纳米非金属功能材料.doc

第1章 绪 论 纳米材料一般指尺寸为l一100nm，处于原子团簇和宏观物体交接区域内的粒子。而从原子团簇制各材料的方法，称为纳米技术。纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应而产生奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性，它既是一种新材料又是新材料的重要原料。 纳米技术可使许多传统产品“旧貌换新颜”，把纳米颗粒或者纳米材料添加到传统非金属材料中，形成纳米非金属材料，可改进或获得一系列的功能。例如，在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒，可以除味杀菌；利用纳米技术生产的无菌餐具、无菌扑克牌、无菌纱布等产品已经面世；化纤布料应用纳米技术，加入少量的金属纳米微粒可以摆脱因摩擦而引起烦人的静电现象；涂料使用纳米技术，。许多指标都大幅度提高，外墙涂料的耐洗刷性由原来的一千多次提高到了一万多次，老化时间也延长了两倍多；玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何沾污在表面上的物质在光的照射下，经过纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质。 纳米非金属功能材料具有电导性、半导体性、光电性、压电性、铁电15耐阂蚀、化学吸附性、吸气性、耐辐射性等多种功能。这一类材料品种繁多具有技术含量高、产品更新换代快、附加值高、经济效益明显的特点。 1.1 纳米非金属功能材料的特点与分类 1.1.1纳米非金属功能材料基本性能 纳米非金属功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。 一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时，材料起能量传送部件作用，又称载体材料，主要有：a力学功能如惯性、霸性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性；b声功能如吸声性、隔声性；c热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性；d电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻；e磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性；f光功能如透光性、遮光性、反射性、折射性、吸收性、偏振性、聚光性、分光性；g化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收；h其他功能如电磁波特性(常与隐身相联系)、放射性。 二次功能是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时，材料起能量转换部件作用，又称高次功能，主要有：a光能与其他形式能量的转换，如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应；b电能与其他形式能量的转换，如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应，场致发光效应、电光效应和电化学效应；c磁能与其他形式能量的转换，如热磁效应、磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变；d，机械能与其他形式能量的转换，如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应。112 纳米非金属功能材料的分类 纳米非金属功能材料种类较多，按材料的类别通常可分为：纳米陶瓷功能材料、纳米玻璃功能材料、纳米半导体功能材料、纳米晶体功能材料、纳米氧化物无机非金属超导材料、纳米氧化物磁性材料等。(1) 纳米陶瓷功能材料 陶瓷材料是人类最早使用的材料之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。陶瓷是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因，很难避免材料中存在气孔和微小裂纹，因而质地较脆，韧性、强度较差，使其应用受到了较大的限制。纳米陶瓷功能材料的产生有望克服陶瓷材料的上述缺点，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。要制备纳米陶瓷功能材料，需要解决下列问题：粉体尺寸、形貌和分布的控制；团聚体的控制和分散；块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制等。 大量研究表明，纳米陶瓷功能材料具有超塑性。超塑性是指材料在一定的应变速率下产生较大的拉伸应变。其原因是在较低温度下，纳米陶瓷晶粒很小，使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；同时又使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使材料具有很高的扩散蠕变速率，当受到外力后能迅速做出反应，造成品界方向的平移，使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。 