纳米材料的制备和应用
名字：柯大黑
湖北文理学院化学工程与食品科学学院11应化班
摘要：纳米科学是一门新兴的而且很有发展前景的自然科学，纵观21世纪，凡是重视纳米科学的研究及发展的国家，现在都成为了发达国家，如美国、英国等发达国家。在21世纪，我们更应该重视纳米科学的研究在经济建设和国防建设中的作用。纳米技术的进步，不仅仅能提高我们国家的经济地位和国防地位，更能提高人民的生活水平和身体素质水平；因为纳米技术的应用非常广泛，覆盖了社会中的很多方面，如国防、医疗、化工、光电、微电子、电力、信息、陶瓷工艺、涂料、环境监测等方面。当今的世界竞争非常激烈，一个国家科学的进步能让这个国家处于有利的世界地位。从最近几年美国发动的伊拉克战争和阿富汗战争可以看出科学技术在军事中重要作用，所以被美国欺负的伊朗致力于核武器的研究。美国之所以成为世界霸主，是因为它科学技术非常先进，纳米技术的研究和应用也世界一流的。所以作为21世纪的青年，我们应该对此加以重视。
关键词：纳米科学产生背景 纳米尺度
特殊性质 制备 应用
在充满活力的21世纪，信息、生物、能源、环境、先进制造、国防等领域的高速发展对材料提出了新的需求和挑战，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小，而性能要求程度越来越高；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料的性能要求有时甚至高于材料本身。为了满足各个领域对材料的高度需求 ，纳米技术应运而生。而且很快作为一门新兴学科，得到全球范围的广泛关注。
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为“超级纤维”。这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度； 1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2000年3月，美国政府向全世界公布了纳米技术的启动计划，至此，也表明纳米技术将引发21世纪新的工业革命。
纳米（nanometer）是一个长度单位，用nm表示。1纳米等于十亿分之一米即1nm=10^-9m。形象地说，一纳米的球体就相当于一个乒乓球跟地球比较，由此可见纳米有多小了。
纳米材料有如下这些特殊性质
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。
磁学性质 目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数
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量级。
电学性质 由于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。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
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，这是由于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。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。
光学性质 纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。
纳米材料不仅性质特殊而且制备也很特殊，制备有如下这些方法： 1.物理方法：
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粒子体，然后聚冷。其特点纯度高，结晶组织好,粒度可控，但技术设备要求高。
1.2.物理粉碎法：
通过机器粉碎，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。
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。 2.化学方法：
2.1.气象沉积法：
利用金属化合物蒸汽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。
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。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。
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，在经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。
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。
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
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核、聚集、团聚、热处理后得到纳米粒子。其特点是单分散和界面性较好。 纳米材料的大量制备，当然是为了应用，以下是纳米材料在几个方面上的应用。
纳米材料在陶瓷方面的应用。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出非常好的韧性与延展性。
通过纳米改性金属陶瓷成分与不改性的相同金属陶瓷成分的实验证明，在成分相同的情况下，改性金属陶瓷的机械物理性能均高于不改性的金属陶瓷，达到了纳米改性既提高强度又提高硬度的目的；金属陶瓷具有良好的耐磨耐高温的性能。
纳米材料在皮革中的应用。
纳米复合材料由于具有优良的物理、力学和化学性能，所以应用到皮革中。丙烯酸树脂作为一种皮革鞣剂，有选择填充性好，增强作用强，成革柔软性好等优点。皮革制品不能经常洗涤，所以其自身的防霉性和抗菌性能就显得尤为重要。纳米抗菌剂主要分为金属抗菌剂和光催化型抗菌剂。其中金属抗菌剂可以防发霉。
纳米材料在医学上的应用。
医学上,纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在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。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料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。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诊断出各种疾病。
现在医学中随着细菌耐药性和抗药性的不断增加和复杂化，使传统抗菌剂的弊端日益突出，这就需要研发新型的抗菌物质。抗菌纳米药物由于具有更大的比表面积和表面电荷密度，对细菌有较强的抗菌作用，因而成为许多药物的替代品。
纳米材料在环保方面的应用。
随着人们环保意识的增强，越来越多的新型材料被用于处理各种污染物。尤其是纳米技术的进步，使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用
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最多的就是Ti02纳米材料。利用Ti02纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解的物质，可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂，氯代物、氟里昂等废水的处理，还可用以处理无机废水等。纳米Ti02表面活性羟基等具有非常高的反应活性，它不但能矿化其表面附着的有机物，而且能与其表面附着的细菌的组成成分(也是有机物)进行剧烈的反应，从而具有杀菌能力。不但能杀死细菌，而且能彻底矿化细菌尸体，有效消除其残留(毒)物和细菌分泌物，本身又不夹带污染，无毒无害而且成本低[19]。纳米Ti02涂层还可以用于空气净化，[其在紫外线照射下可分解房问内的新建材、黏接剂等产生的甲醛，吸烟产生的乙醛，家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油污及其它有机物等。
小结：
2l世纪是纳米技术的时代，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，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
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