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幾種新型納米功能材料的應用
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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、表面效應、量子尺寸等多個特性,科研工作者根據這些特性在化工、醫藥、隱身材料方面取得了重要進展。

 
納米材料

  [關鍵詞]納米功能材料 體積效應 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,具體包括體積效應、表面效應、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和介電限域。體積效應是指納米粒子足夠小時,納米材料的催化性、熱阻、內壓、光吸收性都發生了很大變化,應用這個特性制成的納米吸波涂料具有質量輕、厚度薄、吸波頻帶寬等優點。而介電效應是指納米材料處于一定的介質包圍之中時,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增大,這種效應廣泛應用于多相反應中光催化材料。正是這些獨特的效應使得納米材料在傳統材料、電子設備、醫療器材、機械制造、軍工等領域有著巨大的應用前景。 

  二、納米功能材料在隱身物質研究領域的應用 

  目前研究較深的納米材料主要是在信息儲存、生物標記、攝影技術等領域有廣泛應用前景的金屬納米粒子研究,以及可應用在在催化劑、抗菌劑、潤滑添加劑等領域的cu納米材料。 
  目前已經實際應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變為熱能或相關能量形式,以降低物體的反射信號強度從而實現隱身。納米隱身材料工作原理大多屬于磁損耗型,微觀機理是隨著材料微觀尺度減小,表面原子數相對越來越多使得材料活性增強,微觀粒子加速運動的過程中將磁能轉變為熱能,減少信號反射[1]。 
  目前隱身材料發展方向主要是 
 ?。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探測信號的波段更長。隨著隱身技術的不斷進步,軍事領域開始使用多重頻率雷達協同探測的方法進行對抗,特別是米波段和毫米波段雷達的發展對軍用飛行器隱身技術提出了極大考驗。目前只能吸收少數幾種波段的隱身材料已經不能滿足現實要求,研究制備寬頻帶隱身的納米稀薄隱身材料至關重要[2]。 
 ?。ǘ┹p薄化:通過改造現有納米隱身材料的微觀結構,在降低材料密度的同時提高隱身性能已經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節電磁參數達到最優效果。 

  三、在醫學領域應用 

  癌癥作為當今年人類健康的一個巨大挑戰,難以根治的主要原因在于癌細胞與正常細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胞并進行定點消除,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域聚集并發揮作用,極大降低了使用藥物的風險,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行探測。 
  隨著人類操縱納米材料能力的提高,納米機器人得到了長足發展。以搭建納米機器人所用基礎材料的尺度來劃分,目前納米機器人主要包括兩類:一類是在分子尺度上通過操縱原子或分子構建機械甚至有特定功能的機器人以達到吞噬病變細胞的目的;另一類是以硅晶片存儲器為代表的生物系統和機械系統的有機結合體,通過影響或改變人體正常生理代謝進程達到治愈疾病的目的。 

  四、在化工領域應用 

  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、量子尺寸、表面效應等在化工領域取得了許多重大研究成果。 
  傳統的催化劑催化效率低、環境污染嚴重,新興納米材料制成的催化劑通過優化反應路徑、提高催化效率實現了化工行業革命性的變革。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溫度從600℃降至室溫。 
  以碳納米管為增強材料[5]可以制成貯氫材料等多種復合材料。目前已經可以通過20V直流電在兩個石墨電極之間產生電弧,使陽極在4000K-10000K溫度下不斷蒸發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。美國西南納米技術公司與大陸菲利普斯公司合作,實現了通過硫化床反應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域研究現狀 

  納米材料自20世紀80年代正式問世以來,基礎理論研究與實際產品開發均取得重大進展,以1997-2004年為例,世界范圍內對納米材料相關科學研究投資從8.2億增長到32億,通過對其體積效應、表面效應、介電限域等特性的開發,納米材料已經在化工制造、軍用航天器隱身、醫藥與生物等領域得到廣泛應用,納米碳酸鈣、納米氧化硅、納米氧化鋅等都已經形成比較大的市場規模[1]。中國通過集中科研力量以及各領軍企業加大投資力度,實現了納米產業飛速發展,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業集群甚至完整的產業鏈。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,民營性質中小企業科研力量弱、資金實力普遍不強,亟須國家層面支持。二是科研力量分散,重復勞動明顯,未形成集中有序的科研梯隊,缺少大型科研基地。三是產學研結合能力不足,納米材料研究到納米材料實際應用對接能力較弱,限制了納米功能材料研究特別是高純度高指標納米材料研發的資金來源。 

  參考文獻 
  [1] 趙東林,周萬城.納米雷達波吸收劑的研究和發展.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.納米技術在生物制藥領域中的應用研究[A].畜牧與飼料科學,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].材料導報,2000.

(轉自論文網)

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