许多纳米陶瓷在室温或较低温度下就可发生塑性变形，如纳米TiOz陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180下塑性变形可达100，即使是带裂纹的Ti02纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩展。上海硅酸盐研究所研究发现，掺杂YzO：的四方氧化结多晶体纳米陶瓷功能材料，当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250下呈现超塑性，且起始应变速率达到3lo2s1，压缩应变量达380，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。对晶粒尺寸为350nm的3YTZP陶瓷进行循环拉伸试验，发现在室温下就已出现形变现象。纳米Si20陶瓷在1300下即可产生200以上的形变。另外，纳米ZnO陶瓷也具有超塑性性能。纳米陶瓷功能材料的硬度和强度也明显高于普通材料。在100下，纳米TiOz陶瓷的显微硬度为1275MPa(1300kgfmm)，而普通Ti02陶瓷的显微硬度低于o196MPa(200kgfmm9)。 虽然纳米陶瓷功能材料还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸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。 (2)纳米高分子功能材料 纳米高分子功能材料也可以称为高分子纳米微粒或高分子超微粒。聚合物微粒尺寸减少到纳米量级后使高分子的特性发生了很大的变化，主要表现在表面效应和体积效应两方面。这两种效应反映在纳米高分子材料功能上，表现为比表面积剧增，粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，粒子的胶体稳定性显著提高。 井新利以Tritonx100为乳化剂、正己醇为助乳化剂，得到了以苯胺盐酸盐为水相、正己烷为分散介质的反相微乳液，然后再以过硫酸铵为氧化剂，合成了导电聚苯胺纳米粒子。英才和赵艺强分别用微乳液聚合法制备了粒径小于100nm，相对分子质量大于105的聚4乙烯毗唉纳米粒子和基于高分子疏水纳米粒子(PMMA和PEMA等)的物理水凝胶。 (3)非金属纳米复合功能材料 目前，纳米复合功能材料已成为开发功能材料的主导方向，纳米微粒在光纤、压电、形状记忆、永磁材料、磁致伸缩、传导聚合物、可调介电等方面，尤其是在仿生材料的开发方面，已经显示出深厚的发展潜力。按基体不同，它可分为聚合物基纳米复合功能材料、陶瓷基纳米复合功能材料和金属基纳米复合功能材料三种。 聚合物基纳米复合功能材料 聚合物无机纳米粒子复合材料的制备方法主要有溶胶凝胶法、溶液共混法、嵌入法和熔融共混法或直接分散法四种。 制备聚合物基纳米复合功能材料的主要目的之一是实现对聚合物的增强增韧，它是刚性微粒增韧方法的延伸和发展。用传统的增韧材料有机弹性体增韧材料时，在提高抗冲击性能的同时会造成诸如拉伸强度等相关性能的下降。而用纳米材料增韧改性塑料，效率高，改性效果好。一般纳米微粒的加入量在10份以下，冲击强度增幅最高可达5倍以上，而且增韧与增强同步进行。需要注意的是，纳米材料的比表面积十分大且配位严重不足，从而表现出强活性，极易凝聚，影响改性效果。为使纳米微粒在基体中分散均匀，必须加入分散处理剂。如罗忠富和刘竞超都发现，纳米微粒经表面处理剂适当处理后制得的纳米CaC02HDPE复合材料和纳米Si02环氧树脂复合材料的力学性能比末处理时要好得多。聚合物戳土类纳米复合材料也是一类研究较为广泛的有机无机纳米复合材料，它在无机物含量远少于常规填充复合材料的情况下就可以具有较好的力学性能、阻隔性能和热稳定性等，并且具有阻燃性和各向异性。 太阳光中280一400nm波段的紫外线能使高分子链断裂，使材料迅速老化。而在塑料中添加某些纳米材料，如纳米Si02与TiOz适当混配的产物就能大大延缓材料的老化。在聚丙烯中加入03的UVTiTANP580纳米TiOz，经过700h热光照射后，其拉伸强度仅损失10，而末加的损失达50。 纳米材料的出现，也为新型功能性材料的制备提供了强有力的技术手段。如将吸收紫外线的UVTiTANP580纳米TiOz加入合成纤维中，就能制得抗老化的合成纤维，用它做成的服装和其他用品具有排除对人体有害的紫外光的功效。又如国家超细粉末工程中心研制的FUMATT108超细抗茵粉体，它可赋予树脂制品抗菌能力。纳米材料不仅能提高涂料的抗老化性，同时还能提高涂料的强度和光洁度。另外，还可以作为密封胶，胶教剂的添加剂，以提高其固化速率，改善粘接效果。 陶瓷基纳米复合功能材料 在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合，可大幅度提高材料的断裂强度和断裂韧性，同时材料的硬度、弹性模量、抗热震性以及耐高温性能均有一定程度的提高。例如纳米S汇弥散到Si：Nd基体中形成的纳米复合材料，其韧性常数X为4575MPal2，断裂强度69为850一1400MPa，最高工作温度可达12001500。