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納米材料科技論文篇一
光催化； 納米材料； 環(huán)境保護(hù)；
工業(yè)廢水和廢氣中都含有較多的毒害物質(zhì)， 比如有機(jī)磷農(nóng)藥或是二氯乙烯等， 這些物質(zhì)對(duì)于人體的影響都是十分明顯的。傳統(tǒng)的水處理方式， 比如吸附法、混凝法等方法在現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)中仍然存在較大的困難， 效果并不理想， 所以在今后的實(shí)際發(fā)展過(guò)程中就需要不斷探索和獲取一種經(jīng)濟(jì)、合理的方式， 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)方法處理后水中的殘留物質(zhì)進(jìn)行更有效的降解。1976年， 科學(xué)家在對(duì)紫外線光照射下對(duì)納米ti o2進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)這種方式可以將難以降解的有機(jī)化合物多氯聯(lián)苯脫氯進(jìn)行有效降解。當(dāng)前， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)3000余種難降解的有機(jī)化合物都可以借助此種方式進(jìn)行降解， 尤其是水中有機(jī)污染物濃度較低或是其他降解方式不佳的時(shí)候， 這項(xiàng)技術(shù)更是能發(fā)揮出前所未有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
光催化的納米材料采用的絕大多數(shù)都是金屬氧化物或是硫化物等半導(dǎo)體材料， 是一種特殊的電子結(jié)構(gòu)。和金屬相比， 這種半導(dǎo)體存在明顯的不連續(xù)性， 在對(duì)電子的低能價(jià)帶進(jìn)行填滿的過(guò)程中會(huì)和空的高能導(dǎo)帶存在明軒的禁帶， 所以當(dāng)二者產(chǎn)生的能量大于光照射的時(shí)候， 在價(jià)帶上的電子就會(huì)被轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶上， 最終在半導(dǎo)體表面形成具備高活性的電子[1]。
在光催化反應(yīng)中， 獲取光激發(fā)所出現(xiàn)的空穴， 和對(duì)給體或是受體產(chǎn)生的作用也是有效的。所以在實(shí)際工作中為了確保光催化反應(yīng)能更有效的進(jìn)行， 就應(yīng)該適當(dāng)降低電子和空穴之間的簡(jiǎn)單復(fù)合。
(一) 光催化納米技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的水處理方式中可以對(duì)污水中出現(xiàn)的懸浮物質(zhì)或是泥沙等大顆粒的污染物進(jìn)行去除， 但是對(duì)于濃度較低的可溶性物質(zhì)卻很難進(jìn)行有效的處理， 并且由于這項(xiàng)工作的工作效率比較低， 花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本比較高， 所以很多時(shí)候并不能進(jìn)行有效的處理。但是借助納米材料的光催化方法， 就可以將很多難以降解而定污染物進(jìn)行合理轉(zhuǎn)變， 從而將原本水中的污染物轉(zhuǎn)化為水分子或是二氧化碳等無(wú)污染的分子物質(zhì)。
比如在對(duì)有機(jī)廢水的處理環(huán)節(jié)中， 光催化納米材料就可以將水中的絕大多數(shù)有機(jī)污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化， 使其成為無(wú)污染的物質(zhì)， 比如可以將酸。表面活性劑等有機(jī)污染物進(jìn)行氧化， 使其轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚨趸嫉葻o(wú)害的物質(zhì)。借助納米材料可以的對(duì)物質(zhì)表面性能進(jìn)行轉(zhuǎn)變， 通過(guò)這種方式對(duì)水中納米的分散性進(jìn)行優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光激發(fā)作用下產(chǎn)生的電子和空穴復(fù)合問(wèn)題進(jìn)行抑制， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)催化活性的提升[2]。
再比如對(duì)無(wú)機(jī)廢水的處理環(huán)節(jié)中， 由于無(wú)機(jī)物在納米粒子表面存在明顯的光化學(xué)活性， 因此光催化納米材料后所出現(xiàn)的電子和空穴都可以對(duì)高氧化狀態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行還原， 也就是借助此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)物污染的有效消除。
(二) 光催化納米技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用
對(duì)大氣污染產(chǎn)生影響的主要成分就是二氧化硫、一氧化碳等物質(zhì)， 這些氣體如果長(zhǎng)期存在于空氣中必然會(huì)對(duì)人體的健康造成不利的影響。光催化劑可以和一些氣體吸附劑進(jìn)行有效結(jié)合， 從而更有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)降解濃度的有效降低。
將一些對(duì)日光有相應(yīng)的半導(dǎo)體納米材料涂抹在墻壁或是其他合理的位置上可以形成空氣清潔劑的作用， 而二氧化硫、一氧化碳等物質(zhì)吸附在上面的時(shí)候， 就可以在光的作用下被轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)， 這種方式對(duì)于去除臭氣的影響也是十分重要的環(huán)節(jié)[3]。納米對(duì)于氟利昂具備較強(qiáng)的光催化活性， 因此將這以技術(shù)進(jìn)行融合后， 可以在表面對(duì)酸性進(jìn)行催化， 通過(guò)這種方式獲取較高的光催化活性作用， 這對(duì)于物質(zhì)穩(wěn)定性的提升也將起到一定的幫助作用。
此外， 納米技術(shù)還能對(duì)室外的氣象有機(jī)污染物進(jìn)行分解， 比如在紫外線的照射下， 納米材料可以將室內(nèi)裝飾建材中產(chǎn)生的甲醛、氯乙烯等物質(zhì)進(jìn)行有效分解。將活性炭纖維作為重要載體的過(guò)渡金屬離子中適當(dāng)進(jìn)行納米材料光催化劑的融合， 通過(guò)此種方式將紫外線光照射下濃度更低的甲醛進(jìn)行或降解， 但是這種技術(shù)手段對(duì)于濃度高的污染物降解效果比較差， 同時(shí)由于使用時(shí)間的增加， 最終催化劑的活性也將大大降低， 最終甚至?xí)霈F(xiàn)活性的完全消失。
綜上所述， 光催化納米材料在當(dāng)前環(huán)境保護(hù)中有著越來(lái)越顯著的應(yīng)用， 不僅可以對(duì)難處理的污染物進(jìn)行有效處理， 同時(shí)還能借助自身的吸附作用對(duì)低濃度的有害物質(zhì)進(jìn)行分解。在當(dāng)前光催化納米技術(shù)的不斷發(fā)展過(guò)程中， 環(huán)境保護(hù)工作效率和質(zhì)量也必然會(huì)得到顯著提升?？偠灾?， 當(dāng)前我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作已經(jīng)受到了越來(lái)越多的影響， 甚至對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生了威脅， 所以在此種背景下， 更需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究， 不斷為我國(guó)環(huán)保工作的順利開(kāi)展提供幫助作用， 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)工作的順利進(jìn)行。
[1]熊玉寶。光催化納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究[j].低碳世界， 2018， 58 (06) ：28-29.
[2]王騫。ti o2光催化納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[j].鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2016， 13 (06) ：17-20.
[3]于兵川， 吳洪特， 張萬(wàn)忠。光催化納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[j].石油化工， 2014， 36 (05) ：491-495.
納米材料科技論文篇二
淺談納米尺寸效應(yīng)及其應(yīng)用
納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來(lái)絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級(jí)界限時(shí)開(kāi)始導(dǎo)電。這是由于納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點(diǎn)，以及其特有的三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。 小尺寸效應(yīng)?，F(xiàn)在從尺寸效應(yīng)探討其特性和應(yīng)用。
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。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)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。量子尺寸效應(yīng)指當(dāng)金屬或半導(dǎo)體從三維減小至零維時(shí)，載流子在各個(gè)方向上均受限，隨著粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻爾半徑）時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體納米微粒的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶過(guò)渡到分立結(jié)構(gòu)的能級(jí)，表現(xiàn)在光學(xué)吸收譜上從沒(méi)有結(jié)構(gòu)的寬吸收過(guò)渡到具有結(jié)構(gòu)的特征吸收。量子尺寸效應(yīng)帶來(lái)的能級(jí)改變、能隙變寬，使微粒的發(fā)射能量增加，光學(xué)吸收向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)（藍(lán)移），直觀上表現(xiàn)為樣品顏色的變化，如cds微粒由黃色逐漸變?yōu)闇\黃色，金的微粒失去金屬光澤而變?yōu)楹谏?。同時(shí)，納米微粒也由于能級(jí)改變而產(chǎn)生大的光學(xué)三階非線性響應(yīng)，還原及氧化能力增強(qiáng)，從而具有更優(yōu)異的光電催化活性[5,6]。
第頁(yè) 納米材料與技術(shù)是在20世紀(jì)80年代末才逐步發(fā)展起來(lái)的前沿交叉性新興學(xué)科領(lǐng)域，它與住處技術(shù)和生物技術(shù)一起并稱為21世紀(jì)三大前沿高新技術(shù)，并可能引導(dǎo)下一場(chǎng)工業(yè)革命。
納米技術(shù)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母咝陆徊婕夹g(shù)，人類(lèi)剛剛邁進(jìn)門(mén)檻，就顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的生命力。有些納米材料（如納米金剛石）經(jīng)過(guò)表面改性和分散，可以均勻分布到聚合物的熔融體中，經(jīng)過(guò)噴絲、冷卻形成具有特殊功能的納米纖維，添加比列很低，但每根短纖維上有成千上萬(wàn)個(gè)納米顆粒?？梢宰鞒筛呖鼓ァ⒆郧鍧?、防雨、防紫外線、防靜電、殺菌、紅外隱形等功能布料，很有發(fā)展前景。
將人類(lèi)帶入新的微觀世界。人類(lèi)可以從新的納米技術(shù)領(lǐng)域獲得很大好處。利用這項(xiàng)技術(shù)的目的是在納米尺寸上操縱物質(zhì)，以創(chuàng)造出具有全新分子組織形式的結(jié)構(gòu)。這有可能改變未來(lái)材料和裝置的生產(chǎn)方式，并且給人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)益處。
比如，利用精確控制形狀和成分的納米“磚塊”，人類(lèi)有可能合成出自然界沒(méi)有的材料。然后可以把這些材料組裝成更輕更硬的較大結(jié)構(gòu)，而且這種結(jié)構(gòu)還具有課設(shè)計(jì)性。例如，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)曾經(jīng)發(fā)布的一份研究報(bào)告就描述了這些設(shè)想的特種新奇材料的特性。這些材料具有多種功能，并能夠感知環(huán)境變化而且作出相應(yīng)的反應(yīng)。比如，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)一種強(qiáng)度是鋼鐵10倍的材料，具有超導(dǎo)彈性，透明材料和具有更高熔點(diǎn)的材料。吧納米技術(shù)用于儲(chǔ)存器，那么可以是整個(gè)圖書(shū)館的信息放入只有糖塊一樣大的小裝置中。也就是說(shuō)，納米技術(shù)不只是向小型化邁進(jìn)了一步，而且是邁入了一個(gè)嶄新的微觀世
第頁(yè) 界。
傳統(tǒng)的解釋材料性質(zhì)的理論，只是用于大于臨界長(zhǎng)度100納米的物質(zhì)。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)的某個(gè)維度小于臨界長(zhǎng)度，那么物質(zhì)的性質(zhì)就常常無(wú)法用傳統(tǒng)的理論去解釋。而科學(xué)家正試圖在大哥分子或原子尺度到十萬(wàn)個(gè)分子的尺度之內(nèi)發(fā)現(xiàn)新奇的現(xiàn)象。
美國(guó)國(guó)納米技術(shù)計(jì)劃初期研究的重點(diǎn)是，在分子尺度上具有新奇的特性并且系統(tǒng)、物理和化學(xué)性能有明顯提高的材料。比如，在納米尺度上，電子和原子的交互作用受到變化因素的影響。這樣，在納米尺寸上組織物質(zhì)的結(jié)構(gòu)就有可能使科學(xué)家在不改變材料化學(xué)成分的前提下，控制物質(zhì)的基本特性，比如磁性、蓄電能力和催化能力等。又如在納米尺度，生物系統(tǒng)具有一套成系統(tǒng)的組織，這使科學(xué)家能夠把人造組件和裝配系統(tǒng)放入細(xì)胞中，以制造出結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)組織后的新材料，有可能使人類(lèi)模擬自然的自行裝配。還有，納米組件有很大的表面積，這能夠使它們成為理想的催化劑和吸收劑等，并且在放電能和向人體細(xì)胞施藥方面派上用場(chǎng)。利用納米技術(shù)制造的材料與一般材料相比，在成分不變的情況下體積會(huì)大大縮小而且強(qiáng)度和韌性將得到提高。
美國(guó)西北大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種比色傳感器，已經(jīng)成功探測(cè)出結(jié)核桿菌。科學(xué)家把探測(cè)對(duì)象的dna附加在納米大小的黃金微粒上。當(dāng)互補(bǔ)的微粒在溶液中存在時(shí)，黃金微粒會(huì)緊緊地結(jié)合在一起，改變懸浮液的顏色。
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由
第頁(yè) 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)。對(duì)超微粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積也顯著增加，從而產(chǎn)生如下的新奇的性質(zhì)：特殊的光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。具體的光學(xué)性質(zhì)是當(dāng)黃金被分割到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，尺寸越小，顏色愈是黑。由此可見(jiàn)，金屬超微顆粒對(duì)反光的反射率很低。熱學(xué)性質(zhì)具有高矯頑力的特征，已經(jīng)作為高儲(chǔ)存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶。利用磁性，人們已經(jīng)將磁性超微粒制成用途廣泛的磁性液體。力學(xué)性質(zhì)是具有良好的任性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此變現(xiàn)出很好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯辛姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3到5倍。
