納米材料在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用.doc

。納米材料在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用 提起“納米”這個詞，可能很多人都聽說過，但什么是納米，什么是納米技術(shù)，可能很多人并不一定清楚。著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman在 20世紀(jì) 60年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。 納米是英文namometer的譯音，是一個物理學(xué)上的度量單位，簡寫是nm，1納米是1米的十億分之一；相當(dāng)于45個原子排列起來的長度。通俗一點說，相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。就象毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，并沒有物理內(nèi)涵。納米技術(shù)，是指在0.1100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運動規(guī)律和特性的一項嶄新技術(shù)?？茖W(xué)家們在研究物質(zhì)構(gòu)成的過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數(shù)原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)，就稱為納米技術(shù)。 納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科技現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機械學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技，人類正越來越向微觀世界深入，人們認(rèn)識、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森也曾指出，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。然而我們將就納米技術(shù)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用來看看納米技術(shù)的應(yīng)用前景。關(guān)于納米技術(shù)在顯示生活中的應(yīng)用主要就是納米材料的應(yīng)用，關(guān)于納米材料有很多種，其在生活中的存在和應(yīng)用也很普遍。 納米材料的蓮花效應(yīng)。蓮花雖生長于池塘的淤泥中，但它露在水面上的蓮花荷葉卻出污泥而不染，美麗而潔凈，它可說是運用自然的納米科技來達(dá)成自我潔凈的最佳實例。照理說荷葉的基本化學(xué)成分?多醣類的碳水化合物，有許多的羥基（-OH）、（-NH）等極性原子團，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污垢。但灑在荷葉葉面上的水卻會自動聚集成水珠，且水珠的滾動把落在葉面上的塵埃污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈。經(jīng)過科學(xué)家的觀察研究，在1990年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。經(jīng)過電子顯微鏡的分析，蓮花的葉面是由一層極細(xì)致的表面所組成，并非想象中的光滑。而此細(xì)致的表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度?微米至納米尺寸的大小。葉面上布滿細(xì)微的凸?fàn)钗镌偌由媳砻嫠嬖诘南炠|(zhì)，這使得在尺寸上遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，藉由液滴在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這樣的能力勝過人類的任何清潔科技。這就是蓮花納米表面自我潔凈的奧妙所在。利用了蓮花效應(yīng)，中國是在世界上第一個做出仿荷葉結(jié)構(gòu)的防水納米布的國家，是中科院化學(xué)所做出來的。用顆粒大小為20納米左右的聚丙烯水分散液，浸軋，光照。使顆粒粘結(jié)在纖維表面上，形成凸凹不平的表面結(jié)構(gòu)，成為雙疏材料，即疏水又疏油。用油或水往這種布上倒，都不會浸濕，也不會玷污。我們用這種材料做成衣服，就會防水。如果用這種材料處理玻璃，做成表面凸凹不平的結(jié)構(gòu)，看起來沒有任何問題，但不會結(jié)霧，不會沾水。