另据报道，用烧结技术制成的碳纤维增强SiCSialon纳米复合陶瓷材料与碳纤维增强Sialon微米复合材料相比，其强度和韧性也得到较大改善。 12 纳米非金属功能材料的研究进展121 合成非金属纳米功能材料1211 合成非金属纳米功能材料的应用 (1)在生物医学工程中的应用 在生物材料和人工器官方面 纳米碳纤维不仅具有低密度、高比模量、高比强度、高导电性等优良性能，而且还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点。利用纳米碳纤维材料的这些超常特性和它良好的生物相容性，可使碳质人工骨、人工齿、人工肌腔的强度、硬度、韧性等性能显著提高。纳米陶瓷材料在人工器官制造和临床应用方面也有着广泛的应用前景。 在免疫分析方面 载体材料的选择十分关键。而纳米聚合物粒子，尤其是那些具有亲水性表面的粒子，对非特异性蛋白的吸附量很小，已作为新型的标记物载体使用。 介人性诊断治疗和药物控制释放方面 研究人员发现，构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，其粒度在1520nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比红细胞(69捍m)小得多，可以在血管中自由运动，因此，如果将各种对机体无害的纳米粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，可以作为监测和诊断疾病的手段。动物实验结果表明，载有地塞米松等药物的乳酸乙醇酸共聚物的纳米粒子，可以有效治疗动脉狭窄；用金的纳米粒子进行定位病变治疗，可以减少副作用等。若把药物复合到无毒的磁性纳米颗粒上，这种药物可在外磁场作用下集中于病灶部位，提高药效。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已取得了破性进展，现已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。 纳米粒子具有较高的胶体稳定性和优异的吸附性能，并能较快地达到吸附平衡，这可以直接用于生物物质的吸附分离。科研人员已经成功利用纳米Si02微粒进行了细胞分离，磁性纳米颗粒可以分离疡细胞，成为治疗癌症有效的辅助疗法。在血液净化方面。利用纳米碳材料的高效吸附特性，可用于血液净化系统，清除某些病毒或成分。纳米微粒还为细胞染色技术提供了新途径。大大提高了观测细胞组织的分辨率。同细胞一样大小的纳米颗粒在控制分裂、发酵、分离等工程上的应用也正在开发之中。(2)在环境工程中的压用 废水中有毒有害物质的光催化氧化处理技术是将纳米技术理论及纳米材料应用于环境工程的一个重要方向。例如通过纳米TiOz的光催化反应，可将废水中难以生物降解或有毒有害物分解为C03、H20和HCl等无毒或易生物降解的物质。 (3)在化学工业中的应用 催化剂方面 由于纳米颗粒表面上的原子周围缺少相邻原子，有许多悬空键，表面活性中心多，使其具有极好的催化活性和催化反应选择性。有人预计纳米颗粒催化剂将成为21世纪催化剂的主角。例如以Ni和Cuzn合金的纳米颗粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率达到传统Ni催化剂的10倍。用镍的纳米材料做火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；纳米铂黑作催化剂可以使乙烯氢化反应从600降至室温；用纳米Ti02从硫化氢中除去硫的量比用传统TiOz的增加近5倍，可用于环保用废气转换器。于剑锋在不同类型的微孔树脂子L道中引入Fez十或Fe3J，使其转化成。FezO：并镶嵌在树脂孔道中，用其为催化剂进行苯酚经化反应，苯酚的转化率可达到2326，苯二酚的选择性超过90。纳米A120：粒子也是良好的催化剂。 纳米反应器方面 利用纳米碳管做成的纳米反应器能使化学反应局限一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。用金属醇化合物和羧酸反应，可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接枝共聚物形成微相分离，可制成不同的“纳米结构”，作为纳米反应器使用。 化学电源领域 20世纪90年代纳米材料的应用已经扩展到化学电源领域。纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，和有机溶剂具有良好的相容性，同时也给锤离子的嵌入脱出提供了大量的空间，进一步提高嵌理容量及能量密度。在化学电源领域里，目前已经研究开发出多种纳米新材料。例如，将L汇10或LiBF以及纳米A1z02、沸石或蒙脱石掺入聚氧乙烯(PEO)或其他导电聚合物可以获得用于锤离子电他的固态电解质。纳米碳材料和纳米二氧化锡材料则主要用作铿离子电池的阳极材料。另外，锰钡矿型MnOz纳米纤维还可以用作燃料电他的催化组分，纳米晶态V02(B)既可用作4V捏离子电池的阴极材料，又可作为阳极与liMnzOd配对组成15V水溶液理离子电池。在电他用纳米材料的研究开发中，某些制备方法易于进行工业放大和批量生产，纳米材料将可能成为新一代高性能化学电源的崭新材料。浙大富勒烯小组及其他一些科研单位对碳纳米管等纳米材料作为铿离子电池负极材料进行了研究。碳纳米管不仅可以作为铿离子电池的负极材料，可用作储氢材料。 