納米科技與生活

李賓 周桓竹 蘇學(xué)偉 王鑫

【摘 要】近年來(lái)，納米科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，與我們的生活聯(lián)系也越來(lái)越緊密。本文從納米材料的基本概念與分類出發(fā)，論述了納米材料的基本效應(yīng)、制備方法；對(duì)其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：電子信息、能源環(huán)境、軍事航天、生物醫(yī)學(xué)、民用日常生活等展開(kāi)論述，并就其應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，展望了納米科技未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】納米材料；基本效應(yīng)；制備；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.012

【Abstract】In recent years， the development of nanotechnology has made rapid progress， and our life has become more and more connected with it. In this paper， starting from the basic concept and classification of nanometer materials， mainly discusses the basic effect of nanometer materials， preparation methods and a wide range of its applications， including electronic information， energy and environment， military， aerospace， biomedical， civilian daily life， etc.And analyze problems existing in the application， for its future development trend is prospected.

【Key words】Nanometer materials； Basic effect； Preparation methods； Applications

0 引言

納米（nm）是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1nm等于十億分之一（10-9）米。納米科技就是指在納米尺度（一般為1～100nm，但對(duì)于很小的原子和很大的分子的物質(zhì)往往會(huì)突破這個(gè)下限和上限）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，同時(shí)利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)，對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)[1]。納米材料發(fā)展迅速。早在1000多年以前，中國(guó)人就利用燃燒的蠟燭制成炭黑，將其作為墨的原料。20世紀(jì)初，人類制備出了鉑納米催化顆粒。上世紀(jì)60年代初，日本的物理學(xué)家Kubo發(fā)現(xiàn)了納米金屬離子與塊狀物質(zhì)完全不同的性質(zhì)。70年代末，美國(guó)人用激光驅(qū)動(dòng)氣相法合成了硅基陶瓷粉末。90年代，人類已可制備出大量的納米材料。而今，納米材料在我們的生活中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1 概念與分類

納米材料（nanometer materials）又稱為納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料，廣義上是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或者是由該尺度范圍的物質(zhì)為基本結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成的超精細(xì)顆粒材料的總稱。從狹義上講，它是原子團(tuán)簇、納米顆粒、納米線、納米薄膜、納米碳管、納米固體的總稱。李嘉等[2]人按納米固體中納米微粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同，還可將其分為納米晶體、納米非晶體、納米準(zhǔn)晶材料。納米材料的特征尺寸在1～100nm之間，由于其獨(dú)特的尺寸效應(yīng)，因而會(huì)呈現(xiàn)出許多大塊材料不具備的特殊性質(zhì)，如優(yōu)異的物理化學(xué)性能、較好的力學(xué)性能、優(yōu)良的加工性能、較好的生態(tài)性[3]。

2 納米材料的基本效應(yīng)

納米材料具有表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變化而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。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)，一是光學(xué)性質(zhì)，所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色；二是熱學(xué)性質(zhì)，納米顆粒的熔點(diǎn)相較于宏觀物體的會(huì)顯著降低。三是磁學(xué)性質(zhì)，當(dāng)純鐵直徑小于6nm時(shí)，其矯頑力降低為零，呈顯出超順磁性。可廣泛地應(yīng)用于電聲器件、阻尼器件。微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力，稱其為隧道效應(yīng)，它限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ)，同時(shí)必須考慮量子尺寸效應(yīng)，它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。

3 納米材料的制備

納米材料的制備對(duì)于其微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。制備工藝研究的主要課題集中在控制納米材料尤其是界面的化學(xué)成分及均勻性以及控制晶粒尺寸分布等[4]。目前主要的制備方法有物理法和化學(xué)法兩大類。物理法包括惰性氣體蒸發(fā)法、爆炸法、嚴(yán)重塑性變形法、激光束法、機(jī)械合金化法等；化學(xué)法包括氣相燃燒合成法、溶膠-凝膠法、有機(jī)液相合成法等。其它的方法還有氣相蒸發(fā)法、配位沉淀法、熱解法、微波等離子體化學(xué)氣相沉積法等制備方法[5]。在制備生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件以及對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能選擇合適的制備方法。

4 應(yīng)用

納米材料物質(zhì)尺寸的微細(xì)化使得其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的一系列優(yōu)異的力、電、光、熱、磁以及化學(xué)等宏觀特性，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 電子信息

在電子信息產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展克服以強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等為代表的物理限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件和制備技術(shù)。這種材料電子元器件不僅能抗輻射，而且耗能很少，它提供更好的計(jì)算平臺(tái)，顯著地增加計(jì)算設(shè)備的能力，特別是對(duì)于未來(lái)便攜式的計(jì)算設(shè)備[6]。

4.2 生物醫(yī)學(xué)

納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多，因此可以利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療。著名學(xué)者王中林[7]已經(jīng)提出納米發(fā)電機(jī)的方案，以此為動(dòng)力源的微型機(jī)器人可安全地進(jìn)入人體內(nèi)對(duì)健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)還可用它直接進(jìn)行治療。

4.3 能源與環(huán)境

浙江大學(xué)富勒稀跨學(xué)科研究小組[8]參照太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的技術(shù)原理及科研新成果，運(yùn)用復(fù)合納米碳管材料制成光電轉(zhuǎn)換薄膜。納米技術(shù)可增加氫能作為石油替代燃料的可行性。美國(guó)能源部有關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)利用碳納米過(guò)濾材料從氨水中提取氫的新工藝，以便未來(lái)以氨水形式更容易、更方便地存儲(chǔ)和運(yùn)輸液態(tài)氫[9]。利用納米技術(shù)發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染等[10]。

4.4 軍事與航空

納米材料具有特殊的光學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)紅外微波吸收兼顧等要求。在軍事上能用于隱形飛機(jī)、隱形艦船、隱形巡航導(dǎo)彈等[11]。在固體火箭推進(jìn)劑中添加納米級(jí)鋁粉或鎳粉，推進(jìn)劑燃燒效率可得到較大提高、燃速顯著增大。含有納米金屬鋁粉的固體推進(jìn)劑燃速比含有常規(guī)鋁粉的固體推進(jìn)劑的燃速高5～20倍[12]。

5 問(wèn)題與展望

近年來(lái)，納米材料毒性的研究取得了很大進(jìn)展，包括體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)研究納米材料與生物大分子、細(xì)胞、器官和組織的相互作用以及其引起的毒性。納米科技與材料方興未艾，雖然部分產(chǎn)品已產(chǎn)業(yè)化，但整體上仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，材料研究者任重道遠(yuǎn)，如何將實(shí)驗(yàn)理論研究成果實(shí)現(xiàn)于生產(chǎn)線上我們需要努力的方向。納米材料作為一種新型的材料，已經(jīng)展示了良好的應(yīng)用前景，引起了人們的高度重視。隨著對(duì)納米科技研究的日趨深入，必將對(duì)科學(xué)技術(shù)以及人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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