可以從荷葉超強的疏水性，我們可以制作類似荷葉上有納米材料的雨傘，就像“荷葉面”雨傘，撐雨疏水，抖水即干，不必?fù)?dān)心帶到室內(nèi)會滴水了。常見納米材料 1、納米阻燃劑。納米阻燃劑可分為無機納米微粒阻燃劑和納米復(fù)合物阻燃劑兩種。無機阻燃劑是應(yīng)用最早的阻燃劑,它具有無毒、低煙、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、無二次污染的優(yōu)點。無機阻燃劑通常通過填充方式添加到高分子材料中,制備成高分子阻燃材料。傳統(tǒng)的無機阻燃劑的粒徑較大,而且不均勻,直接影響其阻燃性和其他性能,因此,為更好地發(fā)揮阻燃效果,無機阻燃劑的超細(xì)化將是今后的發(fā)展方向。采用納米技術(shù)將無機阻燃劑微粒細(xì)化,使其粒徑在納米級范圍,使微粒的大小和形態(tài)都更均勻,就能大大地減少阻燃劑的添加量,從而減輕對織物性能的影響,克服無機阻燃劑的最大缺點。超細(xì)化的氫氧化鎂、二氧化二銻以及氫氧化鋁、硼酸鋅等無機阻燃劑,均已廣泛應(yīng)用于阻燃材料中。用其做窗簾，墻紙，遇上著火，既不會燃燒，也可以防患與未然。 2、納米技術(shù)電池。所謂的納米技術(shù)電池，就是在電池的制造過程中，采用納米技術(shù)材料或者制造工藝，生產(chǎn)制造出具有特別高性能的電池產(chǎn)品。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對電池的需求量愈來愈多，人們總是希望得到一種容量大、功率高、性能優(yōu)、價格廉的電池。但是，由于客觀實際的限制，在現(xiàn)實中的電池總是無法全面滿足人們的要求。電池界的專家學(xué)者在孜孜不倦的追求著電池性能的提高，經(jīng)歷了一代又一代人的不懈努力。納米級的物質(zhì)被應(yīng)用在電池的制造中，就會產(chǎn)生顯著的特性。強大的比表面活性能量和良好的導(dǎo)電性能，在參與電化學(xué)反應(yīng)的時候，納米顆粒物質(zhì)在極板內(nèi)部形成新的活性物基核，改善和增強電極結(jié)構(gòu)，極大地提高電極的電化學(xué)反應(yīng)表面，降低了電化學(xué)反應(yīng)的能壘。因此，納米技術(shù)材料的應(yīng)用可以顯著的降低蓄電池的內(nèi)阻，抑制蓄電池在充放電過程中，因為溫度和電極極化等原因而導(dǎo)致的極板飩化，從而有效的提高電池的性能，使得蓄電池電化學(xué)反應(yīng)的可逆性更好、充放電效率更高、功率更大、電池更加容易均衡一致、低溫性能限制改善。因此，采用納米技術(shù)材料的蓄電池，其容量比常規(guī)電池的容量高，壽命比常規(guī)電池壽命長，大電流工作能力比常規(guī)電池強，低溫性能比常規(guī)電池優(yōu)。納米技術(shù)電池的顯著優(yōu)點更主要集中表現(xiàn)在電池使用的中后期。一般情況，納米技術(shù)電池前期對容量及功率的改善效果只是常規(guī)電池的5%-15%，中期對容量及功率的改善效果比常規(guī)電池高出20%-30%，后期對容量及功率的改善效果比常規(guī)電池高出可以達(dá)到50%以上。新太納米技術(shù)電池的種類有：納米技術(shù)型免維護中低倍率鎘鎳蓄電池；納米技術(shù)型免維護燒結(jié)式超高倍率鎘鎳蓄電池；納米技術(shù)型免維護閥控式密封鉛酸電池；納米技術(shù)型鋅鎳動力電池。3、納米塑料。通用塑料指聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和丙烯酸類塑料等大塑料品種。對于這類塑料的改性，過去多是采用加入填充料的方式，首先是為了降低成本，后來是為了增加和增韌以得到工程塑料，并進一步向塑料功能化發(fā)展，通過添加料的方法得到具有導(dǎo)電、抗靜電、熱塑磁性和壓敏等功能的塑料。納米材料的出現(xiàn)，為天加型塑料提供了廣闊的空間。通用塑料首當(dāng)其沖，納米技術(shù)最早就是用于通用塑料的改性。例如：納米碳酸鈣對高密度聚乙烯的改性，在加入碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%以下時，其耐沖擊強度隨加入碳酸鈣的增加而增加，拉伸和彎曲強度也有所提高。在此，填料有一個最大加入百分比，即有一個加入最大值，而且，該值和碳酸鈣的表修飾類型有關(guān)。未經(jīng)地表面修飾處理的納米碳酸鈣填充體系的沖擊強度隨碳酸鈣用量呈逐漸增加趨勢，碳酸鈣用量越多，材料沖吉加度越大。經(jīng)表面處理后，材料的沖擊強度隨碳酸鈣用量變化規(guī)律已完全改變。材料在低納米碳酸鈣含量（約4%6%）時即實現(xiàn)增韌目的，沖擊強度提高接近一倍，增韌效果顯著；當(dāng)碳酸鈣用量進一步增加時，材料的沖擊強度呈緩慢下降。幾種表面處理劑對拉伸彎曲性能的影響基本相同；與處理體系相比，表面處理后材料的拉伸、彎曲性能并無明顯改善。