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納米材料專題
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納米材料的常見類別和應(yīng)用方向
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實(shí)際上納米材料的研究和發(fā)現(xiàn)也是得益于大自然的饋贈(zèng),這些隱藏于自然界中原始的納米材料可稱為天然納米材料,比如海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵,但出生后的幼小海龜為了尋找食物,卻要游到英國(guó)附近的海域,才能得以生存和長(zhǎng)大。最后,長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來回約需5~6年,為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬千米的長(zhǎng)途跋涉呢?它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料,為它們準(zhǔn)確無誤地導(dǎo)航。

生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來不會(huì)迷失方向時(shí),也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。


1、納米磁性材料

在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì),納米粒子尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性,用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好,而且記錄密度比γ-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體,用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。

納米磁性材料

2、納米陶瓷材料

傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng),材料質(zhì)脆,燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng),因此,納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性,這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形,然后做表面退火處理,就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性,而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

納米陶瓷材料

3、納米傳感器

納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此,可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車尾氣檢測(cè)儀,檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

納米傳感器

4、 納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中,燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫,其外表面要與冷卻劑接觸。因此,內(nèi)表面要用陶瓷制作,外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。

納米金屬陶瓷混合傾斜材料

如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化,讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”,最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料,它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí),就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。


5、納米半導(dǎo)體材料

將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料,具有許多優(yōu)異性能。例如,納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低,電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降,甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

納米半導(dǎo)體材料

利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力,因而它能氧化有毒的無機(jī)物,降解大多數(shù)有機(jī)物,最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等,所以,可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無機(jī)物和有機(jī)物。


6、納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑,這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全,導(dǎo)致表面的活性位置增加,使它具備了作為催化劑的基本條件。

納米催化劑

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑,可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600 ℃降低到室溫。


7、 醫(yī)療上的應(yīng)用

血液中紅血球的大小為6000~9000 nm,而納米粒子只有幾個(gè)納米大小,實(shí)際上比紅血球小得多,因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位,便可以檢查病變和進(jìn)行治療,其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好,21世紀(jì)的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復(fù)雜,而且一般只適用于制備硬材料。

介入性氣囊和導(dǎo)管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備,通過把具有高長(zhǎng)徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中,我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和容易加工成型的特性,一方面獲得更好的血液相溶性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這種納米復(fù)合材料引起血液溶血的程度會(huì)降低,激活血小板的程度也會(huì)降低。

納米醫(yī)療材料

使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì),并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便,用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(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,就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進(jìn)行修飾形成一些具有靶向,可控釋放,便于檢測(cè)的藥物傳輸載體,為身體的局部病變的治療提供新的方法,為藥物開發(fā)開辟了新的方向。


8、納米計(jì)算機(jī)

世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年,它是由美國(guó)的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的,一共用了18000個(gè)電子管,總重量30t,占地面積約170㎡,可以算得上一個(gè)龐然大物了,可是,它在1s內(nèi)只能完成5000次運(yùn)算。

經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì),由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語言和編程技術(shù)的發(fā)展,使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏,可以擺在一張電腦桌上,它的重量只有老祖宗的萬分之一,但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了第一代電子計(jì)算機(jī)。

納米計(jì)算機(jī)

如果采用納米技術(shù)來構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件,那么這種未來的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”,其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比,而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來十分可觀的效益。

可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后,可以縮小成為“掌上電腦”。


9、納米碳管

1991年,日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料,它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物,也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的,如圖所示。

這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的,因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍,導(dǎo)電率比銅還要高。

納米碳管

在空氣中將納米碳管加熱到700 ℃左右,使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞,成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬(如鉛)蒸發(fā)后凝聚在開口的納米碳管上,由于虹吸作用,金屬便進(jìn)入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小,因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì),被稱為納米絲,它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此,納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導(dǎo)體。(本文出自rpoey.cn  )

納米技術(shù)在世界各國(guó)尚處于萌芽階段,美、日、德等少數(shù)國(guó)家,雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ),但是尚在研究之中,新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國(guó)已努力趕上先進(jìn)國(guó)家水平,研究隊(duì)伍也在日漸壯大。


10、家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用,可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

納米塑料

11、環(huán)境保護(hù)

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染,并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾,從而消除污染。

納米膜

12、紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料,經(jīng)抽絲、織布,可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝,可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品,可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

納米纖維

13、機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理,可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

金屬表面涂層

因此,納米材料的研究與應(yīng)用是人類在材料科學(xué)領(lǐng)域的一大突破,在未來的數(shù)十年內(nèi)都將為社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域帶來非同尋常的改變,會(huì)產(chǎn)生更多超級(jí)材料,為人類生活帶來更多意想不到的奇跡。納米材料使很多現(xiàn)實(shí)世界中的不可能變?yōu)榭赡埽脴O微觀的辦法和量子力學(xué)等理論呈現(xiàn)給人類一個(gè)超大的創(chuàng)新空間。

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