一般常見(jiàn)的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無(wú)法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí)，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí)，將成為優(yōu)異的磁性材料。
我們對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要不斷的探索和研究。相信通過(guò)不斷的深入，一定會(huì)使納米在更多的領(lǐng)域里發(fā)揮作用，服務(wù)于生產(chǎn)和生活。
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參考文獻(xiàn)：
張力德、牟季美《納米材料和納米結(jié)構(gòu)》科學(xué)出版社，2002 陳敬忠、劉劍洪《納米材料科學(xué)導(dǎo)論》高等教育出版社，2006 黃昆原著，韓汝琦改編，《固體物理學(xué)》高等教育出版社，1988
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納米材料科技論文篇三
摘要：目前世界上上轉(zhuǎn)換納米熒光材料正處在發(fā)展階段，材料的選擇和合成有待于深入細(xì)致的研究。本文對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米晶的選擇和合成做了系統(tǒng)的討論。
關(guān)鍵詞： 納米材料 發(fā)光材料 上轉(zhuǎn)換發(fā)光 熒光材料 雙光子吸收 納米晶
近年來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)熒光標(biāo)記材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，特別是隨著納米技術(shù)的發(fā)展，能夠進(jìn)行生物標(biāo)記的無(wú)機(jī)納米晶成為人們追逐的熱點(diǎn)，但是由于生物背底同樣會(huì)產(chǎn)生熒光從而對(duì)熒光檢測(cè)形成干擾，于是不會(huì)產(chǎn)生背底干擾的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光標(biāo)記材料引起了人們的注意。
1.1納米材料簡(jiǎn)介
納術(shù)概念是1959年木，諾貝爾獎(jiǎng)獲得著理查德。費(fèi)曼在一次講演中提出的。他在“there is plenty of room at thebottom”的講演中提到，人類(lèi)能夠用宏觀的機(jī)器制造比其體積小的機(jī)器，而這較小的機(jī)器可以制作更小的機(jī)器，這樣一步步達(dá)到分子尺度，即逐級(jí)縮小生產(chǎn)裝置，以至最后直接按意愿排列原子，制造產(chǎn)品。他預(yù)言，化學(xué)將變成根據(jù)人仃〕的意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的技術(shù)問(wèn)題，這是最早具有現(xiàn)代納米概念的思想。20世紀(jì)80年代末、90年代初，出現(xiàn)了表征納米尺度的重要工具一掃描隧道顯微鏡(stm)，原子力顯微鏡(afm)一認(rèn)識(shí)納米尺度和納米世界物質(zhì)的直接的工具，極大地促進(jìn)了在納米尺度上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，出現(xiàn)了納米技術(shù)術(shù)語(yǔ)，形成了納米技術(shù)。 其實(shí)說(shuō)起來(lái)納米只是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1納米(nm)=10又負(fù)3次方微米=10又負(fù)6次方毫米(mm)=10又負(fù)9次方米(m)=l0a。納米科學(xué)與技術(shù)(nano-st)是研究由尺寸在1-100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。關(guān)于納米技術(shù)，從迄今為止的研究狀況來(lái)看，可以分為4種概念。在這里就不一一介紹了。
1.2上轉(zhuǎn)換納米材料介紹
稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過(guò)多光子機(jī)制把長(zhǎng)波輻射轉(zhuǎn)換成短波輻射稱為上轉(zhuǎn)換。所謂的上轉(zhuǎn)換材料就是指受到光激發(fā)時(shí)，可以發(fā)射比激發(fā)波長(zhǎng)短的熒光的材料。由此可見(jiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的本質(zhì)是一種反stokes發(fā)光，因此，也稱上轉(zhuǎn)換發(fā)光為反stokes發(fā)光。早在1959年，就出現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的報(bào)道。用960nm的紅外光激發(fā)多晶zns，觀察到了525nm綠色發(fā)光。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理可以歸結(jié)為4種情況：
(1)單離子的步進(jìn)多光子吸收，這實(shí)際上是激發(fā)態(tài)吸收(esa)的過(guò)程。
(2)直接雙光子吸收。這也是一個(gè)單離子過(guò)程，能量為e1和e2 (e1與e2可以相等也可以不相等)的兩個(gè)光子從一個(gè)虛擬的中間量子態(tài)被同時(shí)吸收終態(tài)e3=e1+e2。
（3）多個(gè)激發(fā)態(tài)離子的共協(xié)上轉(zhuǎn)換。
(4)光子雪崩吸收上轉(zhuǎn)換。
2.1 共沉淀法
共沉淀法因其方便、節(jié)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)也是一種發(fā)光材料制備中常用的方法，它之所以被使用，主要表現(xiàn)在制備金屬氧化物、納米材料等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，用沉淀法制備的樣品的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)溫度低，樣品純度高，粒徑小，分散性也很好。這種方法雖然是無(wú)機(jī)粉末發(fā)光材料合成的重要方法，但它對(duì)于復(fù)雜的多
組分體系的制備就可能存在一些問(wèn)題。岡為它對(duì)于原料的選擇會(huì)造成一定的困難，同時(shí)還要求各種組分具有相同或相近的水解或沉淀?xiàng)l件，這樣必將對(duì)所合成的多組分體系有一定的要求，從而限制了它的使用。．iohannes hampl等人用高溫流化床合成出了具有較好分散性的er，yb共摻的氧硫化物。合成時(shí)，將er，yb和y的硝酸鹽用尿素共沉淀，得到的沉淀在840℃下通過(guò)h2s和水蒸氣，最后在1500℃的流化床中用ar氣保護(hù)活化，這樣得到了尺寸大約400nm的粒子。硫化物的粒子形態(tài)較好，一般為圓形，但是要求較高的活化溫度(1500~)，在此溫度下粒子容易粘連，所以在硫化床中活化，這樣加大了合成的難度。
2.2水熱法
水熱法也是近幾年來(lái)研究無(wú)機(jī)發(fā)光材料中發(fā)明的又一新興 的合成方法。此法主要是在特制的反應(yīng)釜(高壓釜)中，采用水溶液作為反應(yīng)體系，通過(guò)將反應(yīng)體系加熱至臨界溫度(或接近臨界溫度)，在反應(yīng)體系中產(chǎn)生高壓環(huán)境從而在一定溫度和壓力下，使物質(zhì)在溶液中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種無(wú)機(jī)制備方法。在水熱法的基礎(chǔ)上，以有機(jī)溶劑代替水，采用溶劑熱反應(yīng)來(lái)制備發(fā)光材料是水熱法的一種重大改進(jìn)，可以適用于一些非水反應(yīng)體系的制備，從而打一大了水熱技術(shù)的適用范圍。
上轉(zhuǎn)換納米微粒的個(gè)最重要標(biāo)志是尺寸與物理的特征量相差不多，例如。當(dāng)上轉(zhuǎn)換納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)十分顯著。
與此同時(shí)，大的比表面使處于表面態(tài)的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別，這種表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納術(shù)微粒的光學(xué)特性有很大的影響。甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)的宏觀犬塊物體不具備的新的光學(xué)特性。
例如：
1.寬頻帶強(qiáng)吸收。納米氮化硅、碳化硅及氧化鋁粉對(duì)紅外有個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜。這是因?yàn)榧{米粒子大的比表面導(dǎo)致r平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大小材料不同，沒(méi)有一個(gè)單一的，擇優(yōu)的鍵振動(dòng)模．而存在個(gè)較寬的鍵振動(dòng)模的分布．在紅外光場(chǎng)作用下它們對(duì)紅外吸收的頻率也就存在個(gè)較寬的分布，這就導(dǎo)致了納米粒于紅外吸收帶的寬化。
2.吸收帶藍(lán)移現(xiàn)象。這可能由于兩方面原因，一是量子尺寸效應(yīng)，由于顆粒尺下降能隙變寬，這就導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向，ball等對(duì)這種藍(lán)移現(xiàn)象給出了解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級(jí)與未被電子占據(jù)分子軌道能級(jí)之間的寬度(能隙)隨顆粒直徑堿小而增大．這是產(chǎn)生藍(lán)移的根本原因。這種解釋對(duì)半導(dǎo)體和絕緣體都適用。另一種是表面效應(yīng)。由于納米微粒顆粒小，大的表面張力使晶格畸變，品格常數(shù)改變。對(duì)納米氧化物和氮化物小粒于研究表明第一近鄰和第二近鄰的距離發(fā)生變化。鍵長(zhǎng)的改變導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動(dòng)頻率改變，結(jié)果使光吸收帶發(fā)生移動(dòng)。 3．量子限域效應(yīng)。半導(dǎo)體納術(shù)微粒的半徑r<ab(激子玻爾半徑)時(shí)，電子的平均自由程受小粒徑的限制，局限在很小的范圍，空穴很容易與它形成激子，引起電子和空穴波函數(shù)的重疊，這就報(bào)容易產(chǎn)生激子吸收帶。
當(dāng)上轉(zhuǎn)換納米微粒的尺寸小到一定值時(shí)可在定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。1990年，日本佳能研究中心的h .tabagi發(fā)現(xiàn)，粒徑小于6nm的硅在室溫下可以發(fā)射可見(jiàn)光。隨半徑減小，發(fā)射帶強(qiáng)度增強(qiáng)并移向短波方向。當(dāng)粒徑大干6nm時(shí)，這種光發(fā)射現(xiàn)象消失。tabagi目認(rèn)為硅納米微粒的發(fā)光是載流子的量子限域效應(yīng)引起的。brus認(rèn)為，大塊硅不發(fā)光是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)存在平移周期性，由平移對(duì)稱性產(chǎn)生的選擇定則使得大尺寸硅不可能發(fā)光，當(dāng)硅粒徑小到某程度時(shí)(6nm)．平移對(duì)稱性消失，因此出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。
1 電沉積納米晶材料技術(shù) 屠振密[等]編著 2008
2 發(fā)光材料與顯示技術(shù) 徐敘瑢主編 2003
3 有機(jī)發(fā)光材料、器件及其平板顯示 李文連著 2002
4 有機(jī)電致發(fā)光材料及應(yīng)用 滕楓，侯延冰，印壽根等編著 2006 5 實(shí)用發(fā)光材料 余憲恩編著 2008
6 劉珍 梁偉 許并社 市野瀨英喜 《材料科學(xué)與工藝》 2000 第3期 7張中太 林元華 《材料工程》 2000 第3期
8 楊劍 滕鳳恩 《材料導(dǎo)報(bào)》 1997 第2期
9 納米材料及其技術(shù)的應(yīng)用前景 張中太 2000 材料工程
10 李彥 施祖進(jìn) 納米團(tuán)簇的超分子自組裝 [期刊論文] -化學(xué)進(jìn)展 11 張立德 納米材料的發(fā)展 1994(03)
納米材料科技論文篇四
課程論文
學(xué)生姓名：
王園園
學(xué)號(hào)：20130540
學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院
專業(yè)年級(jí)：材料化學(xué)2013級(jí)
題目：納米陶瓷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
指導(dǎo)教師：李萬(wàn)千老師
評(píng)閱教師：
2015年5月
1
目錄
摘要 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 3 abstract 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 1. 前言 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 2. 納米陶瓷的概念及其發(fā)展 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 5 3. 納米陶瓷的制備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 7 3．1納米陶瓷粉體的物理法制備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 7 3．2納米陶瓷粉體的化學(xué)法制備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 8 4. 納米陶瓷粉體的表征 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 10 4．1化學(xué)成分表征 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 10 4．2晶態(tài)表征 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 11 4．3顆粒度表征 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 11 4．4團(tuán)聚體表征 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 12 5. 納米陶瓷的性能 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 12
5．1納米陶瓷的致密化 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 12 5．2納米陶瓷的力學(xué)性能 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 13 6. 納米陶瓷的應(yīng)用及其展望 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 13 7. 參考文獻(xiàn)……………………………………………………… 12 摘要
20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的納米陶瓷，對(duì)陶瓷材料的性能產(chǎn)生了重要的影響，為陶瓷材料的利用開(kāi)拓了一個(gè)新的領(lǐng)域，已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。綜述了納米陶瓷材料近年來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用，重點(diǎn)論述了納米陶瓷的制備、性能及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)納米陶瓷的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。
3 abstract nanometer ceramics which are developed in the mid-eighties of the twentieth century have an important affect on the properties of ceramic materials. they have formed promising fields for the utilization of materials which has been one of the most popular fields of material research. the preparation and characterization of nanometer ceramic powders and the properties and application of nanometer ceramics are summarized. the future developments of nanometer ceramics were discussed.
