纳米材料科学论文
纳米材料科技论文纳米材料概述
概述了纳米材料的发展、种类、结构特点、应用现状及相关应用前景，并对国内外目前的研究水平和投入进行了对比分析。
纳米，纳米技术，纳米材料，纳米结构
1简介
著名科学家费曼在1959做的《底部还有很大空间》演讲中，用？自下而上的方法？为了满足设计要求，建议由单个分子甚至原子组装而成。他说，？至少在我看来，物理定律不排除一个原子一个原子地制造东西的可能性。？并预测，？当我们控制精细尺寸的物体时，我们将大大扩展获得物理性质的范围。？[1]
1974年，科学家唐尼·古驰首次使用纳米技术一词来描述精密加工。1982年，科学家发明了研究纳米材料的重要工具——扫描隧道显微镜，使人类第一次能够在大气中和室温下看到原子，为我们揭示了一个原子和分子的可视世界，对纳米技术的发展起到了积极的推动作用。1990年7月，首届国际纳米技术大会在美国巴尔的摩召开，标志着纳米技术的正式诞生。[2]
2纳米技术
纳米技术是在单个原子和分子水平上精确观察、识别和控制物质的种类、数量和结构形式的技术。它是一门多学科的高科技，在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能的产品。它的终极目标是人类可以按照自己的意志直接操纵单个原子和分子，生产出具有特定功能的产品。
3纳米材料
3.1纳米材料的概念
纳米材料是指在纳米尺度范围(1-100nm)内至少有一个维度的材料或以它们为基本单元组成的三维空间，大约相当于10 ~ 100个原子紧密排列在一起的尺度。从粒径来看，通常引起物理化学性质显著变化的细颗粒粒径在0.1微米以下，即100纳米以下。所以粒径在1 ~ 100 nm的颗粒称为超细材料，也是纳米材料。
纳米材料具有一定的独特性。当物质的尺寸小到一定程度时，就需要用量子力学代替传统力学来描述其行为。当粉末的粒径从10微米减小到10纳米时，虽然其粒径变为1000倍，但换算成体积时会有10倍那么大，所以两者的行为会有明显的区别。
3.2纳米材料的分类
纳米材料大致可以分为四大类:纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜和纳米块体。其中纳米粉体发展时间最长，技术最成熟，是生产其他三类产品的基础。
(1)纳米粉体
纳米粉末又称超细粉或超细粉末，一般指粒径在100 nm以下的粉末或颗粒，是介于原子、分子和宏观物体之间的中间状态的固体颗粒材料。可用于:高密度磁记录材料；吸收隐身材料；磁流体材料；辐射防护材料；精密光学器件用单晶硅和抛光材料:微芯片导热基板和布线材料；微电子封装材料；光电材料；先进的电池电极材料:太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料(不易破碎的陶瓷，用于陶瓷发动机等。);人体修复材料；抗癌制剂等。
(2)纳米纤维
纳米纤维是指直径为纳米级、长度较大的线状材料。可用于:微丝、微纤维(未来量子计算机和光子计算机的重要部件)材料；新型激光或LED材料等。静电纺丝是目前制备无机纳米纤维的一种简单方法。
(3)纳米薄膜
纳米膜分为颗粒膜和致密膜。粒子膜是纳米粒子粘在一起的薄膜，中间有非常细的缝隙。致密膜是指膜层致密但晶粒尺寸为纳米的薄膜。可用于:气体催化(如汽车尾气处理)材料；过滤材料；高密度磁记录材料；感光材料；平板显示材料；超导材料等。
(4)纳米块
纳米块体是通过纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而获得的纳米颗粒材料。主要用途有:超高强度材料；智能金属材料等。
4纳米材料的应用
纳米材料是由分子大小甚至原子大小的微小单元组成的，正因为如此，纳米材料具有一些不同于由相同化学元素组成的其他物质材料的特殊物理或化学性质，如其力学性能、电学性能、磁学性能[8]和热学性能等，目前已应用于各个科学技术领域，发展迅速。
5纳米材料展望
纳米科学是一门融合基础科学和应用科学的新科学，包括纳米电子学、纳米材料和纳米生物学。纳米材料的应用涉及各个领域，21世纪将是纳米技术的时代。纳米科技的诞生将对人类社会产生深远的影响，有可能从根本上解决人类面临的诸多问题，尤其是能源、人类健康、环境保护等重大问题。
20世纪初，265438+的主要任务是根据纳米材料新颖的物理化学特性设计各种新材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改造，增加其高科技含量，开发具有纳米结构的新产品，目前已有可喜迹象，具备在21世纪形成新的经济增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域的一颗闪亮之星，在新材料、能源、信息等领域发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料将在精细化工和医药生产等诸多领域得到广泛应用。