由處理和未經(jīng)處理的兩種試樣沖擊斷面和斷抽圖SEM照片可知，經(jīng)過處理體系的沖擊斷面上有較多牽伸結(jié)構(gòu)，拉絲較多；基體上無明顯可見裂紋，基體發(fā)生明顯的塑性變形，吸收了大量能量。脆斷面的電鏡表明納米粒子分布均勻，附聚團粒小。未經(jīng)處理體系的沖擊斷面上出現(xiàn)有許多斷裂裂紋，是導(dǎo)致沖擊強度較低的原因；且未經(jīng)處理的試樣，粒子分布不均，附聚顆粒較大。 4、可以抗紫外線的納米材料。研究和開發(fā)防紫外線的功能性織物，是目前國際化纖紡織業(yè)的重點。目前，傳統(tǒng)的抗紫外線紡織品主要采用共混熔融紡絲法，該方法將抗紫外添加劑與成纖聚合物共混并一同進行熔融紡絲，抗紫外添加劑多為有機化合物，存在一定的毒性和刺激性，容易造成皮膚化學(xué)性過敏。近年來無機紫外線遮蔽劑的研究突飛猛進，納米TiO2是其中優(yōu)秀代表。上海交大納米氧化鈦（TiO2）抗紫外纖維通過了上海市科委組織的專家鑒定，納米TiO2具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無味、無毒、無刺激性，使用安全，尤其是吸收紫外線能力強，對UVA區(qū)和UVB區(qū)紫外線都有屏蔽作用，可見光透過率大。采用該項目具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米氧化鈦與聚酯原位聚合方法，制備納米TiO2/聚酯復(fù)合材料，真正實現(xiàn)了納米顆粒在高聚物中的納米級分散，不僅提高了紡絲效率，而且使材料的力學(xué)、熱學(xué)性能得到了較大提高，織物的紫外線屏蔽指數(shù)大于50,在280400納米波段紫外線屏蔽率大于95%，紫外線透過率小于3%。據(jù)悉，該項目成果可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)帳篷、遮陽傘、夏季女裝、野外工作服、訓(xùn)練服、運動服、窗簾織物、廣告布等。采用本技術(shù)的抗紫外織物還具有防暑、隔熱、觸感涼爽的性能，特別適宜織造高檔T恤衫、運動服、訓(xùn)練服等夏季涼爽面料。據(jù)統(tǒng)計，世界功能性紡織品的需求量超過500億米，我國功能紡織品的需求量近50億米。納米TiO2抗紫外纖維技術(shù)市場前景將非常廣闊。納米材料的應(yīng)用一、生物學(xué)中。納米生物學(xué)用來研究在納米尺度上的生物過程,從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。如在金屬鐵的超細(xì)顆粒表面覆蓋一層厚為520 nm的聚合物后,可以固定大量蛋白質(zhì),特別是酶,從而控制生化反應(yīng)8。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合,研究分子生物器件,利用納米傳感器,可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息,從而了解機體狀態(tài),深化人們對生理及病理的解釋。以納米尺寸去認(rèn)識生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及功能的聯(lián)系,按人類的意愿進一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于納米技術(shù)的運用而變得更加可控,人類可以自己控制所需要的生物產(chǎn)品,農(nóng)、林、牧、副等行業(yè)以及人類的食品結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生重要變革,用納米生物工程、納米化學(xué)工程合成的“食品”將極大豐富食品的數(shù)量和種類。 (2)醫(yī)學(xué)中。研究人員發(fā)現(xiàn),生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體,其線度在1520nm之間,并且生物體內(nèi)的多種病毒也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小,因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中,輸送到人體的各個部位,將可以作為監(jiān)測和診斷疾病的手段?？蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米SiO2微粒進行了細(xì)胞分離,用金的納米粒子進行定位病變治療,以減少副作用等。另外,利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進展,現(xiàn)在已用于臨床動物實驗,估計不久的將來即可服務(wù)于人類。 