納米材料專題
幾種新型納米功能材料的應(yīng)用
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[摘 要]納米功能材料由于其基本組成單位尺度小，具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸等多個特性，科研工作者根據(jù)這些特性在化工、醫(yī)藥、隱身材料方面取得了重要進(jìn)展。
[關(guān)鍵詞]納米功能材料 體積效應(yīng) 碳納米管 磁損耗
一、納米功能材料的定義
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。正是由于基本組成單位尺度小，納米材料具有很多其他普通尺度的材料所不具備的效應(yīng)，具體包括體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域、量子尺寸、量子隧道等，其中最值得注意的是體積效應(yīng)和介電限域。體積效應(yīng)是指納米粒子足夠小時，納米材料的催化性、熱阻、內(nèi)壓、光吸收性都發(fā)生了很大變化，應(yīng)用這個特性制成的納米吸波涂料具有質(zhì)量輕、厚度薄、吸波頻帶寬等優(yōu)點。而介電效應(yīng)是指納米材料處于一定的介質(zhì)包圍之中時，由于不同材料對光的折射率不同，納米表面及其附近的場強(qiáng)增大，這種效應(yīng)廣泛應(yīng)用于多相反應(yīng)中光催化材料。正是這些獨特的效應(yīng)使得納米材料在傳統(tǒng)材料、電子設(shè)備、醫(yī)療器材、機(jī)械制造、軍工等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。
二、納米功能材料在隱身物質(zhì)研究領(lǐng)域的應(yīng)用
目前研究較深的納米材料主要是在信息儲存、生物標(biāo)記、攝影技術(shù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景的金屬納米粒子研究，以及可應(yīng)用在在催化劑、抗菌劑、潤滑添加劑等領(lǐng)域的cu納米材料。
目前已經(jīng)實際應(yīng)用的隱身材料主要包括電損耗型和磁損耗型，主要原理都是將電信號或磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蛳嚓P(guān)能量形式，以降低物體的反射信號強(qiáng)度從而實現(xiàn)隱身。納米隱身材料工作原理大多屬于磁損耗型，微觀機(jī)理是隨著材料微觀尺度減小，表面原子數(shù)相對越來越多使得材料活性增強(qiáng)，微觀粒子加速運動的過程中將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑴p少信號反射[1]。
目前隱身材料發(fā)展方向主要是
?。ㄒ唬掝l化：所謂寬頻化是指拓寬納米隱身材料所能吸收雷達(dá)探測信號的波段更長。隨著隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，軍事領(lǐng)域開始使用多重頻率雷達(dá)協(xié)同探測的方法進(jìn)行對抗，特別是米波段和毫米波段雷達(dá)的發(fā)展對軍用飛行器隱身技術(shù)提出了極大考驗。目前只能吸收少數(shù)幾種波段的隱身材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實要求，研究制備寬頻帶隱身的納米稀薄隱身材料至關(guān)重要[2]。
?。ǘ┹p薄化：通過改造現(xiàn)有納米隱身材料的微觀結(jié)構(gòu)，在降低材料密度的同時提高隱身性能已經(jīng)成為隱身材料研究的重點課題。具體方法是將一些特定鐵磁性材料與納米材料混合以調(diào)節(jié)電磁參數(shù)達(dá)到最優(yōu)效果。
三、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用
癌癥作為當(dāng)今年人類健康的一個巨大挑戰(zhàn)，難以根治的主要原因在于癌細(xì)胞與正常細(xì)胞混雜難以選擇性的消除，而納米粒子包裹的智能藥物可以主動探測癌細(xì)胞并進(jìn)行定點消除，特別是磁性納米材料作為藥物載體時[3]，利用人體特殊的磁場使得藥物在特定區(qū)域聚集并發(fā)揮作用，極大降低了使用藥物的風(fēng)險，此外還可以利用部分納米材料的生物降解特性減少藥物副作用，以及利用接種了抗原或抗體的納米載體進(jìn)行探測。