阻燃技术方面 纳米粒子在阻燃技术中主要是用作阻燃添加剂和灭火剂，如超细五氧化二锑、超细氧化锑母粒、氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌、铂化合物以及锡化合物等无机阻燃剂。这些干粉在火焰中分解、气化、产生游离基，进入气相，与燃烧物产生的游离基作用而终止链反应。 分子组装技术方面 关于纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。利用有机表面活性剂作为几何构型模板剂，通过有机无机离子间的静电作用，在分子水平上进行自组装合成，并形成规则的纳米异质复合结构，是实现对材料进行裁减的有效途径。其应用的一个例子是利用四硫富勒烯的独特氧化还原能力，通过自组装方式合成了具有电荷传递功能的配合物分子梭，具有开关功能。 功能涂料和油墨方面 用纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。目前，已有用纳米级二氧化锡、二氧化钦、三氧化二铬等与树脂复合作为静电屏蔽涂层；用纳米级锈酸钡制成高介电绝缘涂层；用纳米级Fe30d作为静电屏蔽涂层；用纳米级锈酸钡制成高介电绝缘涂层；用纳米级Fe30d作为磁性涂层等。还可以根据纳米材料的特性设计其他性能的各种涂层，如紫外线反射涂层，各种屏蔽的红外线吸收涂层等。在各类涂料中添加纳米Si02，可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。也有利用有些纳米材料(如TiOz等)具有的随角变色效应，将其添加在汽车等用的金属闪光面漆中，使涂层产生丰富而神秘的颜色效应。 纳米静电屏蔽材料 是纳米技术的另一重要应用。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加炭黑喷涂而成，但性能并不是特别理想。为了改善静电屏蔽材料的性能，日本松下公司利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如F“ezOz、TiOz、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。另外，氧化物纳米微粒的颜色各种各样，也克服了炭黑静电屏蔽涂料颜色的单调性。另外，纳米微粒还可用于制备导电涂料等。(4)在材料工业(精细陶瓷)中的应用 纳米材料虽然与常规材料具有相同的原子组成，但其微小结构对光、机械和电的反应完全不同。由于它们的低位错密度甚至无位错，可获得特高硬度和强度，如纳米结构铜硬度可提高50倍，屈服强度提高5一12倍。纳米材料常温下显现出超常的韧性和塑性。如纳米S汇断裂韧性比常规材料提高100倍。 在陶瓷领域中的应用 纳米陶瓷已被认为是最有发展前途的工业材料之一。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。 在纳米结构材料中的应用 在光学方面，它可以作为吸波隐身材料、光反射材料，可用于光通信、光存储、光开关、光过滤等方面。在电学方面，它可制成导电浆料、绝缘浆料、电极等，也可制成量子器件、压敏和非线性电阻。在力学方面，可以制备出超硬、高强、高韧性材料，有望解决陶瓷的脆性。例如碳纳米管具有很高的杨氏模量、较强的韧性及高强度，用其作为金属表面上的复合镀层，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为o06一o1；且复合镀层还具有高热稳定性和耐腐蚀性优异等特点。用共制进的刀具和模具等，产品耐磨性、精度与使用寿命远优于一般材料。 在磁性材料中的应用 纳米磁性粒子的矫顽力非常高，它主要用作永磁材料、磁记录材料和磁流体等。用它来做磁记录材料，可以达到很高的信噪比和稳定性，改善图像质量。其性能和工作寿命高了现在使用的。FezO：产品。纳米微晶稀土永磁材料，其磁性高于铁氧体58倍，而且稀土含量减少了23，不易被氧化、腐蚀。用于磁制冷具有效率高、功耗低、噪声小、体积小、无污染等优点；更重要的是如果实现磁制冷工质纳米化，则可用来扩展制冷温区。纳米微晶软磁材料应用将沿着高频多功能方向发展，如功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁头、磁开关、传感器等，将成为铁氧体有力的竞争者。当纳米粒子的粒径小于临界半径时，就具有超顺磁性，这时的磁相互作用弱，可用作磁流体。磁流体在工业废液处理、宇航、磁制冷、显示及医药中已被广泛应用。 在抗菌材料中的应用 抗菌材料在塑料领域中的应用正呈现出迅猛发展势头。超细纳米级抗菌剂以银、锌为主抗菌体，以超细TiOz等为载体，一般粒径为O2一15flm，大大提高了整体的抗菌效果，使耐温性、粉体细度、分散性和功能效应都得到了充分发挥。纳米级抗菌剂的制备一般是在纳米级粉体的基础上包覆功能材料而制成的。 (5)在电子与电气工业中的应用 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，预计到21世纪中叶，芯片上的功能元件的尺寸将进入纳米范围。计算机 付qg不例科用丁万阳朗电旭干的涌邵反能量转换材料，是一个创新的设想。参照太阳能光电转化的技术原理及科研成果，运用复合纳米碳管材料制成了光电转换薄膜。该技术的特点是材料成本低廉，来源丰富，光电转化效率高，无污染，理论计算效率为60。