旦大學,2013.

[3]周陳霞,徐萬和.納米機器人的發展和趨勢及其生物醫學應用[J].機械,2011,38(4):1-5.

[4]Li J,Gao W,Zhang L,et al.Micro/nanorobots for biomedi?cine:Delivery,surgery,sensing,and detoxification[J].2017,2(4).

[5]黃振旭,鄧振琪,裴先茹.石墨烯材料的制備方法及應用研究進展[J].許昌學院學報,2017,36(2):59-63.

[6]Wang T,Yu J,Wang M,et al.Effect of different sizes of graphene on thermal transport performance of graphene paper[J].Composites Communications,2017,5:46–53.

[7]Papageorgiou D G,Kinloch I A,Young R J.Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites[J].Progress in Materials Science,2017,90:75-127.

Study on the Application of Nano Materials and Graphene

Wang Haoran(Zhengzhou Middle School 450001)

In recent years,nano materials and graphene have been a hot research topic.This paper reviews the application of na?no materials in waterborne coatings and nano robots,also summa?rized as graphene materials and nano materials in bulletproof cloth?ing,sensors and aerospace applications,and these materials in the prospect of future development.

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