隨著人類操縱納米材料能力的提高，納米機(jī)器人得到了長足發(fā)展。以搭建納米機(jī)器人所用基礎(chǔ)材料的尺度來劃分，目前納米機(jī)器人主要包括兩類：一類是在分子尺度上通過操縱原子或分子構(gòu)建機(jī)械甚至有特定功能的機(jī)器人以達(dá)到吞噬病變細(xì)胞的目的；另一類是以硅晶片存儲器為代表的生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，通過影響或改變?nèi)梭w正常生理代謝進(jìn)程達(dá)到治愈疾病的目的。
四、在化工領(lǐng)域應(yīng)用
由于納米材料尺度極小，具備獨特的電、磁、光特性，自80年代初期以來，科研工作者利用納米功能材料體積效應(yīng)、量子尺寸、表面效應(yīng)等在化工領(lǐng)域取得了許多重大研究成果。
傳統(tǒng)的催化劑催化效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重，新興納米材料制成的催化劑通過優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高催化效率實現(xiàn)了化工行業(yè)革命性的變革。其基本原理是利用納米材料尺度極小表面粒子相對較多，因此表面活性極大，為分子之間聚合、斷鏈提供了大量的場所[4]。以Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒為例，這些催化劑替代了昂貴的鉑或鈕催化劑，納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。
以碳納米管為增強(qiáng)材料[5]可以制成貯氫材料等多種復(fù)合材料。目前已經(jīng)可以通過20V直流電在兩個石墨電極之間產(chǎn)生電弧，使陽極在4000K-10000K溫度下不斷蒸發(fā)消耗引起電弧噴射得到納米顆粒，其中30%為長3-10nm，直徑1-5nm的碳納米管顆粒。美國西南納米技術(shù)公司與大陸菲利普斯公司合作，實現(xiàn)了通過硫化床反應(yīng)器工藝制造多壁碳納米管和單壁碳納米管。
五、我國在納米功能材料領(lǐng)域研究現(xiàn)狀
納米材料自20世紀(jì)80年代正式問世以來，基礎(chǔ)理論研究與實際產(chǎn)品開發(fā)均取得重大進(jìn)展，以1997-2004年為例，世界范圍內(nèi)對納米材料相關(guān)科學(xué)研究投資從8.2億增長到32億，通過對其體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域等特性的開發(fā)，納米材料已經(jīng)在化工制造、軍用航天器隱身、醫(yī)藥與生物等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，納米碳酸鈣、納米氧化硅、納米氧化鋅等都已經(jīng)形成比較大的市場規(guī)模[1]。中國通過集中科研力量以及各領(lǐng)軍企業(yè)加大投資力度，實現(xiàn)了納米產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，目前基于原料價格低廉與市場需求旺盛等原因，納米碳酸鈣、納米氧化鋅等均已形成產(chǎn)業(yè)集群甚至完整的產(chǎn)業(yè)鏈。但也同時面臨以下幾個問題：一是納米材料研究投資需求大，民營性質(zhì)中小企業(yè)科研力量弱、資金實力普遍不強(qiáng)，亟須國家層面支持。二是科研力量分散，重復(fù)勞動明顯，未形成集中有序的科研梯隊，缺少大型科研基地。三是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合能力不足，納米材料研究到納米材料實際應(yīng)用對接能力較弱，限制了納米功能材料研究特別是高純度高指標(biāo)納米材料研發(fā)的資金來源。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙東林，周萬城.納米雷達(dá)波吸收劑的研究和發(fā)展.材料工程，l998.
[2] R. C. Che， et al， Applied Physics Letters 88， 033105 2006. “Fabrication and microwave absorption of carbon nanotubes/CoFe2O4 spinel nanocomposite”.
[3] 李向輝，王宏魁.納米技術(shù)在生物制藥領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[A].畜牧與飼料科學(xué)，2011（32）.
[4] R. C.Che， et al， Nanotechnology 18 （35）：Art. No. 355705 SEP 5 2007.
[5] 夏正才，曹霞.碳納米管[A].材料導(dǎo)報，2000.
（轉(zhuǎn)自論文網(wǎng)）
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