4 1. 前言
納米陶瓷是一類(lèi)顆粒直徑界于1到100nm之間的多晶體燒結(jié)體。每個(gè)單晶顆粒的直徑非常小，例如，當(dāng)單晶顆粒直徑為5nm時(shí)，材料中的界面的體積約為總體積的50%，特就是說(shuō)，組成材料的原子有一半左右分布在界面上，這樣就減少了材料內(nèi)部晶體和晶界的性質(zhì)差異，使得納米陶瓷具有許多特殊的性質(zhì)[1]。納米功能陶瓷是指通過(guò)有效的分散復(fù)合而使異質(zhì)相納米顆粒均勻彌散地保留于陶瓷基質(zhì)結(jié)構(gòu)中而得到的復(fù)合材料，當(dāng)其具有某種特殊功能時(shí)便稱之為納米功能陶瓷。納米功能陶瓷的性能是和其特殊的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的，它的性能不僅取決于納米材料本身的特性，還取決于納米材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)[2]。
納米陶瓷是納米科學(xué)技術(shù)的重要分支，是納米材料科學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。納米陶瓷的研究是當(dāng)前陶瓷材料發(fā)展的重大課題之一。陶瓷是一種多晶體材料，是由晶粒和晶界所組成的燒結(jié)體，由于工藝上的原因，很難避免材料中存在氣孔和微小裂紋。決定陶瓷材料性能的主要因素有:組成和顯微結(jié)構(gòu)，即晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合性狀，其中最主要的是晶粒尺寸問(wèn)題，晶粒尺寸的減小將對(duì)陶瓷材料的力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響。圖1是陶瓷晶粒尺寸強(qiáng)度的關(guān)系圖。
5
圖1中的實(shí)線部分是現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到的，而延伸的虛線部分是希望達(dá)到的。從圖1中可見(jiàn)，晶粒尺寸的減小將使材料的力學(xué)性能有數(shù)量級(jí)的提高，同時(shí)由于晶界數(shù)量的大大增加，使可能分布于晶界處的第二相物質(zhì)的數(shù)量減小，晶界變薄使晶界物質(zhì)對(duì)材料性能的負(fù)影響減少到最低程度；其次晶粒的細(xì)化使材料不易造成穿晶斷裂，有利于提高材料的斷裂韌性；再次，晶粒的細(xì)化將有助于晶粒間的滑移，使材料具有塑性行為。納米材料的問(wèn)世將使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大大提高。納米陶瓷由于是介于宏觀和微觀原子、分子的中間研究領(lǐng)域，它的出現(xiàn)開(kāi)拓了人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的新層次，將給傳統(tǒng)陶瓷工藝、性能及陶瓷學(xué)的研究帶來(lái)更多更新的科學(xué)內(nèi)涵。
2、 納米陶瓷的概念及其發(fā)展
所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材
6 料，也就是說(shuō)晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。陶瓷材料的脆性大、不耐熱沖擊、不均勻、強(qiáng)度差、可靠性低、加工困難等缺點(diǎn)大大地限制了陶瓷的應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，希望以納米技術(shù)來(lái)克服陶瓷材料的這些缺點(diǎn)，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。因此納米陶瓷被認(rèn)為是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑[3]。同時(shí)，納米陶瓷也為改善陶瓷材料的燒結(jié)性和可加工性提供了一條嶄新的途徑。
正是由于納米科學(xué)和陶瓷工藝學(xué)的發(fā)展與完善，使納米陶瓷概念的提出有了理論基礎(chǔ)。再加之研究手段和設(shè)備的進(jìn)步，比如電子顯微鏡，透射電子顯微鏡以及高分辨電鏡和分析電鏡等現(xiàn)代表征技術(shù)的發(fā)展，使納米陶瓷的研究、分析成為可能。另外由于納米材料的特殊性能，其與陶瓷材料結(jié)合不僅可以提高陶瓷本身一些重要的性能，而且也克服了陶瓷的缺點(diǎn)——脆性、熱沖低等，使納米陶瓷有了發(fā)展的空間與必要。在這種情況下，科研工作者在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始了納米陶瓷的研究，并且逐步取得了一些重要得成果。1987年，德國(guó)的karch等首次報(bào)道了所研制得納米陶瓷具有高韌性與低溫超塑性行為。目前，各國(guó)都相繼加大了對(duì)納米陶瓷研究的力度，以便能使傳統(tǒng)的性能優(yōu)良的陶瓷材料與新興的納米科技結(jié)合，從而產(chǎn)生“1+1>2”的效果，使納米陶瓷具有更高的特殊的使用性能，將其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防保護(hù)等領(lǐng)域必然會(huì)取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。雖然納米陶瓷的研究時(shí)間還不長(zhǎng)，許多理論尚未清楚，但經(jīng)過(guò)各國(guó)工作者的辛勤努力，在納米陶瓷研究方面還有許多成果，無(wú)論是對(duì)納米陶瓷的制備工藝還是性能都有
7 很大的提高。例如，美國(guó)的“morton internationals advanced materials group”公司開(kāi)發(fā)了一條生產(chǎn)sic陶瓷的革命性工藝——cvd原位一步合成納米陶瓷工藝。我國(guó)的科研工作者對(duì)該工藝進(jìn)行了研究，也取得了一些成果[4]。
3、 納米陶瓷的制備
3．1納米陶瓷粉體的物理法制備
目前物理方法制備清潔界面的納米粉體及固體的主要方法之一是惰性氣體冷凝法[5]。制備過(guò)程為:在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發(fā)源，由此產(chǎn)生的原子霧與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚而成納米尺寸的團(tuán)簇并，在液氮冷卻棒上聚集起來(lái)，最后得到納米粉體。其優(yōu)點(diǎn)是可在體系中加置原位壓實(shí)裝置，即可直接得到納米陶瓷材料。1987年美國(guó)argonne實(shí)驗(yàn)室的siegles采用此方法成功地制備了tio2納米陶瓷粉體，粉體粒徑為5～20nm。此方法的缺點(diǎn)是裝備巨大，設(shè)備投資昂貴不，能制備高熔點(diǎn)的氮化物和碳化物粉體，所得粉體粒徑分布范圍寬[5，6]。
還有一種方法叫高能機(jī)械球磨法，就是通過(guò)無(wú)外部熱能供給，干的高球磨過(guò)程制備納米粉體。它除了可用來(lái)制備單質(zhì)金屬納米粉體外，還可通過(guò)顆粒間的固相反應(yīng)直接合成化合物粉體，如金屬碳化物、氟化物、氮化物、金屬-氧化物復(fù)合粉體等。近年來(lái)通過(guò)對(duì)高能機(jī)械球磨過(guò)程中的氣氛控制和外部磁場(chǎng)的引入，使得這一技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)
8 展。該方法操作簡(jiǎn)單、成本低。中科院上海硅酸鹽研究所的姜繼森等報(bào)導(dǎo)了在高性能球磨的作用下，通過(guò)α-fe2o3和zno及nio粉體之間的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)合成ni-zn鐵氧體納米晶的結(jié)果[7]。此外還有機(jī)械粉碎、火花爆炸等其它物理制備方法。
3．2納米陶瓷粉體的化學(xué)法制備
濕化學(xué)法制備工藝主要適用于納米氧化物粉體，它主要通過(guò)液相來(lái)合成粉體。這種方法具有苛刻的物理?xiàng)l件、易中試放大、產(chǎn)物組分含量可精確控制，可實(shí)現(xiàn)分子/原子尺度水平上的混合等特點(diǎn)，可制得粒度分布窄、形貌規(guī)整的粉體。但采用液相法合成的粉體可能形成嚴(yán)重的團(tuán)聚，直接從液相合成的粉體的化學(xué)組成和相組成往往不同于設(shè)計(jì)要求，因此需要采取一定形式的后處理。
它包括沉淀法。該法是在金屬鹽溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯﹣?lái)得到陶瓷前驅(qū)體沉淀物，再將此沉淀物煅燒成納米陶瓷粉體。根據(jù)沉淀的方式可分為直接沉淀法、共沉淀法和均勻沉淀法。為了避免沉淀法制備粉體過(guò)程中形成嚴(yán)重的硬團(tuán)聚，往往在其過(guò)程中引入冷凍干燥、超臨界干燥、共沸蒸餾等技術(shù)手段，取得了較好的效果。沉淀法操作簡(jiǎn)單，成本低，但易引進(jìn)雜質(zhì)，難以制得粒徑小的納米粉體。上海硅酸鹽研究所以共沉淀-共沸蒸餾法制得了納米氧化鋯粉體，試驗(yàn)中的共沸蒸餾技術(shù)有效地防止了硬團(tuán)聚的形成，制得的氧化鋯粉體具有很高的燒結(jié)活性[8]。
溶膠-凝膠法。該法是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形
9 成配合物，通過(guò)控制ph值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合，歷經(jīng)溶膠-凝膠途徑而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。溶膠-凝膠工藝被廣泛應(yīng)用于制備均勻高活性超細(xì)粉體，起始材料通常都是金屬醇鹽。圖2為溶膠-凝膠法的制備流程圖。
圖2 溶膠-凝膠法制備流程
圖2中用金屬醇鹽溶膠-凝膠制備pzt系列超微粉[9]。也有不用醇鹽的，哈爾濱工業(yè)大學(xué)以硝酸氧鋯代替鋯的醇鹽用溶膠-凝膠法同樣合成了pzt納米粉[10]。另外，以廉價(jià)的無(wú)機(jī)鹽為原料，采用溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界流體干燥制備了納米級(jí)的tio2[11]。
噴霧熱解法。該法是將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中，此時(shí)立即引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，隨后因過(guò)飽和而析出固相，從而直接得到氧化物納米陶瓷粉體，或者是將溶液噴入高溫氣氛中干燥，然后再進(jìn)行熱處理形成粉體。形成的顆粒大小與噴霧工況參數(shù)有很大的關(guān)系。采用此方法制得的顆粒，通常情況下是空心的。通過(guò)仔
10 細(xì)選擇前驅(qū)物種類(lèi)、溶液的濃度及加熱速度，也可制得實(shí)心顆粒。水熱法。該法是指在密閉的壓力窗口容器中，以水為溶劑制備材料的一種方法。近十幾年來(lái)在陶瓷粉體制備方面取得了相當(dāng)好的成果[12]。同時(shí)，水熱法陶瓷粉體制備技術(shù)也有了新的改進(jìn)和發(fā)展。如將微波技術(shù)引入水熱制備系統(tǒng)的微波水熱法。反應(yīng)電極埋弧也是水熱法制備納米陶瓷粉體的新技術(shù)，這種方法是將兩塊金屬電極浸入到能與金屬反應(yīng)的電解質(zhì)流體中，電解質(zhì)一般采用去離子水，借助低電壓、大電流在電極間產(chǎn)生電火花提供局部區(qū)域內(nèi)短暫的、極高的溫度和壓力，導(dǎo)致電級(jí)和周?chē)娊赓|(zhì)流體的蒸發(fā)，并沉淀在周?chē)碾娊赓|(zhì)溶液中。此外，用有機(jī)溶劑代替水作為反應(yīng)介質(zhì)的溶劑熱反應(yīng)，在陶瓷粉體制備中也表現(xiàn)出良好的前景。
此外，還有化學(xué)氣相法，它又包括化學(xué)氣相沉積法（cvd)，激光誘導(dǎo)氣相沉積法(licvd)，等離子體氣相合成法(pcvd法）等方法，在此不一一介紹。
4、 納米陶瓷粉體的表征
4．1化學(xué)成分表征
化學(xué)組成是決定粉體及其制品性質(zhì)的最基本因素，除了主要成分外，次要成分、添加劑、雜質(zhì)等對(duì)其燒結(jié)及制品性能往往也有很大關(guān)系，因而對(duì)粉體化學(xué)組成的種類(lèi)、含量，特別是微量添加劑、雜質(zhì)的含量級(jí)別及分布進(jìn)行檢測(cè)，是十分重要和必要的?；瘜W(xué)組成的表征方
11 法有許多種，主要可分為化學(xué)反應(yīng)分析法和儀器分析法?；瘜W(xué)分析法具有足夠的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于化學(xué)穩(wěn)定性好的粉體材料來(lái)說(shuō)，經(jīng)典化學(xué)分析方法則受到限制。相比之下，儀器分析則顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。如采用x射線熒光(xpfs)和電子探針微區(qū)分析法(epma) ，可對(duì)粉體的整體及微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，而且還可與掃描電子光譜(aes)、原子發(fā)射光譜(aas)結(jié)合對(duì)粉體的化學(xué)成分進(jìn)行定性及定量分析；采用x光電子能譜法(xps)分析粉體的化學(xué)組成并分析結(jié)構(gòu)、原子價(jià)態(tài)等與化學(xué)鍵有關(guān)的性質(zhì)[13]。
4．2晶態(tài)表征
x射線衍射(xrd)仍是目前應(yīng)用最廣、最為成熟的一種粉體晶態(tài)的測(cè)試方法。此外，電子衍射(ed)法還可用于粉體物相、粉體中個(gè)別顆粒直至顆粒中某一區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析；用高分辨率電子顯微分析(hrem)、掃描隧道顯微鏡(stm)分析粉體的空間結(jié)構(gòu)和表面微觀結(jié)構(gòu)。
4．3顆粒度表征
在納米陶瓷粉體顆粒度測(cè)試中，透射電子顯微鏡是最常用、最直觀的手段。但是，如粉體顆粒不規(guī)則或選區(qū)受到局限等，均會(huì)給測(cè)量造成較大的誤差。常見(jiàn)的粉體顆粒測(cè)試手段還有x射線離心沉降法（測(cè)量范圍為0.01～5μm）、氣體吸附法（測(cè)量范圍0.01～10μm）、x射線小角度散射法（測(cè)量范圍為0.001～0.2μm）、激光光散射法（測(cè)量范圍0.002～2μm）等[14]。
12 4．4團(tuán)聚體表征
團(tuán)聚體的性質(zhì)可分為團(tuán)聚體的尺寸、形狀、分布、含量，氣孔率、氣孔尺寸及分布，密度，內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度，團(tuán)聚體內(nèi)一次顆粒之間的鍵和性質(zhì)等。目前常用的團(tuán)聚體表征方法主要有顯微結(jié)構(gòu)觀察法、素坯密度-壓力法以及壓汞法等。
5、 納米陶瓷的性能
5．1納米陶瓷的致密化
超細(xì)粉末的應(yīng)用引起了燒結(jié)過(guò)程中的新問(wèn)題，納米粉末的巨大表面積，使得材料的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力亦隨之劇增，擴(kuò)散速率的增加以及擴(kuò)散路徑的縮短，大大加速了整個(gè)燒結(jié)過(guò)程，使得燒結(jié)溫度大幅度降低。例如:1nm的納米顆粒與1μm的微米級(jí)顆粒相比，其致密化速率將提高108。目前，上海硅酸鹽研究所通過(guò)對(duì)含y2o3（3mol%）zro2納米粉末的致密化和晶粒生長(zhǎng)這兩個(gè)高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn):對(duì)顆粒大小為10～15nm的細(xì)粉末，其燒結(jié)溫度僅需1200～1250℃，密度達(dá)理論密度的98.5%，比傳統(tǒng)的燒結(jié)溫度降低近400℃。進(jìn)一步的研究表明:由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小以及燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過(guò)程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)。控制燒結(jié)的條件，已能獲得晶粒分布均勻，大小為120nm的y-tzp陶瓷體。
用激光法所制的15～25nm si3n4粉末比一般陶瓷燒結(jié)溫度降低了200～300℃，所得晶粒大小為150nm si3n4陶瓷，其彎曲變形為微
13 米級(jí)陶瓷的2倍[15]。
5．2納米陶瓷的力學(xué)性能
大量研究表明，納米陶瓷材料具有超塑性性能，所謂超塑性是指材料在一定的應(yīng)變速率下產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變。納米tio2陶瓷在室溫下就能發(fā)生塑性形變，在180℃下塑性變形可達(dá)100%。若試樣中存在微裂紋，在180℃下進(jìn)行彎曲時(shí)，也不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展[16]。對(duì)晶粒尺寸為350nm的3y-tzd陶瓷進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫下就已出現(xiàn)形變現(xiàn)象。納米si3n4陶瓷在1300℃下即可產(chǎn)生200%以上的形變。關(guān)于納米陶瓷生產(chǎn)超塑性的原因，一般認(rèn)為是擴(kuò)散蠕變引起晶界滑移所致。擴(kuò)散蠕變速率與擴(kuò)散系數(shù)成正比，與晶粒尺寸的三次方成反比，當(dāng)納米粒子尺寸減小時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)非常高，從而造成擴(kuò)散蠕變異常。因此在較低溫度下，因材料具有很高的擴(kuò)散蠕變速率，當(dāng)受到外力后能迅速作出反應(yīng)，造成晶界方向的平移，從而表現(xiàn)出超塑性，塑性的提高也使其韌性大為提高。納米陶瓷的硬度和強(qiáng)度也明顯高于普通材料。在陶瓷基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性會(huì)有大幅度的提高，還能提高材料的硬度、彈性模量、抗熱震性以及耐高溫性能。