研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人,在血液中循環(huán),對身體各部位進行檢測、診斷,并實施特殊治療,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動脈脂肪沉積物,甚至可以用其吞噬病毒,殺死癌細(xì)胞。這樣在不久的,將來被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解,從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命。二、納米材料在環(huán)保方面的應(yīng)用 納米材料的控制污染源方面可起到關(guān)健性的作用。主要體現(xiàn)在它降低能源消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資深消耗;減少廢物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染。 (1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、異味污染物、細(xì)菌、病毒等。傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題,納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以徹底解 決這一問題。納米材料在環(huán)保中的應(yīng)用主要與納米粒子的化學(xué)催化和光催化特性有關(guān)。除已經(jīng)提到的光催化降解廢水的納米材料以外,另有許多納米材料可以用來治理有害氣體和廢水,并已走出實驗室而進入實用階段。利用納米TiO2表面具有超親水性和超親油性的特點,在玻璃表面涂覆納米TiO2可以制成自清潔外墻玻璃,具有防污、防霧、易洗、易干、自清潔等功能。 (2) 在大氣污染治理方面。大氣污染一直是各國政府需要解決的難題。納米技術(shù)及材料的應(yīng)用將會為我們解決大氣污染問題提供全新的途徑。工業(yè)生產(chǎn)和汽車使用的汽油、柴油等,在燃燒時會產(chǎn)生二氧化硫氣體,這是二氧化硫最大的污染源。復(fù)合稀土化物的納米級粉體具有極強的氧化還原性能,是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可徹底解決汽車尾氣的污染問題。新裝修房間的空氣中有機物濃度高于室外,甚至高于工業(yè)區(qū),目前已從空氣中鑒定出幾百種有機物質(zhì),其中有些是致癌物。研究表明,納米二氧化鈦可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果幾乎可達(dá)到100%。 (3)城市固體垃圾處理方面。將納米技術(shù)及材料應(yīng)用與城市固體垃圾處理,主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末,除去其中的異物,成為再生原料回收;另一方面,可以應(yīng)用納米二氧化鈦加速城市垃圾的降解,其降解速度是大顆粒二氧化鈦的10倍以上,從而可以緩解大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。 五、納米材料在其他方面的應(yīng)用 利用先進的納米技術(shù),在不久的將來,可制成含有納米電腦的可人-機對話并具有自我復(fù)制能力的納米裝置,它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個操作動作。在軍事方面,利用昆蟲作平臺,把分子機器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報,使目標(biāo)喪失功能。 利用納米技術(shù)還可制成各種分子傳感器。和探測器利用納米羥基磷酸鈣為原料,可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中,并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放,則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。另外,還可利用碳納米管來制作儲氫材料,用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器;利用具有強紅外吸收能力的納米復(fù)合體系來制備紅外隱身材料,都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。 六、納米材料的前景 納米材料的研究,它使人類在改造自然方面進入了一個新的層次,即進入到原子、分子的納米層次。納米技術(shù)的核心是按人們的意志直接操縱單個原子、分子或原子團、分子團,制造具有特定功能的產(chǎn)品。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時在起作用,它們對材料某一種性能的貢獻(xiàn)大小、強弱