纳米材料的应用

纳米材料的应用

应用化学1221 1230109133韩露

摘要：介绍纳米材料的概况及纳米材料的特异效应，与各种特异效应对应的应用前景，包括纳米陶瓷材料，纳米荧光材料等。介绍了纳米陶瓷的制备及制备过程中影响力学性能的因素和前景，对上转换发光纳米晶的选择和合成做了系统的讨论，补充了纳米材料具有潜在的危害。作为最有前途的材料，纳米材料无疑将会在生活和生产中得到广泛的应用， 为人们提供各种便利，服务于人民。纳米技术开辟了人类认识世界的新层次，使 人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术水平进 入了一个新时代，即纳米科技时代。

关键词：纳米材料 荧光材料 陶瓷材料 上转换发光 力学性能

引言：当人类步入21 世纪的时候，以纳米粒子为代表的前沿材料将扮演重要的角色，纳米技术的发展，必将给我们的生活带来巨大的变化，虽然纳米材料的研制和开发还处于起步阶段，但它所带来的影响将是其它材料所无法与之相比的。 在纳米量级范围内（0.1-100nm）对分子、原子进行操纵和加工的技术，是 用单个原子、分子制造物质的技术，是研究一小堆原子(团簇)甚至于单个原子或 分子的一门学科；是以纳米科学为基础，制造新材料、新器件、研究新工艺的方 法和手段。 纳米材料的分类按照维度不同可分为： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； 一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； 二维：指在三位空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等; 三维：指三维空间中含有上述纳米材料的块体，如纳米陶瓷等。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上，在X射

线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

荧光纳米材料

近年来，人们开始对荧光标记材料产生了浓厚的兴趣，特别是随着纳米技术的发展，能够进行生物标记的无机纳米晶成为人们追逐的热点但是由于生物背底同样会产生荧光从而对荧光检测形成干扰，于是不会产生背底干扰的稀土上转换纳米发光标记材料引起了人们的注意。稀土上转换发光材料通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。由此可见上转换发光的本质是一种反Stokes发光，因此，也称上转换发光为反Stokes发光。早在1959年，就出现了上转换发光的报道。用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。上转换发光的机理可以归结为4种情况:(1)单离子的步进多光子吸收，这实际上是激发态吸收(ESA)的过程。(2)直接双光子吸收。这也是一个单离子过程，能量为E1和E2 (E1与E2可以相等也可以不相等)的两个光子从一个虚拟的中间量子态被同时吸收终态E3=E1+E2。（3）多个激发态离子的共协上转换。(4)光子雪崩吸收上转换。

上转换纳米微粒的个最重要标志是尺寸与物理的特征量相差不多,例如。当上转换纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。

与此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳术微粒的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观犬块物体不具备的新的光学特性。

陶瓷纳米材料

陶瓷材料作为材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。

陶瓷又可分为结构陶瓷和功能陶瓷，结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点;功能陶瓷在力学、电学、热学、磁光学和其它方面具有一些特殊的功能，使陶瓷在各个方面得到了广泛应用[1]。但陶瓷存在脆性(裂纹)、均匀性差、韧性和强度较差等缺陷，因而使其应用受到了一定限制。 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸(1～100 nm)的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效应而在纳米陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平，使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对

材料的力学、电学、热学、磁学、 光学等性能产生重要影响，从而为工程陶瓷的应用开拓了新领域。

纳米陶瓷具有优异性能

(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；

(2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性； (3)可以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

随着移动通讯和卫星通讯的发展，尤其是近些年来，功能陶瓷的一个重要的发展趋势就是器件重量不断减轻、尺寸不断缩小。小型化、集成化、片式化、多层化、多功能化渐渐成为发展微型化的技术基础。功能陶瓷纳米化、纳米陶瓷、纳米器件是信息陶瓷进一步发展的必然趋势，也正成为国际研究的一个新的热点。正因为纳米陶瓷具有优良力学性能和某些特殊的功能，使纳米陶瓷在多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

纳米材料的危害

在一段时间里，我们一直认为纳米科技给社会带来的都是益处，而近年来，不少研究者发现，一些纳米颗粒和碳纳米管对生物体有害。

据《自然》杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学的研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域，即嗅球区，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告中指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米颗粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都表明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。

当物体缩小到纳米尺度，它的性质会发生明显变化。实验表明，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克的纳米二氧化硅，小白鼠就会立刻毙命。类似的实验还有，在含有直径为20纳米的聚四氟乙烯塑料颗粒的空气中生活15分钟的实验鼠，大多数在随后的4小时内死亡；而暴露在含有直径120纳米颗粒的空气中的对照组实验鼠则安然无恙。

纳米材料污染一旦进入人体，比普通污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒比微米颗粒数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小的剂量

下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附能力很强，荣比把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。

纳米科学是一门新兴的科学，正处于不断发展完善之中，很多研究仍处于定性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有：1、如何准确表征纳米材料的各种精细结构。2、如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。3、能否利用某种判据来预测微区尺寸减少到多大时， 材料表现出特殊的性能。4、纳米材料的危害方面更是有待更多纳米科学家和生物学家的合作，寻求有效的防止纳米材料危害生物体的方法和措施。在此基础上，逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分布的控制，最终向实现根据材料的性能要求，设计、合成目标纳米复合材料和设计组装具有特殊功能的微系统的方向发展，并开发其广阔的应用领域。 参考文献：

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