6、 納米陶瓷的應(yīng)用及其展望
納米陶瓷在力學(xué)、化學(xué)、光吸收、磁性、燒結(jié)等方面具有很多優(yōu)異的性能，因此，在今后的新材料與新技術(shù)方面將會(huì)起到重要的作用。
14 隨著納米陶瓷制備技術(shù)的提高和精密技術(shù)對(duì)粉體微細(xì)化的要求，納米陶瓷將在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用（如納米陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、電子陶瓷、生物陶瓷等領(lǐng)域）。不過(guò)從目前的研究來(lái)看，納米陶瓷獲得應(yīng)用的性能有以下幾個(gè)方面: 1)室溫超塑性是納米陶瓷最具應(yīng)用前景的性能之一。納米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性，使陶瓷的鍛造、積壓、拉拔等加工工藝成為可能，從而能夠制得各種特殊的部件，應(yīng)用到精密設(shè)備中去。
2）高韌性是納米陶瓷另一個(gè)具有很高應(yīng)用的性能。陶瓷韌性的提高使得陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域極度的擴(kuò)大，因?yàn)榻窈蠹{米陶瓷就可以像鋼鐵、塑料等主流材料一樣的應(yīng)用，而不是人們心目中的“易碎品”。
3)納米陶瓷的應(yīng)用還可以節(jié)約能源、減少環(huán)境污染（傳統(tǒng)的陶瓷工業(yè)能耗高、污染重）。納米陶瓷的燒結(jié)溫度比普通陶瓷的低幾百度，而且還可能繼續(xù)下降，這樣不僅可節(jié)省大量能源，還有利于環(huán)境的凈化。
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16
納米材料科技論文篇五
納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
[摘要]納米醫(yī)學(xué)是納米技術(shù)與醫(yī)藥技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，納米醫(yī)學(xué)研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。近幾年，納米技術(shù)突飛猛進(jìn)，作為納米技術(shù)的重要領(lǐng)域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫(yī)學(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料三個(gè)方面，講述了納米生物工程的重大進(jìn)展。本文就納米診斷技術(shù)、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行綜述，并探討納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展前景。
[引言] 納米技術(shù)的基本概念是用單個(gè)原子、分子制造和操作物質(zhì)的技術(shù)，是現(xiàn)代高科技前沿技術(shù)。納米技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，幾乎涉及現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域，世界各國(guó)都把納米技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。 [關(guān)鍵詞]納米醫(yī)學(xué)；納米生物材料；診斷；治療
1、跨世紀(jì)的新學(xué)科——納米科技
所謂/納米科技，就是在0.1~100納米的尺度上，研究和利用原子和分子的結(jié)構(gòu)、特征及相互作用的高新科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)和先進(jìn)工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議的召開(kāi)，標(biāo)志著納米科技的正式誕生。時(shí)至今日，納米科技涉及到幾乎現(xiàn)有的所有科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它的誕生，使人類(lèi)改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標(biāo)，是人類(lèi)按照自己的意志操縱單個(gè)原子，在納米尺度上制造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛 躍。目前，納米科技已經(jīng)取得一系列成果，正處于重大突破的前夜。研究者認(rèn)為，這一興起于本世紀(jì)90年代的納米科技，必將雄踞于21世紀(jì)，對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。
2、納米醫(yī)學(xué)的提出
納米醫(yī)學(xué)的形成除了納米技術(shù)之外，其醫(yī)學(xué)本身也應(yīng)具有可應(yīng)用納米技術(shù)的客觀基礎(chǔ)和必要條件?？陀^基礎(chǔ)是指，像其他物質(zhì)一樣，醫(yī)學(xué)研究的主體———人體本身是由分子和原子構(gòu)成的。實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)的必要條件是，要在分子水平上對(duì)人體有更為全面而詳盡的了解。 隨著現(xiàn)代生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，人類(lèi)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容已開(kāi)始從細(xì)胞、染色體等微米尺度的結(jié)構(gòu)深入到更小的層次，進(jìn)入到單個(gè)分子甚至分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些極其微細(xì)的分子結(jié)構(gòu)的特征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術(shù)的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的學(xué)科，就是納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)。納米醫(yī)學(xué)是一門(mén)涉及物理學(xué)、化學(xué)、量子學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域的綜合 性交叉學(xué)科。freitas曾給納米醫(yī)學(xué)下過(guò)一個(gè)較詳細(xì)的定義:他認(rèn)為，納米醫(yī)學(xué)是利用人體分子工具和分子知識(shí)，預(yù)防、診斷、治療疾病和創(chuàng)傷，劫除疼痛，保護(hù)和改善人體健康的科學(xué)和技術(shù)。目前的納米醫(yī)學(xué)研究水平還處于初級(jí)階段，當(dāng)然，由于各國(guó)科學(xué)工者的不懈努力，納米醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域已初露曙光，有部分研究成果已開(kāi)始接近臨床應(yīng)用。
從定義來(lái)看，納米醫(yī)學(xué)可以分為兩大類(lèi)，一是在分子水平上的醫(yī)學(xué)研究，基因藥物和基因療法等就是典型體現(xiàn)；二是把其他領(lǐng)域的納米研究成果引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如某種納米裝置在醫(yī)療和診斷上的應(yīng)用。納米醫(yī)學(xué)的奧秘在于，可以從納米量級(jí)的尺度來(lái)進(jìn)行原來(lái)不可能達(dá)到的醫(yī)療操作和疾病防治。當(dāng)生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級(jí)的時(shí)候，其性質(zhì)會(huì)有意想不到的變化。這種變化既包括物質(zhì)的原有性能變得更好，還可能有我們所意想不到的性能和效益，從而用來(lái)治病防病。
3、納米技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 3.1 診斷疾病
在診斷方面，將應(yīng)用納米醫(yī)學(xué)技術(shù)手段，在診室內(nèi)進(jìn)行全面的基因檢查和特殊細(xì)菌涂層標(biāo)記物的實(shí)時(shí)全身掃描；檢測(cè)腫瘤細(xì)胞抗原、礦質(zhì)沉積物、可疑的毒素、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標(biāo)三維圖譜的特定分子。在納米醫(yī)學(xué)時(shí)代，這些強(qiáng)有力的手段將使醫(yī)務(wù)人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，并能以合理的費(fèi)用，在數(shù)分鐘或數(shù)秒鐘內(nèi)獲得所需的結(jié)果。 許多以往診斷比較困難或無(wú)法診斷的疾病，隨著納米技術(shù)的介入，將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷，以往常采用價(jià)格昂貴并對(duì)人體有損害的羊水診斷技術(shù)。如今應(yīng)用納米技術(shù)，可簡(jiǎn)便安全地達(dá)到目的。孕8周左右血液中開(kāi)始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞，用納米粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來(lái)進(jìn)行診斷。目前美國(guó)已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒(méi)有明顯癥狀，一旦發(fā)現(xiàn)常已到晚期，難以治愈，因而早期診斷極為重要。中國(guó)醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院把納米粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究，經(jīng)過(guò)4年的努力，完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用這項(xiàng)研究成果，可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤。這對(duì)肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。 3. 2 納米藥物和納米藥物載體
這是納米醫(yī)學(xué)中的一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測(cè)血糖水平，在必要的時(shí)候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。美國(guó)密西根大學(xué)的博士正在設(shè)計(jì)一種納米/智能炸彈，它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征。這種智能炸彈很小，僅有20nm左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個(gè)的癌細(xì)胞。
德國(guó)醫(yī)生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了較好療效。將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里，然后將患者置于可變的磁場(chǎng)中，氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度，這一溫度可慢慢熱死癌細(xì)胞。由于腫瘤附近的機(jī)體組織中不存在磁性微粒，因此這些健康組織的溫度不會(huì)升高，也不會(huì)受到傷害?？茖W(xué)家指出，將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合，注入到人體內(nèi)，在外磁場(chǎng)作用下，藥物向病變部位集中，從而達(dá)到定向治療的目的，將大大提高腫瘤的藥物治療效果。
納米藥物與傳統(tǒng)的分子藥物的根本區(qū)別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類(lèi):一類(lèi)是納米藥物載體，即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒，如納米球、納米囊、納米脂質(zhì)體等。二是納米藥物，即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒，或利用嶄新的納米結(jié)構(gòu)或納米特性，發(fā)現(xiàn)基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對(duì)傳統(tǒng)藥物的改良，而后者強(qiáng)調(diào)的是把納米材料本身作為藥物。
3.2.1 納米藥物
直接以納米顆粒作為藥物的應(yīng)用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環(huán)保、遇水后殺菌力更強(qiáng)、不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料，成功地開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)傷貼、潰瘍貼等納米醫(yī)藥類(lèi)產(chǎn)品。例如，納米二氧化鈦樹(shù)脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果，當(dāng)樹(shù)脂基托中抗菌劑的濃度達(dá)到3%時(shí)，即可達(dá)到滿意的抗菌效果。
無(wú)機(jī)納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用gd@c82(oh)22處理得肝癌的小鼠，在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生任何毒性。其抑瘤效應(yīng)不是通過(guò)納米顆粒對(duì)腫瘤的直接殺傷起作用，而是可能通過(guò)激活機(jī)體免疫來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對(duì)惡性腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生明顯的抑制作用，而對(duì)正常細(xì)胞作用甚微，可望通過(guò)進(jìn)一步的研究獲得一種區(qū)別于傳統(tǒng)的化療藥物的納米無(wú)機(jī)抗癌藥物。此外，有的物質(zhì)納米化后出現(xiàn)新的治療作用，如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細(xì)胞增殖；二氧化鈰納米顆?？梢郧宄壑械碾娍剐苑肿硬⒎乐我恍┯捎谝暰W(wǎng)膜老化而帶來(lái)的疾病。
3.2.2 納米藥物載體
實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放，是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問(wèn)題。納米粒子介導(dǎo)的藥物輸送是納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性。目前，用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。 理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì):毒性較低或沒(méi)有毒性；具有適宜的制備及提純方法；具有合適的粒徑與形狀；具有較高的載藥量；具有較高的包封率；對(duì)藥物具有良好的釋放特性；具有良好的生物相容性，可生物降解或可被機(jī)體排出；具有較長(zhǎng)的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，并能在療效相 關(guān)部位持久存。 3.3 納米生物技術(shù)
納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它即可以用于生物醫(yī)學(xué)，也可以服務(wù)于其它社會(huì)需求。所包含的內(nèi)容非常豐富，并以極快的速度增加和發(fā)展，難以概述。
3.3.1生物芯片技術(shù)
生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，即可以同時(shí)檢測(cè)和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和dna的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動(dòng)的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和基因芯片（即dna芯片）等幾類(lèi)，都有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。
