納米科技與生活

李賓 周桓竹 蘇學偉 王鑫

【摘 要】近年來，納米科技發(fā)展突飛猛進，與我們的生活聯(lián)系也越來越緊密。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、制備方法；對其廣泛的應用領域：電子信息、能源環(huán)境、軍事航天、生物醫(yī)學、民用日常生活等展開論述，并就其應用中存在的問題進行分析，展望了納米科技未來的發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】納米材料；基本效應；制備；應用

中圖分類號： TB383 文獻標識碼： A 文章編號： 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）是一個長度單位，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，但對于很小的原子和很大的分子的物質(zhì)往往會突破這個下限和上限）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，同時利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)，對原子、分子進行操縱和加工的多學科交叉的科學和技術[1]。納米材料發(fā)展迅速。早在1000多年以前，中國人就利用燃燒的蠟燭制成炭黑，將其作為墨的原料。20世紀初，人類制備出了鉑納米催化顆粒。上世紀60年代初，日本的物理學家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，美國人用激光驅(qū)動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用也越來越廣泛。

1 概念與分類

納米材料（nanometer materials）又稱為納米級結構材料，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)為基本結構單元所構成的超精細顆粒材料的總稱。從狹義上講，它是原子團簇、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構狀態(tài)的不同，還可將其分為納米晶體、納米非晶體、納米準晶材料。納米材料的特征尺寸在1～100nm之間，由于其獨特的尺寸效應，因而會呈現(xiàn)出許多大塊材料不具備的特殊性質(zhì)，如優(yōu)異的物理化學性能、較好的力學性能、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

納米材料具有表面與界面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。納米材料的表面效應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，一是光學性質(zhì)，所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色；二是熱學性質(zhì)，納米顆粒的熔點相較于宏觀物體的會顯著降低。三是磁學性質(zhì)，當純鐵直徑小于6nm時，其矯頑力降低為零，呈顯出超順磁性?？蓮V泛地應用于電聲器件、阻尼器件。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力，稱其為隧道效應，它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應、隧道效應將會是未來微電子器件的基礎，同時必須考慮量子尺寸效應，它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限。

3 納米材料的制備

納米材料的制備對于其微觀結構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法兩大類。物理法包括惰性氣體蒸發(fā)法、爆炸法、嚴重塑性變形法、激光束法、機械合金化法等；化學法包括氣相燃燒合成法、溶膠-凝膠法、有機液相合成法等。其它的方法還有氣相蒸發(fā)法、配位沉淀法、熱解法、微波等離子體化學氣相沉積法等制備方法[5]。在制備生產(chǎn)中應根據(jù)實際條件以及對設計對象的微觀結構和宏觀性能選擇合適的制備方法。

4 應用

納米材料物質(zhì)尺寸的微細化使得其表面電子結構和晶體結構發(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、磁以及化學等宏觀特性，在諸多領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

4.1 電子信息

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

4.2 生物醫(yī)學

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

4.3 能源與環(huán)境

浙江大學富勒稀跨學科研究小組[8]參照太陽能光電轉(zhuǎn)化的技術原理及科研新成果，運用復合納米碳管材料制成光電轉(zhuǎn)換薄膜。納米技術可增加氫能作為石油替代燃料的可行性。美國能源部有關國家實驗室正在研發(fā)利用碳納米過濾材料從氨水中提取氫的新工藝，以便未來以氨水形式更容易、更方便地存儲和運輸液態(tài)氫[9]。利用納米技術發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術，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性能，可實現(xiàn)紅外微波吸收兼顧等要求。在軍事上能用于隱形飛機、隱形艦船、隱形巡航導彈等[11]。在固體火箭推進劑中添加納米級鋁粉或鎳粉，推進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劑燃速比含有常規(guī)鋁粉的固體推進劑的燃速高5～20倍[12]。

5 問題與展望

近年來，納米材料毒性的研究取得了很大進展，包括體內(nèi)和體外實驗研究納米材料與生物大分子、細胞、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，但整體上仍處于實驗研究階段，材料研究者任重道遠，如何將實驗理論研究成果實現(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)展示了良好的應用前景，引起了人們的高度重視。隨著對納米科技研究的日趨深入，必將對科學技術以及人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠的影響。

【參考文獻】

[1]徐云龍，趙崇軍，錢秀珍.納米材料學概論[M].華東理工大學出版社，2008.

[2]李嘉，尹衍升，張金升，等.納米材料的分類及基本結構效應[J].現(xiàn)代技術陶瓷，2003，24（2）：26-30.

[3]邢明，羅亞明.食品納米包裝與防偽技術綜合應用的探究[J].包裝工程，2007，28（5）：182-184.

[4]高善民，孫樹聲.納米材料的制備[J].現(xiàn)代化工，1999，19（10）：46-48.

[5]朱世東，徐自強，白真權，等.納米材料國內(nèi)外研究進展Ⅱ——納米材料的應用與制備方法[J].熱處理技術與裝備， 2010，31（4）：1-8.

[6]王德禧.2006年納米材料應用技術進展[J].國外塑料， 2007，25（1）：38-43.

[7]王中林.納米發(fā)電機作為可持續(xù)性電源與有源傳感器的商業(yè)化應用[J].中國科學：化學，2013，43（6）：759-762.

[8]王淼，李振華.納米材料應用技術的新進展[J].材料科學與工程學報，2000，18（1）：103-105.

[9]王德禧.2006年納米材料應用技術進展[J].國外塑料， 2007，25（1）：38-43.

[10]劉維平，邱定蕃，盧惠民.納米材料制備方法及應用領域[J].化工礦物與加工，2003，32（12）：1-5.

[11]秦拴獅.納米材料在軍事上的應用[C].全國納米材料和技術應用會議.2003.

[12]宋文國.納米材料在航空航天領域的應用[J].軍民兩用技術與產(chǎn)品，2010（6）：3-4.