目前世界上各种不同类型的太阳能电池，其实验室效率也只有26，因此该技术具有非常大的潜在应用前景。此外，半导体超微粒由于其粒子尺寸小于载流子的自由程，因此可以降低光生载流子的复合，提高光能利用效率，在光催化、太阳能电池应用方面前景可观。微量纳米颗粒就具有响应速度快、灵敏度高、精度高、功耗低、优等特点，可以制成温敏、光敏、气敏、湿敏等多种传感器。选择性 朵些纲术吸粉禾具有吸收雷达波、可见光和红外线的功能，如用纳米级的碳基铁粉、镍粉和铁氧体粉末配制的涂料涂覆到飞机、导弹、军舰等武器装备上，能使该装备具有隐身性能；而纳米级铬粉末吸光率几乎达到百分之百。制备微波吸收纳米材料的方法有利用等离子的位移和超声波法等，由于纳米碳管的独特结构，特别是螺旋状纳米碳管，用它做成的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。 微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米科技。碳纳米管是最佳纳米导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可用于纳米级的电子线路，使芯片集成度提高，电子元件体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度，对微器件制作起决定性的推动作用。分子器件是微电子器件的一种，它是指用有机材料(包括生物材料)在分子或超分子尺度范围内构成的有序系统，这些系统通过分子层次上的化学和物理作用完成信息的检测、处理、传输和存储。它的研究内容主要包括分子开关、分子整流器、分子存储器和分子计算机等。 (6)在其他方面的应用 利用纳米经基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。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。还可利用碳纳米管来制作储氢材料，用作汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器等。1212 合成非金属纳米功能材料的研究方向 非金属纳米材料在医疗、生物、冶金、机械等领域中的研究和应用刚刚起步，还有大量工作要做。非金属纳米材料在未来几年内的研究方向主要有以下几个方面：a加强纳米材料基本性质及其所带来的特性研究；b寻找新的纳米材料的制备方法，即要求工艺简单、成本低、纯度高、粒径大小及其分布容易控制，还要不对环境造成污染；c加强纳米材料磁、光、电等特异性，以及其改性(其他)材料机理的研究，为拓宽其研究和应用领域奠定基础；d重点加强纳米材料在信息、微电子、医药、环境等领域的研究，早日实现其商品化等。122 天然纳微米非金属功能材料 所谓的天然纳微米非金属矿物是指自然界存在的、颗粒尺寸在几个纳米至几个微米之间的、过去研究很少但有一定堆积量的微粒非金属矿物。在我国南方部分地区，已经发现了多个储量达数百万至千万吨级的大型矿床，含高纯度的纳米至微米粒级的非金属矿物，显示了巨大的资源价值。如：a川南黔西北的埃洛石矿床，是世界上最大的埃洛石连片产区，在近6万平方公里的面积上已经发现了300多个埃洛石矿床(点)，以管状10A(1A101。m)埃洛石为主；b苏皖交界地带的坡缕石矿，远景资源储量在5亿吨以上，主矿物相坡缕石呈纤维状，直径1025nm；c湖南海泡石矿呈面。纳米材料与我们的生活几年来，我们看到了我们伟大的祖国的科技事业的迅猛发展，这让我为我是个中国人而感到无比的自豪。记得很久以前，手机的用途几乎只有一个，那就是打电话，可是前几年，手机有了很大的改变，不仅外观漂亮多了，而且用途也多了，可以用手机拍照、开会、上网、发短信息等等一系列的事情，这让我们的生活更为方便，也让我更加领会到了科技的力量，不过，我只是个初出茅庐的学生，对“科技”二字的内容还知之有限，我无法用一些很深奥的理论来阐述科技的玄奇，也无法对各位走上工作岗位的长辈们承诺我所能实现的科技蓝图。但我愿意用一个学生的角度来畅想科技与未来。 从基因工程“让人活到一千岁”的梦想，到纳米技术“包你穿衣不用洗”的诺言；从人工智能“送你一只可爱机器狗”的温馨，到转基因技术“让老鼠长出人耳朵”的奇观。不断有新的科技在诞生，每一个新科技的发现都会让人们欣喜若狂，因为，这些新科技正在逐步地改善我们的生活，让我们更加了解自己。就近期而言，中国首先完成了非典病毒全基因组测序，非典现在是全球公认的危害性最大的疾病，可是为什么别的国家不能首先完成，而我们国家就偏偏完成了呢？很简单，这说明了我们国家不比别人落后，不比别人差，回头看看我们祖国的过去，从曾经一个刚刚起步的改革开放的国家到现在的拥有领先的科技水平的大国，我们的祖国经历了多少的风风雨雨，多少的困难与坎坷，但是我们的祖国还是挺过来了，因为我们的祖国坚信科技不仅改变命运，还可改变未来。 对于我们这一代人，对社会的普遍感觉是竞争意识强了，学习劲头足了。科普知识是我们关注的焦点，爱因斯坦、霍金、比尔盖茨是我们心目中的明星，计算机科学、现代物理和化学动态更是无时不牵动着我们。我们已经明白科技的重要性，也知道了科技的普遍性。 虽然科技创造新生活的前景引人遐思，令人神往。但是归根结底是要靠我们共同的努力实现的。作为祖国未来建设的中坚，我们这一代年轻人肩上的担子的确不轻，新的机遇总是伴着风险与挑战，但是，我们不会轻易地说放弃，我们用我们的青春向前辈们发誓：决不辜负前辈们对我们的希望。 