近2年，已經(jīng)通過(guò)微制作(mems)技術(shù)，制成了微米量級(jí)的機(jī)械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個(gè)細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國(guó)哈佛大學(xué)的教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并研制出效果更好的軟光刻方法。以此，制出了可以捕捉和固定單個(gè)細(xì)胞的生物芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等，研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類(lèi)細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類(lèi)和純化等。它的功能原理非常簡(jiǎn)單，僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面特性，即可達(dá)到選擇和固定細(xì)胞及細(xì)胞面密度控制。
美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了納米愛(ài)好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣，納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測(cè)，即時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類(lèi)型的外來(lái)入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。
研究人員做了一個(gè)雛形裝置，發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能，它可以沿血流流動(dòng)并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛(ài)滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個(gè)發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的光，以此鑒別癌變。 3.3.2納米探針
一種探測(cè)單個(gè)活細(xì)胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級(jí)，當(dāng)它插入活細(xì)胞時(shí)，可探知會(huì)導(dǎo)致腫瘤的早期dna損傷。
3、 4組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料
將納米技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建具有納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的細(xì)胞生長(zhǎng)支架正在形成一個(gè)嶄新的研究方向。相對(duì)于微米尺度，納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)的自然環(huán)境更為相似。納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細(xì)胞水平上控制生物材料與細(xì)胞間的相互作用，引發(fā)特異性細(xì)胞反應(yīng)，對(duì)于組織再生與修復(fù)具有潛在的應(yīng)用前景和重要意義。將納米纖維水凝膠作為神經(jīng)組織的支架，在其中生長(zhǎng)的鼠神經(jīng)前體細(xì)胞的生長(zhǎng)速度明顯快于對(duì)照材料。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性，同時(shí)還可以改進(jìn)基體材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)合物中碳納米管含量的增加，神經(jīng)元細(xì)胞和成骨細(xì)胞在復(fù)合材料上的黏附與生長(zhǎng)也越來(lái)越活躍，而星形細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的活性則呈現(xiàn)同等程度的下降。研究人員設(shè)計(jì)的人造紅細(xì)胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，可應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì)，該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料，其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配，不易骨折，且與正常骨組織連接緊密，顯示出明顯的正畸應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
納米自組裝短肽材料rada16-i與細(xì)胞外基質(zhì)具有很高相似性，rada16-i納米支架可以作為一種臨時(shí)性的細(xì)胞培養(yǎng)人工支架，它能很好地支持功能型細(xì)胞在受損位置附近生長(zhǎng)、遷移和分化，因而有利于細(xì)胞抵達(dá)傷口縫隙，使組織得以再生。有研究人員利用rada16-i納米支架修復(fù)了倉(cāng)鼠腦部的急性創(chuàng)傷，并且恢復(fù)了倉(cāng)鼠的視覺(jué)功能。rada16-i形成的水凝膠可用作新型的簡(jiǎn)易止血?jiǎng)?，用于多種組織和多種不同類(lèi)型傷口的止血。
4、我國(guó)發(fā)展納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展策略
目前，我國(guó)在納米生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱，通過(guò)采取各種激勵(lì)措施和各種研究計(jì)劃的實(shí)施，特別是國(guó)家自然科學(xué)基金委的納米技術(shù)重大研究計(jì)劃對(duì)納米生物和納米醫(yī)學(xué)項(xiàng)目的支持，我國(guó)在納米生物和納米醫(yī)學(xué)方面的研究狀況有了很大的改善，生物、醫(yī)學(xué)界的許多院、所相繼建立了有關(guān)納米技術(shù)的研究室，如中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設(shè)立了納米研究室，初步形成了一只較強(qiáng)的研究隊(duì)伍。近年來(lái)，來(lái)自化學(xué)、物理、信息、藥物、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家通過(guò)幾次研討會(huì)進(jìn)一步明確了納米生物和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究方向和內(nèi)容，并建立了較密切的合作。我國(guó)在納米生物和納米醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域也涌現(xiàn)了一批極具特色的研究成果，如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機(jī)制、納米材料的應(yīng)用和生物安全性及重大疾病預(yù)防和早期診斷與治療技術(shù)等方面。但是，這些研究的水準(zhǔn)與國(guó)際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?，離國(guó)家、社會(huì)的需求也有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。
納米醫(yī)學(xué)工程的建立不僅是因?yàn)橛衅淦惹械男枰?，而且也因?yàn)橛辛藢?shí)現(xiàn)的可能。如今，納米科技在國(guó)際上已嶄露頭角，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)展納米科技的研究。在我國(guó)，科技界對(duì)納米科技的重要性有了共識(shí)，納米科技研究已取得引人注目的成果。學(xué)科發(fā)展和社會(huì)需要是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力，學(xué)科發(fā)展可以創(chuàng)造新的需求，社會(huì)需求可以促進(jìn)學(xué)科向深度和廣度發(fā)展。納米生物醫(yī)學(xué)工程正在出現(xiàn)，我們無(wú)力將它阻擋。雖然它的廣泛應(yīng)用尚有待時(shí)日，并潛在危險(xiǎn)，但若沒(méi)有它，我們現(xiàn)在面臨的許多生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題就不可能得到滿意的解決。
人類(lèi)正在被歷史及自身推向一個(gè)嶄新的陌生世界，倘若人類(lèi)能直接利用原子、分子進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，這將是一個(gè)質(zhì)的飛躍，將改變?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)方式，并空前地提高生產(chǎn)能力，有可能從根本上解決人類(lèi)面臨的諸多困難和危機(jī)。我們有必要把納米科技和生物醫(yī)學(xué)工程概念進(jìn)行拓展，把納米科技的理論與方法引入生物醫(yī)學(xué)工程的相關(guān)研究領(lǐng)域，創(chuàng)立新的邊緣學(xué)科——納米生物醫(yī)學(xué)工程。可以相信，納米醫(yī)學(xué)工程將會(huì)成為納米科技的重要分支，并開(kāi)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)工程新紀(jì)元。科學(xué)家認(rèn)為，納米科技在生物醫(yī)學(xué)方面，甚至有可能超過(guò)信息技術(shù)和基因工程，成為決勝未來(lái)的關(guān)鍵性技術(shù)。 [參 考 文 獻(xiàn)] [1]劉吉平，郝向陽(yáng)。納米科學(xué)與技術(shù)[m]。北京:科學(xué)出版社，2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍。21世紀(jì)嶄新的學(xué)科——納米醫(yī)學(xué)[j]1世界新醫(yī)學(xué)信息文摘，2003,1(3):208-210.[3]李會(huì)東。納米技術(shù)在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[j]。湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊，吳俊，袁直等。注射用生物可降解胰島素納米微球的制備[j]1應(yīng)用化學(xué)，2001,18(5):365-369.[5]常津。阿毒素免疫磁性毫微粒的體內(nèi)磁靶向定位研究[j]。中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1996,15(4):216-221 。[6]張共清，梁屹。納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用[j]1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，2002,24(2):197-201.〔7〕中國(guó)社會(huì)科學(xué)院語(yǔ)言研究所詞典編輯室編?，F(xiàn)代漢語(yǔ)詞典。北京:商務(wù)印書(shū)館2002年版:1711〔8〕奇云。21世紀(jì)的納米醫(yī)學(xué)。健康報(bào)，2001(4):12〔9〕紀(jì)小龍。納米醫(yī)學(xué)怎樣診治疾病。健康報(bào)，2001,7,19[9]奇 云。納米醫(yī)學(xué)——21世紀(jì)的科技新領(lǐng)域[n]。中國(guó)醫(yī)藥報(bào)，1995年6月8日~1995年7月18日，第1160期-1178期，第7版。[10]奇 云。納米材料——21世紀(jì)的新材料[j]?？萍紝?dǎo)報(bào)，1992(10):28- 31.[11]奇 云。納米電子學(xué)研究進(jìn)展[j]?，F(xiàn)代物理知識(shí)，1994,6(5):24-25.[12]奇 云。納米生物學(xué)的誘人前景[n]。光明日?qǐng)?bào)，1993年5月7日，第15864號(hào)第3版。[13]奇 云。納米化學(xué)研究進(jìn)展[j]。自然雜志，1993,16(
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納米材料科技論文篇六
《納米材料》是一門(mén)新興的、多學(xué)科穿插性課程，觸及凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物等范疇。針對(duì)該課程學(xué)問(wèn)點(diǎn)冗雜、概念籠統(tǒng)等特性，分離本身教學(xué)經(jīng)歷和課程特性，從該門(mén)課程的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)辦法與手腕等方面停止了系統(tǒng)的探究和變革，以到達(dá)進(jìn)步教學(xué)質(zhì)量的目的。
納米材料，教學(xué)辦法，教學(xué)質(zhì)量
中圖分類(lèi)號(hào)：g4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1673-9795（2013）06（b）-0000-00
納米科技是20世紀(jì)80年代末逐漸開(kāi)展起來(lái)的新興學(xué)科范疇，它觸及到凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物等范疇[1]。目前，納米科技與生物技術(shù)、信息技術(shù)成為推進(jìn)人類(lèi)將來(lái)開(kāi)展的三大主流科技，在信息技術(shù)、生物與農(nóng)業(yè)、環(huán)境能源、生命醫(yī)學(xué)以及航空航天等方面有普遍的應(yīng)用前景。納米科技的迅猛開(kāi)展將促使簡(jiǎn)直一切的工業(yè)范疇產(chǎn)生一場(chǎng)反動(dòng)性的變化。
納米材料是納米科技的根底，對(duì)納米材料的學(xué)習(xí)，是順應(yīng)將來(lái)社會(huì)對(duì)材料專業(yè)人才的需求。在教材的方面，不斷沒(méi)有一本面向研討生教學(xué)的、較系統(tǒng)性的納米材料的教材。本文擬從納米材料課程教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)辦法與手腕等方面對(duì)高等院校材料類(lèi)研討生專業(yè)停止納米材料課程的教學(xué)變革停止討論。
課程的目的是經(jīng)過(guò)課堂教學(xué)，使碩士研討生可以理解、控制納米科學(xué)與技術(shù)的概念、分類(lèi)及其特性，理解和控制納米材料的根本物理和化學(xué)性能；控制納米材料的主要制備辦法和原理；控制納米材料的構(gòu)造剖析測(cè)試辦法；理解納米材料的生物毒性和平安性；理解納米材料在不同范疇的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景以及最新研討停頓，以便使學(xué)生理解和把握當(dāng)今納米科學(xué)的最新研討前沿
目前，納米材料正蓬勃開(kāi)展，其觸及的面也越來(lái)越普遍，涵蓋原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、固體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)和外表、界面等多中學(xué)科，內(nèi)容普遍[2]。隨著納米科技的興起，也呈現(xiàn)了很多引見(jiàn)納米效應(yīng)、納米技術(shù)應(yīng)用及納米材料制備技術(shù)文獻(xiàn)和材料，對(duì)推進(jìn)納米科技的安康開(kāi)展起了很好的作用。但是，在教材的方面，不斷沒(méi)有一本面向研討生教學(xué)的、較系統(tǒng)性的納米材料的教材。依據(jù)筆者從事納米材料課程教學(xué)的理論，以為要到達(dá)前面提出的納米材料課程教學(xué)目的。課程的教學(xué)主要內(nèi)容應(yīng)包含以下幾方面： 納米材料的根本概念、開(kāi)展史；納米材料的分類(lèi)及其特性；納米材料的根本物理和化學(xué)性能；納米材料的主要制備辦法和原理；納米材料的構(gòu)造剖析測(cè)試辦法；納米材料的生物毒性和平安性；納米材料最新研討停頓。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容特性，能夠思索將教學(xué)內(nèi)容分會(huì)以下6個(gè)局部。
2.1 緒論
從納米材料的新奇特性開(kāi)端，講述納米材料的內(nèi)涵和根本概念以及開(kāi)展史。依據(jù)材料的分類(lèi)辦法講述納米材料的分類(lèi)辦法及特性。講述納米材料的根本構(gòu)造單元及其特性。重點(diǎn)講述納米材料的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、外表效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等根本性能。并分離我國(guó)納米材料研討現(xiàn)狀和學(xué)生研討方向停止相關(guān)討論，激起學(xué)生對(duì)納米材料的獵奇心和求知欲。
2.2 納米材料物理化學(xué)性能
主要內(nèi)容觸及納米材料的構(gòu)造和形貌特征；納米材料的熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等物理特性；納米材料的吸附、分散、聚會(huì)等化學(xué)特性。將納米材料的物理化學(xué)特性與構(gòu)造關(guān)聯(lián)，依照根本構(gòu)造-根本特性-特殊構(gòu)造-特殊效應(yīng)-特殊功用-特殊應(yīng)用這一思緒，引領(lǐng)學(xué)生深化考慮，能夠起到觸類(lèi)旁通效果。
2.3 納米材料的制備辦法和原理
依照納米材料維數(shù)分類(lèi)辦法，講述零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料、三維納米材料的特征、制備辦法和根本原理。重點(diǎn)講述蒸發(fā)-冷凝法、濺射法、氣相化學(xué)合成法等氣相辦法和沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法、溶劑熱法等液相辦法。并分離學(xué)生研討方向?qū)ο嚓P(guān)材料和辦法停止細(xì)致討論，使學(xué)生控制相關(guān)制備辦法，為隨后的研討奠定堅(jiān)實(shí)的根底。
