纳米材料的特性及应用

纳米材料的特性及应用

摘要

系统阐述了纳米材料的特性,并重点介绍了纳米材料在陶瓷领域,

医学上,皮革制品上,环境保护等方面的应用。并对纳米材料未来的应用前景进行了展望。

关键词：纳米材料 特性 应用

前言

纳米，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于万分之一头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后，大约是在1-100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料即为纳米材料[1]。纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，即接近于分子或原子的临界状态。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料从根本上改变了材料的结构，使得它成为当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[2]。

近年来，纳米材料取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世[3]。充分显示了纳米材料在高技术领域应用的巨大应用潜力。

纳米材料诞生多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代后，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。世界许多国家都将纳米科学技术的研究和发展作为一项重要的国家项目，加大投资力度。这也说明了纳米材料的研究仍然是将来最有发展前途的科研领域。

1 纳米材料的性质

纳米材料晶粒极小，表面积特大，在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态材料表面原子所占的百分数，导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊基本性质，如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等，从而使纳米材料具有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的蓝移或红移现象等[3]。除上述的基本特性，纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质。

1.1 纳米材料的体积效应

当纳米材料的颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被改变，无论是否是非晶态的纳米颗粒，其颗粒表面层附近的原子密度减小，结果是导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现出与普通非纳米材料不同的新的效应。这些小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域[4]。

1.2 纳米材料的表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如当粒径降至10 nm时，表面原子所占的比例为20％，而粒径为1 nm时,几乎全部原子都集中在粒子的表面，纳米晶粒粒径的减小结果导致其表面积、表面能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性[5]。

1.3 纳米材料的量子尺寸效应

当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等[6]。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。

由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为材料科学研究领域开辟了新的途径。

1.4 纳米材料的宏观量子隧道效应和介电限域效应

在半导体物理中，微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来发现，诸如像微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等一些宏观量都具有隧道效应，故称为宏观量子隧道效应。介电限域效应主要是指纳米微粒分散在异质介质中，由各分散体的界面引起的体系介电效应增强的现象。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生这种介电限域效应[7-8]。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等都会有重要的影响。

2 纳米材料的应用

2.1 纳米材料在陶瓷方面的应用

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出非常好的韧性与延展性。

通过纳米改性金属陶瓷成分与不改性的相同金属陶瓷成分的实验证明，在成分相同的情况下，改性金属陶瓷的机械物理性能均高于不改性的金属陶瓷，达到了纳米改性既提高强度又提高硬度的目的；矫顽磁力的测试用于金属陶瓷能表明材料的晶粒度，也是一种对材料的适用性的表征；金属陶瓷具有良好的耐磨耐高温性能[9-10]。

2.2 纳米材料在皮革中的应用

纳米复合材料由于具有优良的物理、力学和化学性能，在基础研究和实际应用中都引起人们普遍的兴趣。丙烯酸树脂作为一种皮革鞣剂，有选择填充性好，增强作用强，成革柔软性好等优点。[11]氨基树脂鞣剂广泛应用于预鞣、复鞣、填充等工序，具有明显的增厚、增白及耐光性能，特别是其良好的填充性能，在解决皮革边腹部松软及部位差等方面效果显著。

皮革制品不能经常洗涤，所以其自身的防霉性和抗菌性能就显得尤为重要。近年来随着纳米技术的快速发展，纳米抗菌技术已经作为一种高新技术广泛的应用于食品、化工、纤维、水泥、电机、包装材料等领域。[12]纳米抗菌剂主要分为金属抗菌剂和光催化型抗菌剂。金属抗菌剂主要是将银、铜、锌等金属(或其离子)固定在氟石、硅胶、膨润土等多孔材料的表面制成的。其中银的抗菌性能最好且高效无毒，得到广泛的应用。光催化型抗菌剂主要有TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2和Fe2O3等N型半导体金属氧化物，其中TiO2的氧化活性高，稳定性强，有较强的可见光反射能力和紫外吸收屏蔽能力，且对人体无毒，是这类抗菌剂的典型代表。

2.3 纳米材料在医学上的应用

医学上使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳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药品。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。[13]纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。

现在医学中随着细菌耐药性和抗药性的不断增加和复杂化，使传统抗菌剂的弊端日益突出，这就需要研发新型的抗菌物质。抗菌纳米药物由于具有更大的比表面积和表面电荷密度，对细菌有较强的抗菌作用，因而成为许多药物的替代品[14]。

在医学中药品质量的好坏，直接影响人们的身体健康和生命安全。因此，对药品质量进行全面的分析控制，以确保人们用药安全十分重要。研究建立准确、灵敏、快速、选择性好的药物分析方法对于新药的开发、制备、药理学的研究以及药物的临床应用等具有重要意义。传统的药物分析方法有分光光度法、高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱法、电化学分析法、荧光分析法、化学发光法、毛细管电泳法、流动注射分析法以及各种联用技术等。[15]但随着纳米技术的深入发展，发现具有各种特异性和功能的纳米粒子作为光散射探针测定某些药物的灵敏度较其它试剂测定同一药物高数倍。这就为药物的痕量测定创造了条件，也为纳米微粒在分子光谱中的应用开拓了更广阔的空间。纳米粒子在药物分析领域将会有良好的应用前景，并将使药物分析方法向着高灵敏度与低检测限的目标迈进，进而为其在药物筛选，临床血药浓度的监测和药代动力学的研究等方面的应用奠定基础。

随着纳米技术的发展，人们根据纳米材料的尺寸效应和表面效应的原理，近年来有学者应用纳米技术在抗菌消毒方面做了一些探索，比如纳米敷料。[16]临床试验发现，纳米敷料具有很强的黏附性、且易随形，与创面黏附紧密形成类似屏障，能起到抗菌膜屏障作用，防治创面感染，促进创面修复的作用。纳米敷料较好的敷贴性还能防止创面出血，在大张植皮时该作用尤为突出。所以，各种纳米人造皮肤及材料在烧伤创面上的应用成为研究的热点及发展方向。

2.4 纳米材料在环保方面的应用

随着人们环保意识的增强，越来越多的新型材料被用于处理各种污染物。尤其是纳米技术的进步，使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用最多的就是Ti02纳米材料。利用Ti02纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解的物质，可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂，氯代物、氟里昂等废水的处理，还可用以处理无机废水等。李田[16]将纳米Ti02固定于玻璃纤维网上形成催化膜，用于深度净化饮用水。结果显示，自来水中有机物总量去除率达6O％以上，19种优先污染物中有5种被完全去除，其他有机物的浓度也大多降至检测限以下，同时细菌总数明显减少，使水质达到了直接安全饮用的要求。Skubal等[18]用精氨酸改性胶体Ti02表面，然后光催化还原Hg，吸附和还原效率均提高到99.9％。用Ti02光催化法从Au(CN)-4中还原Au，同时氧化CN-为NH3和CO2的实验方法，并指出将该法用于电镀工业废水的处理，不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。

纳米Ti02表面活性羟基等具有非常高的反应活性，它不但能矿化其表面附着的有机物，而且能与其表面附着的细菌的组成成分(也是有机物)进行剧烈的反应，从而具有杀菌能力。不但能杀死细菌，而且能彻底矿化细菌尸体，有效消除其残留(毒)物和细菌分泌物，本身又不夹带污染，无毒无害而且成本低[19]。纳米Ti02涂层还可以用于空气净化，[20]其在紫外线照射下可分解房问内的新建材、黏接剂等产生的甲醛，吸烟产生的乙醛，家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油污及其它有机物等。