回望文明的历程，是科技之光扫荡了人类历史上蒙昧的黑暗，是科学之火点燃了人类心灵中的熊熊的希望；科技支撑了文明，科技创造着未来，而未来在我们手中。让我们成为知识的探索者，让我们在未知的道路上漫游，让我用我们的创造力将我们居住的世界变得更美好纳米的应用 在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较好基础及做出实质性成果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗，因此，业界预测，药物和基因纳米载体材料将带来医学变革，药物纳米载体（纳米微粒药物输送）技术是纳米生物技术的重要发展方向之一。 纳米技术 纳米是长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米）。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。从具体的物质说来，人们往往用细如发丝来形容纤细的东西，其实人的头发一般直径为20-50微米，并不细。单个细菌用肉眼看不出来，用显微镜测出直径为5微米，也不算细。极而言之，1纳米大体上相当于4个原子的直径。 纳米技术包含下列四个主要方面： 纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在1100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。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统,用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。 纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。 纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。 在1998年的四月，总统科学技术顾问，Neal Lane 博士评论到，如果有人问我哪个科学和工程领域将会对未来产生突破性的影响，我会说该个启动计划建立一个名为纳米科技大挑战机构，资助进行跨学科研究和教育的队伍，包括为长远目标而建立的中心和网络。一些潜在的可能实现的突破包括： 把整个美国国会图书馆的资料压缩到一块像方糖一样大小的设备中，这通过提高单位表面储存能力1000倍使大存储电子设备储存能力扩大到几兆兆字节的水平来实现。由自小到大的方法制造材料和产品，即从一个原子、一个分子开始制造它们。这种方法将节约原材料和降低污染。生产出比钢强度大10倍，而重量只有其几分之一的材料来制造各种更轻便，更省燃料的陆上、水上和航空用的交通工具。通过极小的晶体管和记忆芯片几百万倍的提高电脑速度和效率，使今天的奔腾?处理器已经显得十分慢了。运用基因和药物传送纳米级的mri对照剂来发现癌细胞或定位人体组织器官去除在水和空气中最细微的污染物，得到更清洁的环境和可以饮用的水。提高太阳能电池能量效率两倍。 纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。科技水平的不断进步，尤其是在电子行业这一朝阳产业，纳米技术得到了很大的发展，主要是集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。随着人们生活水平的日益提高，及人们对环保的重视程度不断加强。空气质量与工业废水处理已成为城市的一个生活生存质量标志。纳米材料由于其特有的表面吸附特性, 使其在净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前景。纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。科技水平的不断进步，尤其是在电子行业这一朝阳产业，纳米技术得到了很大的发展，主要是集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。随着人们生活水平的日益提高，及人们对环保的重视程度不断加强。空气质量与工业废水处理已成为城市的一个生活生存质量标志。纳米材料由于其特有的表面吸附特性, 使其在净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前景。 纳米材料是指由尺寸小于100nm(0.1-100nm)的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。 纳米是英文namometer的译音，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45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1100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。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴辖穑阉龀纱笤?030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构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，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。 研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 1研究形状和趋势 纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。 纳米材料诞生州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，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。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望， 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来1015年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（nsf）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国darpa（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 ogala计划、erato计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资1.28亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1.2亿美元。据1999年7月8日自然最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从2.5亿美元增 加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。 2国际动态和发展战略 1999年7月8日自然（400卷）发布重要消息 题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴 起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从2.5亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原1.97亿美元的资助强度提高到2.5亿美元。美国商业周刊8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，美国商业周刊在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是德科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在自然的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10bits尺寸的密度已达109bits，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。 最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。 3国内研究进展 我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。 目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学 研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达 92，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常hallpetch效应。 近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到 3mm 3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国科学杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为23mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高12个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国自然杂志上。英国金融时报以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为340urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆，该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（crn）、磷化钴（cop）和硫化锑（sbs）纳米微晶，论文发表在1997年的科学杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜中用中温（70）催化热解法使