2.4納米材料的構(gòu)造剖析測(cè)試辦法
主要包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、x射線光電子能譜儀、x射線粉末衍射儀、激光粒度儀等納米材料表征儀器。經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生控制納米材料測(cè)試的主要辦法和儀器，并控制各種儀器的優(yōu)缺陷和適用范圍。同時(shí)，也使同窗們認(rèn)識(shí)到納米材料研討的高技術(shù)特性。
2.5納米材料的生物毒性和平安性
主要包括納米材料的生物毒性和平安性。依據(jù)已有的相關(guān)研討報(bào)道，引見(jiàn)一些納米材料的生物毒性，讓學(xué)生們理解納米材料的缺乏之處，控制相關(guān)的平安操作規(guī)則，以便在隨后的納米材料相關(guān)研討中防止呈現(xiàn)平安事故。
2.6最新研討停頓
依據(jù)納米材料的最新研討熱點(diǎn)，如石墨烯、鋰離子電池?zé)簦v述納米科技范疇國(guó)際最新研討動(dòng)態(tài)，讓學(xué)生理解國(guó)際最新研討熱點(diǎn)。
3.1 多媒體教學(xué)
針對(duì)納米材料課程內(nèi)容普遍，學(xué)問(wèn)點(diǎn)多的特性，采用多媒體教學(xué)方式。應(yīng)用多媒體教學(xué)圖、文、聲、像融為一體的優(yōu)點(diǎn)，能夠使教與學(xué)的活動(dòng)變得愈加豐厚多彩，又能夠?qū)⑿畔⒘看蟮恼n程內(nèi)容在有限的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給同窗們。從而激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興味，促進(jìn)學(xué)生思想開(kāi)展，豐厚學(xué)生的想象力。例如，講述納米材料宏觀量子隧道效應(yīng)時(shí)，能夠動(dòng)畫(huà)的方式展示，便當(dāng)學(xué)生們了解。講述納米材料的制備辦法時(shí)，能夠經(jīng)過(guò)表示圖的方式展示，更容易讓學(xué)生了解和控制。
3.2交互式討論
應(yīng)用交互式討論教學(xué)方式。依據(jù)學(xué)生的興味，分離課程內(nèi)容，將學(xué)生劃分多個(gè)課題小組，停止課堂討論。例如，講述微乳液法制備納米材料時(shí)，首先讓學(xué)生經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱等方式理解該辦法；其次，在課堂上就該辦法、原理和理論應(yīng)用停止充沛討論和剖析；最后教師指出該內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)這種交互式討論，在課堂教學(xué)中，確立學(xué)生的主體位置，尊重學(xué)生的主體認(rèn)識(shí)；創(chuàng)設(shè)民主、對(duì)等的課堂氣氛，讓學(xué)生充沛發(fā)表本人對(duì)問(wèn)題的見(jiàn)地，發(fā)揮學(xué)生的主管能動(dòng)性，變被動(dòng)承受為主動(dòng)探究；使學(xué)生的創(chuàng)新認(rèn)識(shí)、發(fā)明性思想才能得到不時(shí)的開(kāi)展[3]。
3.3理論操作相分離
納米材料是一門(mén)理論性很強(qiáng)的課程。在課程教學(xué)中要充沛與理論相分離，依據(jù)學(xué)生的研討方向，分離課程內(nèi)容，布置學(xué)生停止相關(guān)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)納米材料有更多的理性認(rèn)識(shí)。觸及透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、x射線粉末衍射儀、激光粒度儀等納米材料表征儀器內(nèi)容時(shí)，分離詳細(xì)狀況，可布置一定時(shí)間上機(jī)察看和操作。
納米材料是納米科技的根底，對(duì)納米材料的學(xué)習(xí)，是順應(yīng)將來(lái)社會(huì)對(duì)材料專業(yè)人才的需求。本文從納米材料課程教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)辦法與手腕等方面對(duì)高等院校材料類(lèi)研討生專業(yè)停止納米材料課程的教學(xué)變革停止系統(tǒng)的討論，理論證明，這些舉措的施行獲得了良好的教學(xué)效果，為培育學(xué)生的創(chuàng)新思想和科研肉體起到了一定的作用
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納米材料科技論文篇七
摘 要
納米材料由于其自身特有的物理效應(yīng)和化學(xué)性質(zhì)，在不同領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用性，因此被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊，它的發(fā)展給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。
通過(guò)對(duì)納米材料及制備技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，本文綜述了對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)，以及其特性、分類(lèi)、制備方法和其應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：納米材料；分類(lèi)；特性；制備；應(yīng)用 前言
1.1 納米及納米材料
納米，實(shí)際上是一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1 nm = 10-9 m，即一米的十億分之一。正是這神奇的十億分之一米，向我們開(kāi)啟了一個(gè)嶄新的微觀物質(zhì)世界。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1～100nm這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，呈現(xiàn)出特殊性能。這種既具有不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。納米材料的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景已逐步被人們所認(rèn)識(shí)，納米科學(xué)與技術(shù)被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的三大科技之一。
1.2 納米材料的發(fā)展簡(jiǎn)介
近年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)納米材料給予了極大的關(guān)注，對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)與性能、制備技術(shù)以及應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并紛紛將其列入高科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。2005納米科技研發(fā)預(yù)算已達(dá)到10億美元，而且在美國(guó)該預(yù)算的優(yōu)先選擇領(lǐng)域中，納米材料名列第二位?，F(xiàn)在美國(guó)對(duì)納米技術(shù)的投資約占世界總量的二分之一。世界發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)納米產(chǎn)業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略性布局，并紛紛投入巨資。
我國(guó)的納米材料研究起步比較晚，始于20世紀(jì)80年代末，但在“八五”期間已將納米材料科學(xué)列入國(guó)家攀登項(xiàng)目。之后在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面，我國(guó)在納米技術(shù)研究方面也投入了大量的人力和物力。在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，納米材料被列入6大發(fā)展重點(diǎn)之一的“前沿新材料”中。在國(guó)家各項(xiàng)科技計(jì)劃的支持下，我國(guó)納米材料及納米科學(xué)技術(shù)也取得了比較突出的成果。 納米材料的分類(lèi)
在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體。廣義而言，納米材料是指在3維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為3類(lèi)：① 0維，指在空間3維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒，原子團(tuán)簇等；②1維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲，納米棒，納米管等；③ 2維，指在3維空間中有1維在納米尺寸，如超薄膜，多層膜，超晶格等。按化學(xué)組成可分為：納米金屬，納米晶體，納米陶瓷，納米玻璃，納米高分子和納米復(fù)合材料。按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體，納米磁性材料，納米非線性光學(xué)材料，納米鐵電體，納米超導(dǎo)材料，納米熱電材料等。按應(yīng)用可分為：納米電子材料，納米光電子材料，納米生物醫(yī)用材料，納米敏感材料，納米儲(chǔ)能材料等。 納米材料的特性
納米材料具有尺寸小，表面積大，表面能高，表面原子比例大的四大特點(diǎn)，并且具有小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)，表面效應(yīng)四大效應(yīng)。納米材料的特性主要取決于制備方法。
3.1 表面效應(yīng)
球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積與直徑成反比，隨著顆粒直徑的變小比表面積將會(huì)顯著地增加。這主要是因?yàn)樘幱诒砻娴脑訑?shù)較多，表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。表面原子周?chē)鄙傧噜彽脑?，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很高的化學(xué)活性，晶體微?；橛羞@種活性表面原子的增多，其表面能大大增加。這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)像和電子能譜的變化。
3.2 小尺寸效應(yīng)
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。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)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)：① 特殊的光學(xué)性質(zhì)；② 特殊的熱血性質(zhì)；③ 特殊的磁學(xué)性質(zhì)；④ 特殊的力學(xué)性質(zhì)。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性，介電性，能聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。
3.3 量子尺寸效應(yīng)
微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，吸收光譜闕值向短波方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)產(chǎn)生最直接的影響就是納米晶體吸收光譜的邊界藍(lán)移。這是由于在納米尺度半導(dǎo)體微晶中，光照產(chǎn)生的電子和空穴不再是自由的。存在庫(kù)侖作用，此電子空穴對(duì)類(lèi)似于大晶體中的激子。由于空間的強(qiáng)烈束縛導(dǎo)致激子吸收峰藍(lán)移，帶邊以及導(dǎo)帶中更高激發(fā)態(tài)均相應(yīng)藍(lán)移。
3.4 宏觀量子隧道效應(yīng)
隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。
納米材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)既不同于宏觀物體，也不同于微觀的原子和分子。當(dāng)組成材料的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，納米材料表現(xiàn)出的性質(zhì)與體材料有很大的不同。在納米尺度范圍內(nèi)原子及分子的相互作用，強(qiáng)烈地影響物質(zhì)的宏觀性
質(zhì)。物質(zhì)的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)的改變，出現(xiàn)了構(gòu)筑它們的基石達(dá)到納米尺度。納米材料之所以能具備獨(dú)到的特性，是因?yàn)榻M成物質(zhì)中的某一相的某一維的尺度縮小至納米級(jí)，物質(zhì)的物理性能將出現(xiàn)根本不是它的組分所能比擬的改變。 納米材料的制備
納米材料的制備主要有物理合成法和化學(xué)合成法，合成過(guò)程中將材料進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化，主要包括以下幾個(gè)方面。
常見(jiàn)的物理合成方法有噴霧法、噴霧干燥法、噴霧熱解法、冷凍—干燥法、 反應(yīng)性球磨法、氣流粉碎技術(shù)等。其中氣流粉碎技術(shù)具有比較多的優(yōu)點(diǎn)，它是采用高速的超音速氣流來(lái)加速固體物料，使物料互相撞擊或與靶撞擊使物料粉碎，氣流粉碎技術(shù)加工效率較高，尤其是對(duì)超硬的材料更能體現(xiàn)出該方法的優(yōu)點(diǎn)，比較先進(jìn)的氣流粉碎設(shè)備，可以使物料在粉碎時(shí)不接觸其它物質(zhì)，因而可以減小對(duì)粉料的污染。
化學(xué)合成法主要有等離子體制備納米粉末技術(shù)化學(xué)氣相沉淀法、共沉淀法、均勻沉淀法、溶劑熱合成法、溶膠—凝膠法、水熱法制備納米粉末技術(shù)、微乳化技術(shù)等合成方法。其中化學(xué)氣相沉淀法形成的納米材料較細(xì)，較均一，化學(xué)氣相沉淀法的原理是將一種或數(shù)種反應(yīng)氣體通過(guò)熱、激光等離子體等而發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，析出超微粉的納米材料制備方法。由于存在于氣相中的粒子成核及生長(zhǎng)的空間比較大，因此，該方法制得的粒子分散度較好，同時(shí)，又因?yàn)榉磻?yīng)是在封閉容器中進(jìn)行，使得化學(xué)氣相沉淀法形成的納米粒子具有比較高的純度。 納米材料的應(yīng)用
納米材料具有常規(guī)材料所不具備的物理特性，即具有高度的彌散性和大界面，使納米材料具有高擴(kuò)散率，蠕變和超塑性。為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)，燒結(jié)溫度降低，從而其化學(xué)活性增大。因此納米材料的力、 熱、聲、光、電磁等性質(zhì)不同于該物質(zhì)在粗晶狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)出的性質(zhì)。納米材料的高強(qiáng)度、高擴(kuò)散性、高塑性、低密度、高電阻、高比熱、強(qiáng)軟磁性等特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學(xué)性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁記錄、特 殊導(dǎo)體、熱交換材料、敏感元件、潤(rùn)滑劑等領(lǐng)域。以下綜述了納米材料在幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
5.1碳納米管的應(yīng)用
納米碳管在電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等方面具有特殊的性質(zhì)，因此具有很好的應(yīng)用前景。
納米碳管的電學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用，碳納米管電極具有較大的電極表面積和較高的電子傳遞速率，因此可增大電流響應(yīng)，使得碳納米管電化學(xué)分析性能更為優(yōu)異。另外在碳納米管內(nèi)，電子的量子限域所致電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，電子是沿著石墨片層的單個(gè)平面進(jìn)行傳導(dǎo)的，其電子傳輸通道隨碳管直徑的增加而增加，因此，納米碳管具有獨(dú)特的發(fā)射傳導(dǎo)性質(zhì)。改變納米碳管格子的母體結(jié)構(gòu)也可引起納米碳管導(dǎo)電性的變化，因此碳納米管的電學(xué)性能很獨(dú)特，它同時(shí)具有金屬性和半導(dǎo)體性，所以納米碳管適宜于制備納米電子原件。
力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用，c—c共價(jià)鍵使納米碳管具有很高的強(qiáng)度和剛度。納米碳管的彈性模量和相應(yīng)的剛度值近似于或大于石墨的內(nèi)平面值，同時(shí)納米碳管還具備與其它碳物質(zhì)不同的力學(xué)性質(zhì)，比如軸向上的高彈性和徑向上高塑性，這些特 性可使納米碳管承受40％的拉伸變形而不會(huì)斷裂。納米碳管在受到壓力影響時(shí)能產(chǎn)生流動(dòng)性導(dǎo)致直徑發(fā)生變化，其螺旋度也會(huì)隨之改變，從而影響其電子特征。 利用納米碳管的這種特性可用來(lái)制造探測(cè)機(jī)械壓力的納米傳感器。
熱學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用，納米碳管的熱傳導(dǎo)率體現(xiàn)的是石墨的內(nèi)平面特性，故而它的熱傳導(dǎo)率非常高僅次于一定形式的摻雜金剛石。納米碳管同時(shí)具有很高的長(zhǎng)徑比，此特點(diǎn)可以用來(lái)改善分散不連續(xù)的纖維復(fù)合物的熱傳導(dǎo)率。納米碳管優(yōu)異的 導(dǎo)熱性能可使其發(fā)展為今后計(jì)算機(jī)芯片的導(dǎo)熱板，也可用作發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等各種高溫部件的防護(hù)材料。納米碳管具有高熱穩(wěn)定性，同時(shí)兼具高耐磨性和耐腐蝕性，可以用其制造刀具和磨具。
另外，納米碳管還具很多其它性能，例如它的儲(chǔ)氫特性，納米碳管表面存在的羥基能夠和某些陽(yáng)離子鍵合，從而達(dá)到表觀上對(duì)金屬離子或有機(jī)物產(chǎn)生吸附 作用。納米碳管粒子具有大的比表面積，也是納米碳管具備吸附作用的重要原因。 納米碳管還具有吸波特性，用納米碳管做成的物體對(duì)微波雷達(dá)有好的隱身性能。
5.2 在催化方面的應(yīng)用
用作高效催化劑是納米顆粒材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，納米顆粒具有很高的比表面積，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等特點(diǎn)，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使得納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。有人預(yù)計(jì)納米顆粒催化劑將成為本世紀(jì)催化劑的主角。光催化劑是一種具有應(yīng)用潛力的特殊催化劑，納米tio2所具有的量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)電和介電能級(jí)變成分立的能級(jí)，能隙變寬，導(dǎo)電電位變得負(fù)移，而介電電位變得正移，這使其獲得了更強(qiáng)的氧化還原能力。
5.3 在電池中的應(yīng)用
納米材料已廣泛應(yīng)用到化學(xué)電源中的活性材料中，并推動(dòng)著電池科技發(fā)展，納米活性材料所具有的比表面大，鋰離子嵌入脫出深度小，行程短的特性，使電
極在大電流下充放電極化程度小，可逆容量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)；納米材料的高空隙率為有機(jī)溶劑分子的遷移提供了自由空間，使有機(jī)溶劑具有良好的相容性，同時(shí)，也給鋰離子的嵌入脫出提供了大量的空間。作為電極的活性材料納米化后，它表面增大，致使它極化減小，而電容量增大。由此產(chǎn)生較強(qiáng)大的電化學(xué)活性特別是納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破另外，由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題，簡(jiǎn)化合成方法，降低成本等，依然是以后還需要研究的重要問(wèn)題。 總結(jié)
材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了納米材料具有一系列的特性（如小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等），因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒(méi)有的一些特別性能， 從而使納米材料獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。通過(guò)納米技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，已成為經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的發(fā)展基礎(chǔ)。隨著其制備和改性技術(shù)不斷發(fā)展，納米材料將在諸多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 5
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納米材料科技論文篇八
一維ceo2納米材料的制備、表征及其性能研究
0 引言
納米技術(shù)是近幾年崛起的一門(mén)嶄新的高科技技術(shù)． 它是研究現(xiàn)代技術(shù)與科學(xué)的一門(mén)重要學(xué)科，也是當(dāng)前物理、化學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。它是在納米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物質(zhì)（包括分子和原子） 的特性和相互作用，納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在催化、光學(xué)、電磁、超導(dǎo)、化學(xué)和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學(xué)特性【1-2】等， 引起了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。
在納米材料制備和應(yīng)用研究所產(chǎn)生的納米技術(shù)成為本世紀(jì)主導(dǎo)技術(shù)的今天，對(duì)納米材料的研究已從單分散納米顆粒發(fā)展到了納米管、納米線、納米棒和納米膜的制備與應(yīng)用研究[101]。它們?cè)诩{米尺度電子器件、敏感器件、生物器件、納米醫(yī)藥膠囊、納米化學(xué)、電極材料和儲(chǔ)氫能源材料等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用已成為國(guó)際研究的焦點(diǎn)[102, 103]。另外，納米管、納米線等一維結(jié)構(gòu)的納米材料既是研究其他低維材料的基礎(chǔ)，又與納米電子器件及微型傳感器件密切相關(guān)[104]，所以進(jìn)行設(shè)計(jì)合成尺寸規(guī)則、形貌可控、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米管、線等一維納米材料及其相關(guān)物性的研究就有著重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
作為新材料中的一員——稀土納米材料的研究也成為世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一。納米二氧化鈰具有晶型單一，電學(xué)性能和光學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于sofcs電極、光催化劑、防腐涂層、氣體傳感器、 燃料電池、離子薄膜等方面【3-4】。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)納米二氧化鈰的制備及性能等進(jìn)行了大量研究。下面就近年來(lái)有關(guān)二氧化鈰納米管和納米線的制備方法及其性質(zhì)和應(yīng)用研究報(bào)道進(jìn)行綜述。
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1、一維ceo2納米材料的制備方法
一維納米結(jié)構(gòu)材料如納米線(棒)、納米管等的制備通常采用水熱合成法、模板法、非模板法等。 1.1聲波降解法
這種方法是近年來(lái)提出的一種較新穎的方法，方法簡(jiǎn)單是其最大的特點(diǎn)。x i a等[401]以此法制得了硒的納米線（見(jiàn)圖1）。他們首先采用過(guò)量的聯(lián)氨還原硒酸得到了球狀的無(wú)定形硒膠體（ 粒徑約在 0.1 -2um），然后進(jìn)行干燥、在醇中重新分散并對(duì)其施加超聲輻照。從圖中可以看出，開(kāi)始時(shí)由于聲空化作用在膠體表面產(chǎn)生品種，隨后膠體不斷消耗，直至完全長(zhǎng)成納米線。此外zhu等[402]將 bi（ no3）2， na2s2o3和三乙醇胺（tea）的水溶液在20khz，60w?c m- 2 的高強(qiáng)度超聲下輻照2h，制得了直徑10-15nm，長(zhǎng)度60-150nm的bi2s3納米棒。產(chǎn)品結(jié)晶度良好、形貌均一，且純度較高。
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1.2水熱合成法
該法是指以水為分散溶劑，將反應(yīng)物放入內(nèi)含聚四氟乙烯襯底的不銹鋼反應(yīng)釜中，在高溫高壓條件下使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。先利用水熱反應(yīng)得到不同形貌的前驅(qū)體，再于空氣中在一定溫度下灼燒前驅(qū)體而得到所需納米材料。這是一種制備形貌各異的納米氧化物的有效方法之一[307]。該法具有條件溫和、產(chǎn)物純度高、晶粒發(fā)育完整、粒徑小且分布較均勻、無(wú)團(tuán)聚、分散性好、形狀可控等優(yōu)點(diǎn)，且其合成過(guò)程簡(jiǎn)單、裝置簡(jiǎn)易及促使反應(yīng)物能夠在較低的溫度反應(yīng)生長(zhǎng)，是一個(gè)非常有應(yīng)用前景的合成新型一維結(jié)構(gòu)稀土化合物的方法。
xu等〔308〕以dy2o3粉末為前驅(qū)體用水熱法成功的合成了形貌獨(dú)特的dy(oh)3納米管。水熱合成法不僅可以制備出單一稀土氧化物 納米線，而且可以制備出復(fù)合氧化物納米線，liu等[310]采用水熱合成法合成出了la0.55ba0.5mno3 (a=sr，mn)納米線。水熱法過(guò)程簡(jiǎn)單、原料價(jià)格低廉且容易得到形貌獨(dú)特的稀土材料，是一種可推廣到制備其它稀土化合物的方法。 1.3模板合成法
水熱合成法在制備一維納米結(jié)構(gòu)稀土化合物的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單易行，但是不足之處在于粒子大小和形貌不易控制、粒子無(wú)序排列等。因此探索既能方便地制備出粒子的尺寸和形貌可控、粒子排列又有序的方法是納米材料研究領(lǐng)域中的一個(gè)難點(diǎn)。近年來(lái)，隨著對(duì)納米材料研究的不斷深人，模板合成方法越來(lái)越引起人們的關(guān)注。根據(jù)模板劑的結(jié)構(gòu)可分為軟模板法和硬模板法。軟模板法是指利用表面活性劑液晶模板的原理誘導(dǎo)粒子的生長(zhǎng)，硬模板法則是以含有有序多孔材料為模板，在孔內(nèi)合成所要的各種微米和納米有序陣列[315] 1.3.1軟模板合成法
氧化物納米管、納米線的軟模板法合成途徑是通過(guò)溶液中表面活性劑的自組裝或有機(jī)凝膠的誘導(dǎo)組裝而實(shí)現(xiàn)的。yada等[316]以十二烷基硫酸鈉為軟模板、尿素為沉淀劑的均勻沉淀法通過(guò)分子自組裝方式合成出了稀土氧化物納米管。 1.3.2硬模板合成法
硬模板合成法是利用硬模板劑的孔徑限制和誘導(dǎo)納米線、納米棒的生長(zhǎng)而得到形貌各異的一維納米材料，其最大特點(diǎn)是能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)材料形貌、粒子大小的調(diào)變，從而成為應(yīng)用最廣泛的可控制備方法之一。常用的硬模板有陽(yáng)極氧化鋁(aao)、聚碳酸酯及碳納米管等。采 用硬模板法合成納米材料時(shí)應(yīng)考慮3個(gè)方面情況：(l)前驅(qū)體溶液必須能夠濕潤(rùn)孔（即親水/疏水特性）；(2)沉積反應(yīng)過(guò)程不宜太快，以免堵塞孔道；(3)在反應(yīng)條件下，基體膜必須具備高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。基于此，前驅(qū)物在模板孔內(nèi)的沉積方式通常有電化學(xué)沉積法、化學(xué)鍍、化學(xué)聚合、化學(xué)氣相沉積、溶膠一凝膠沉積及模板在溶液中直接浸漬等6種方式，而最常用的則為最后兩種方式。所得納米材料的形貌及粒徑大小除與所選硬模板劑有關(guān)外，還與其沉積方式、時(shí)間等有很大關(guān)系。 1.4非模板合成法
除了水熱法和模板法可合成出一維納米結(jié)構(gòu)材料外，yada等[323]提出了無(wú)需利用模板劑的新合成方法，該法是添加無(wú)機(jī)物na2so4，nahpo4等，通過(guò)共存離子自組裝進(jìn)人反應(yīng)物混合體系，進(jìn)而形成氧化物空心納米管。通過(guò)比較yada的模板合成法和無(wú)模板合成法，可知無(wú)模板的合成法所得稀土氧化物納米管的種類(lèi)多于模板合成法的，且前者的納米管直徑較大。
[307] xu r r, pang w q. inorganic synthetic and preparative chemistry [m]。beijing:higher education press,2001. [308] xu a w, fang y p, you l p, et al. a simple method to synthesize dy2o3 and dy(oh)3 nanotubes [j]。 j. am. chem. soc.， 2003,125:1494. [310] liu j b, wang h, zhu m k, et al. synthesis of la0.55ba0.5mno3 (a=sr,mn) by a hydrothermal method at low temperature [j]。 mater .，2003,38:817. [315] 包建春，徐 正。納米有序體系的模板合成及其應(yīng)用[j]。無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2002, 18(10): 965. [316] yada m, mihara m,mouri s, et al. rare earth oxide nanotubes templated by dodecylsulfate assemblies[j]。 adv. mater.， 2002,14(4):309. [323] yada m, taniguchi c,torikai t, et al. hierarchical two-and three-dimensional microstructures composed of rare-earth compound nano-tubes [j]。 adv. mater.， 2004,16(16):1448. [001]呂仁江，周志波，高曉輝。 ceo2 納米線陣列的制備[j]。無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2002, 18(10): 965.
納米ceo2粉體及其固溶體的研究進(jìn)展
摘要：本文綜述了納米ceo2的幾種主要制備方法，以及cexzr1-xo2固溶體在汽車(chē)尾氣凈化催化劑中的作用、鈰鋯氧化物的體相結(jié)構(gòu)及影響鈰鋯氧化物固溶體儲(chǔ)氧能力（ osc）和織構(gòu)熱穩(wěn)定性的因素對(duì)其在催化劑中的應(yīng)用作了簡(jiǎn)要陳述。介紹了摻雜對(duì)ceo2 結(jié)構(gòu)的影響及其在催化劑方面的應(yīng)用研究，展望了摻雜對(duì)改進(jìn)ceo2性能的研究方向。
關(guān)鍵詞：納米ceo2；摻雜；cexzr1-xo2，三效催化劑；儲(chǔ)氧能力
0 引言
由于納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等， 使其呈現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)， 在結(jié)構(gòu)與功
能陶瓷， 涂層材料 ， 磁性材料 ， 氣敏材料， 催化材料 ， 醫(yī)藥材料等
領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景l(fā) 1 ] 。
納米稀土氧化物粉末是納米稀土材料的重要組成部分， 它
既是一種可實(shí)用的新材料， 同時(shí)又可為其它大塊新材料的制備
提供原料。其中， 納米 c e o。 粉末由于具有獨(dú)特的立方螢石型結(jié)
構(gòu)特征l 2 ] ， 尤為引人關(guān)注。近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外研究人員已用多種方
法制備出了單一的和某些復(fù)雜 的納米 c e o 粉末， 并詳細(xì)研究
了它們的物性及在多種領(lǐng)域的應(yīng)用。
納米ceo2具有比表面積大， 儲(chǔ)氧性能好， 負(fù)載金屬分散度高等許多優(yōu)良特性， 摻雜對(duì)ceo2的結(jié)構(gòu)及性能又有進(jìn)一步改善， 因而是目前研究的熱點(diǎn)。
cexzr1-xo2固溶體（簡(jiǎn)稱cz）具有高的儲(chǔ)氧能力（ osc）[111-112]和良好的熱穩(wěn)定性[113]，用作汽車(chē)尾氣凈化催化劑載體受到了廣泛的關(guān)注，是目前催化劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。研究工作主要集中于cz的結(jié)構(gòu)表征，結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性、osc的關(guān)系以及cz基催化劑的催化作用等。本文主要介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)cz在上述方面的研究進(jìn)展 。
0 引言
納米技術(shù)是近幾年崛起的一門(mén)嶄新的高科技技術(shù)． 它是研究現(xiàn)代技術(shù)與科學(xué)的一門(mén)重要學(xué)科，也是當(dāng)前物理、化學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。它是在納米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物質(zhì)（包括分子和原子） 的特性和相互作用，納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在催化、光學(xué)、電磁、超導(dǎo)、化學(xué)和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學(xué)特性【1-2】等， 引起了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。利用這些特性所開(kāi)發(fā)出來(lái)的多學(xué)科的高新科技，成為特殊功能材料發(fā)展的基礎(chǔ)。納米氧化物作為納米材料中的重要一員，在精密陶瓷、光電池、磁記錄和傳感器、催化劑、發(fā)光材料等方面有著重要的應(yīng)用。因此，人們對(duì)納米氧化物的制備和性能進(jìn)行了廣泛的研究 。
作為新材料中的一員——稀土納米材料的研究也成為世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一。納米二氧化鈰具有晶型單一，電學(xué)性能和光學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于sofcs電極、光催化劑、防腐涂層、氣體傳感器、 燃料電池、離子薄膜等方面【3-4】。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)納米二氧化鈰的制備及性能等進(jìn)行了大量研究。納米技術(shù)簡(jiǎn)介【5】
納米技術(shù)(nanometer technology)主要針對(duì) 1～100 nm之間的尺寸，該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域 ，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng) ， 突出表現(xiàn)為四大效應(yīng): 表面效應(yīng):指納米粒子的表面原子數(shù)與總體積原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大 ，從而引起的性質(zhì)上的突變。粒徑到達(dá) 10 nm 以下 ，表面原子之比迅速增大。當(dāng)粒徑降至 1 nm時(shí) ，表面原子數(shù)之比超過(guò) 90 %以上，原子幾乎全部集中到粒子的表面，表面懸空鍵增多 ，化學(xué)活性增強(qiáng)。
體積效應(yīng):由于納米粒子體積極小 ，包含極少的原子 ，相應(yīng)的質(zhì)量也很小。因此 ，呈現(xiàn)出與通常由無(wú)限個(gè)原子構(gòu)成的塊狀物質(zhì)不同的性質(zhì) ，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。
量子效應(yīng):當(dāng)納米粒子的尺寸下降到一定程度 ，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散；納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí) ，從而使得能隙變寬 ，這種現(xiàn)象 ，稱為量子尺寸效應(yīng)。
宏觀量子隧道效應(yīng):納米粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近來(lái)年 ，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量 ，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng) ，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘。
研究表明，納米材料的顆粒尺寸小，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全，導(dǎo)致表面活性位置增加，而且隨著粒徑的減小，表面光滑度變差，形成了凹凸不平的原子臺(tái)階，從而增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面，具有很強(qiáng)的催化性能。因此，納米催化材料是納米材料研究的一個(gè)重要方向。納米稀土材料是納米催化材料的一個(gè)重要組成部分，它既具有納米材料的優(yōu)點(diǎn)，又具備稀土材料化學(xué)活性高、氧化還原能力強(qiáng)和配位數(shù)多變的特點(diǎn)，集兩種材料的優(yōu)勢(shì)于一身，是比純粹的納米材料和稀土材料更優(yōu)良的的新型復(fù)合材料；廣泛應(yīng)用于稀土化合物納米粉體、稀土納米復(fù)合材料、稀土納米環(huán)保材料、稀土納米催化劑等方面，具有廣闊的市場(chǎng)前景。氧化鈰是稀土族中一個(gè)重要的化合物，是一種用途非常廣泛的材料，在玻璃、陶瓷、熒光粉、催化劑等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，特別是在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑中，氧化鈰作為一種重要的助劑，對(duì)改進(jìn)催化劑的性能起著舉足輕重的作用 ［6-7］ 。
c e ( ) 2 將在高薪技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更大的潛力
二氧化鈰的資源狀況
我國(guó)稀土資源具有分布廣， 品種多， 質(zhì)量好的特點(diǎn)i 5 ] 。
據(jù)公布資料顯示， 我 國(guó)稀土工業(yè)儲(chǔ)量為 4 3 0 0萬(wàn)噸( 以 r e o
計(jì)) ， 遠(yuǎn)景儲(chǔ)量為 4 8 0 0萬(wàn)噸， 占全球儲(chǔ)量 9 1 0 0萬(wàn)噸的 4 3 ． 4
％左右， 居全球之首。鈰在地殼中的豐度占第 2 5位， 與銅的豐度相當(dāng)。
鈰與其它稀土元素一樣性質(zhì)活躍， 為親石元素。鈰的主
要資源來(lái) 自氟碳鈰礦和獨(dú)居石。工業(yè)開(kāi)采的鈰的稀土礦物
主要有包頭混合型稀土礦（ 氟碳鈰礦和獨(dú)居石混合的礦物 ） 、 獨(dú)居石、 氟碳鈰礦及離子型吸附礦， 山東微山和四川冕寧地
區(qū)的單一氟碳鈰礦床。這些礦物中氟碳鈰礦、 獨(dú)居石 、 氟碳
鈣鈰礦含鈰量（ 以c e 2 o 3 計(jì)） 都超過(guò) 5 0％， 如： 氟碳鈰礦中已
達(dá) 7 4％， 獨(dú)居石含鈰量約 6 o％， 氟碳鈣鈰礦含鈰量為 5 3 ～
6 2％。這為我國(guó)大力發(fā)展稀土鈰工業(yè)提供了必要的物質(zhì)基
礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。
目前我國(guó)c a 3 2 產(chǎn)品的原料包括下列幾種_ 6
j ： （ 1 ） 混合型
氧氧化稀土[ r e （ oh）
] 。它是由混合型稀土精礦( 包頭稀土
礦) 及氟碳鈰礦精礦經(jīng)處理后而制成的。r e（ oh） 中含
r e o 6 0％， c e o 2 5 0％。（ 2 ） 稀土精礦 ( r e o>~5 0％， c e o 2 4 8
％～5 0％) 。它可用包頭稀土礦或 四川氟碳鈰礦精礦處理
后而制 成。（ 3 ） 硫酸 稀土 和氯化稀 土 [ r e 2 （ s （ ） 4 ） 3中含
r e o 5 0％， c e o 2 5 0％； 在 re c l 中含 r e o≥4 5％， c e c h ≥ 5％] 。均可由稀土精礦處理后而獲得。上述三種原料 為
我國(guó)目前生產(chǎn)二氧化鈰提供充足的原料。 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀
目前舊內(nèi)外正在開(kāi)發(fā)和研究應(yīng)用的領(lǐng)域
（ 1 ） 紫外線吸收劑方面的應(yīng)用
目前大量使用的是有機(jī)紫外線吸收劑， 有饑物的最大缺
點(diǎn)足穩(wěn)定性差， 容易分解 ， 分解產(chǎn)物還會(huì)加速其它高分子材
料老化， 最終影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期使用效果。此外有機(jī)吸收劑本
身或其分解產(chǎn)物具有一定的毒性， 符合綠色環(huán)保要求， 影
響產(chǎn)品出口和使用范圍。
普通氧化鈰用于紫外戰(zhàn)吸收0 已在玻璃行業(yè)得到應(yīng)用。 納米 c e 的4
f
電子結(jié)卡 勾， 塒光吸收非常敏感， 而且吸收波 0 3 1 3 2 左右 段大多在紫外區(qū)（ 如圖( 3 ） 示 ， 實(shí)驗(yàn)室自制粒度在 的（ 的紫外吸收網(wǎng)） ， 岡此所得的納米復(fù)合抗紫外線劑，n m) ， 高效長(zhǎng)久( 比
具有吸收效率高、 吸收波段寬（ 2 0 0 ～4 0 0 有機(jī)抗紫外線劑要長(zhǎng)數(shù)倍） ， 防止高分子材料老化的功能將
更強(qiáng)， 綠色環(huán)保， 而且綜合成本低。粒徑 8
n m的) 2 超微
粉對(duì)紫外線吸收能力和遮斷效果顯著， 可用于基材涂料提高
耐候性。目前我國(guó)許多公司
在開(kāi)發(fā)將其應(yīng)用于涂料 ， 防止
坦克 、 汽車(chē) 、 儲(chǔ)油灌等的紫外老化； 日本無(wú)機(jī)化學(xué)公司在該方
面也研制成功 了一種名為 c e f i g u a ~的紫外線遮斷劑， 并建
立 鈰防護(hù)劑生產(chǎn)線， 該產(chǎn)品與同類(lèi)產(chǎn)品比較， 紫外線遮斷
效果相同， 但透明性較其它產(chǎn)品優(yōu) 良。今后， 隨著鈰防護(hù)劑[10]
納米材料因其獨(dú)特 的表面效應(yīng)、 量子尺寸效應(yīng)等而表現(xiàn) 出
不同于常規(guī)材料的特殊性能 ， 因而在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛 的使
用。 我國(guó)擁有豐富的稀土資源 ， 由于稀土元素具有獨(dú)特的 f 電子
構(gòu)型， 因此具有其獨(dú)特的光 、 電、 磁性質(zhì)。 為了進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)
新型納米稀土材料 ， 納米稀土材料 的合成及應(yīng)用成為了世界各
國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一。
c e oz 屬于立方晶系 ， 具有螢石結(jié)構(gòu)。 c e 0。 作為一種典型的稀土氧化物有著多方面的功能特性 ， 被廣泛用于 電子陶瓷、 玻璃
拋光、 耐輻射玻璃 、 發(fā)光材料等。最新研究表明， 由于ce o。 獨(dú)特 的儲(chǔ)放氧功能及高溫快速氧空位擴(kuò)散能力 ， 因此可以被應(yīng)用于
氧化還原反應(yīng) 中， 成為極具應(yīng)用前景的催化材料n ] 、 高溫氧敏
材料[ ‘ ] 、 p h傳感材料n ] 、 電化學(xué)池中膜反應(yīng)器材料n 3 、 燃料 電
池的中間材料 ] 、 中溫固體氧化物燃料 電池（ s of c） 用電極 材
料[ g
0 ] 以及化學(xué)機(jī)械拋光 （ c mp ） 漿料[ ， 在現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域
有 著巨大的發(fā)展?jié)摿?。而高科技的發(fā)展對(duì) c e o。 的要求越來(lái)越高 ， 因此 c e o。 納 米粉體的制備技 術(shù)也已成為必須迫切解決的問(wèn)題。本文即根據(jù)最新 資料文獻(xiàn) ， 重點(diǎn)介紹了納米 c e o。 在高新
技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用 以及國(guó)內(nèi)外有關(guān)納米 c e o。 制備方法的研究
進(jìn)展 ， 同時(shí)對(duì)納米 c e o。 研 究的發(fā)展趨勢(shì)提 出了新的展望 ， 以期
為進(jìn)一步深入研究和開(kāi)發(fā)高性能新型 c e o。 功能納米材料提供
參考和借鑒 。
納米氧化鈰在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用． 1
在汽車(chē)尾氣探測(cè)及凈化催化中的應(yīng)用 隨著汽車(chē)用量的增加， 環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重 。 由于環(huán)保法規(guī)
日趨嚴(yán)格 ， 汽車(chē)尾氣探測(cè)和凈化用催化劑的消費(fèi)量大幅度增加 ， 這不僅是因?yàn)槠?chē)尾氣凈化已經(jīng)普及， 而且環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)逐步提高 。
表 1 所示為美國(guó)聯(lián)邦政府 、 加利福尼亞州和歐盟制定的汽車(chē)尾
氣排放標(biāo)準(zhǔn)[ 】
。
顯然 ， 如此嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)單靠汽車(chē)工業(yè)本身的努力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 ， 必須開(kāi)發(fā)新型材料來(lái)限制汽車(chē)尾氣的排放以控制 日益嚴(yán)重的環(huán)
境污染 。c e 02 于還原氣氛中很容易被還原為低價(jià)氧化物 ， 轉(zhuǎn)化為缺氧型非化學(xué)計(jì)量氧化物 c e o
… 盡管在晶格上失去相當(dāng)數(shù)
量的氧而形成大量氧空位 ， 但 c e o
一
仍然能保持螢石型晶體結(jié)
構(gòu)。 這種亞穩(wěn)氧化物暴露在氧化環(huán)境中， 又極 易被氧化為 c e o 。
由于 ce 0 具有這種獨(dú)特的儲(chǔ)放氧功能 以及高溫化學(xué)穩(wěn)定性和
快速氧空位擴(kuò)散能力（ 1 2 4 3 k時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)為 1 0 c m ／ s ） ， 而成
為性能優(yōu)越的高溫氧敏材料， 最適合作 為探測(cè)汽車(chē)尾氣氧濃度
和控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃 比的探頭(
一探頭) ， 以及探測(cè)低 氧分壓的氧
敏傳感器
] 。 c e o 能夠改善催化劑中活性組分在載體上的分散
度， 因此也被廣泛應(yīng)用于催化氧化還原反應(yīng) 。 在控制汽車(chē)尾氣過(guò)
程中， c e o 是三效催化劑中最重要的助劑[ 1 。研究表明l 1
] ，利用納米 c e 0 的 比表面積大 ， 化學(xué)活性高 ， 穩(wěn) 定性好的特性 ，將 c e 0 作為助劑與添 加劑 ， 與貴金屬 （ p t ， p d， r u等 ） 聯(lián)用 ， 也
可將 c e o 作為載體或做成復(fù)合載體 ， 負(fù)載過(guò)渡金屬 ， 可很大程
度提高儲(chǔ)氧放氧能力 ， 明顯改善催化性能 。
1 ． 2 在化學(xué)機(jī)械拋光（ c mp） 中的應(yīng)用
化學(xué)機(jī)械拋光 （ c mp ） 是集成 電路 （ i c） 生產(chǎn)中硅晶圓片整
個(gè)沉積和蝕刻工藝的重要組成部分。它借助 c mp漿料 中超微
研磨粒子的機(jī)械研磨作用以及漿料的化學(xué)腐蝕作用 ， 用專用拋
光盤(pán)在 已制作 電路 圖形的硅 晶圓片上形成高度平整的表面， 是
目前能夠提供超大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中全局平坦化的一種
新技術(shù)n 。其中應(yīng)用最廣泛的是層間介電層 （ i l d） 的拋光， s i o2
則是最常用的層間介電層材料 。 要獲得最佳的拋光效果， 需要制
備高效、 高質(zhì)、 高選擇性的 c mp漿料。
由于納米 c e o 具有強(qiáng)氧化作用 ， 作為層 間 s i o 介 電層拋
光的研磨粒子， 具有平整質(zhì)量高、 拋光速率快、 選擇性好的優(yōu)點(diǎn) 。
c e 0 粒子 比 s i 0 粒子柔軟[ 1 ， 因此在拋光過(guò)程中 ， 不容易刮 s i o 拋光面。盡管 c e o 粒子硬度小， 卻具有拋光速率快 的 點(diǎn)， 這主要在于 c e o 粒子在拋光過(guò)程中所起的化學(xué)作用。 c 粒 子拋 光 s i 0 介 電層 的機(jī) 理 如下
：
一 一
中的界面氧原子將與細(xì)胞色素 c中賴氨酸殘基上的質(zhì)子化氨基
相互作用并形成細(xì)胞色素 c與電極之 間的電子傳遞通道 ， 可以
獲得細(xì)胞色素 c的快速傳遞反應(yīng) 。c e 0 粒子越小， 比表面積越
大， 界面的氧原子數(shù)就越多， 因而可在電極表面產(chǎn)生越多的電化
學(xué)活 性 點(diǎn) ， 得到 更好 的反應(yīng) 促進(jìn) 效 果l 2 。
1 ． 4 在燃料電池 電極 中的應(yīng)用
電極在燃料 電池電化學(xué) 中有著十分重要的作用 ， 以 ys z為
電解 質(zhì)， 陰陽(yáng)兩極分別 為 l a （ s t ） mn o。和 ni — ys z的 s of c一
度 占據(jù)統(tǒng)治地位 ， 但是 c h。 在 ni 上快速積炭 ， 阻礙 了 s 0f c甲
烷的直接氧化反應(yīng)路徑的開(kāi)發(fā) ， 而且以 ni 為陽(yáng)極催化劑存在著
抗硫能力差 ， 長(zhǎng)時(shí)間操作會(huì)引起 ni 燒結(jié) 。 c e o 作為一種新型材
料， 有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) ： （ 1 ） c e o 是一種混合 型導(dǎo)體 。可 以將陽(yáng)
極氧化反應(yīng)面擴(kuò)大到 tp b面 （ 氣相一 電極催化劑一 電解質(zhì)三者的 界面） ； （ 2 ） c e o 的離子電導(dǎo)大于 ys z， 可 以協(xié)助 01從 電解質(zhì)
向陽(yáng)極傳遞 ； （ 3 ） c e o 易于儲(chǔ)氧、 傳輸氧 ， 納米級(jí) c e 0 比表面積
大， 增加了儲(chǔ)氧的能力。 因此 c e 0 能夠在陽(yáng)極上應(yīng)用 ， 解決 c ht
直接應(yīng)用于固體氧化物燃料電池的積炭問(wèn)題l 2 。
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