6结束语
纳米材料在21世纪的高科技发展中起着重要的作用。纳米材料以其无可挑剔的优势成为全世界研究的热点。它的应用已经渗透到人类生活和生产的各个领域，促进了许多传统行业的改进。世界发达国家政府正在规划未来10 ~ 15年的纳米技术研究计划。中国在纳米材料方面的研究也取得了举世瞩目的前沿科技成果。纳米技术的发展和纳米材料的应用推动了整个人类社会的发展，给市场带来了巨大的商机。
参考
【1】孙宏清。科技世界-规划与市场探索[M]，2001/05
肖建中。材料科学导论[M]。北京:中国电力出版社，2001，43 ~ 50。
吴润，谢昌盛。粉体纳米材料表面研究的进展与展望[J].材料指南. 2000，14 (10): 43 ~ 46。
纳米材料及其应用
简要介绍了纳米材料的分类及其基本作用，说明了纳米材料的特殊性能。分析了新能源纳米材料中的光电转换、热点转换、超级电容器和电池电极纳米材料。环境净化纳米材料中的光催化、吸附和尾气处理:本文对纳米生物医用材料中的纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米聚合物材料和纳米复合材料进行了详细阐述。
关键词:纳米材料性能应用
纳米是长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米级调制特性的材料，纳米级一般指1 ~ 100 nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，它的一种或某些性质会发生明显的变化。纳米尺度和特性的特定变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特性。
纳米材料按材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。纳米非金属材料可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。
悬浮在流体中的纳米粒子可以大大提高流体的导热系数和传热效果。例如，在水中加入5%的纳米铜颗粒，可使导热系数提高约65438±0.5倍，对提高冶金工业的热效率具有重要意义。纳米粒子可以表现出与同质块体物体不同的光学特性，如宽带、强吸收、蓝移现象和新型发光现象等，因此可以应用于发光反射材料、光通信、光存储、光开口、滤光材料、光电导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外传感器等领域。
纳米粒子在电学性质上也表现出许多独特性。比如纳米金属颗粒低温绝缘，纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒从典型的铁电体变成顺电体。纳米粒子可用于制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压阻和非线性电阻器、热电和介电材料等。纳米颗粒粒径小，表面原子比例大。表面原子具有残余化学键力，表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。新制备的金属颗粒在接触空气时会发生剧烈的氧化反应或发光燃烧(贵金属除外)。
纳米材料也广泛应用于环保领域，具有能耗低、操作简单、反应条件温和、减少二次污染等突出特点。纳米材料还广泛应用于生物特性。用纳米粒子很容易从血样中分离出极少量的胎儿细胞。该方法简单、成本低，能准确判断胎儿细胞是否存在遗传缺陷。人工纳米材料因其独特的性能能够满足人类发展的多样化需求，近年来获得了快速发展。目前，越来越多的人造纳米材料投放市场，给人们的生活带来了巨大的变化和进步。
来自加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员合作，将具有良好导电性的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔纤维复合材料，并将该复合材料应用于超级电容器的电极，以获得高能量密度和高循环稳定性的新型超级电容器。这种超级电容器是非对称的，包括复合阳极和传统阴极，以及有机电解质。电极膜的厚度比之前报道的要高很多，可以达到100微米，从而可以获得更高的能量密度。由于其制备工艺类似于传统的锂离子电池和电容器，研究人员认为这种新型电容器可以轻松投入量产。同时，他们也认为研究成果向他们的同事展示了纳米复合材料在高能大功率电子器件中的应用前景。
通过先进碳材料的应用，综合了人造石墨和天然石墨作为锂离子电池负极材料的优点，克服了各自的缺点。是满足先进锂离子电池性能要求的新一代碳储锂材料。它具有以下优点:微结构稳定性好，适合大电流充放电；表观性状相容性好，适合形成稳定的SEI膜；颗粒形貌和粒度分布适应性强，适合不同的加工要求。适合先进锂离子电池(液态和聚合物)对以下性能的要求:较高的比能量(体积比、重量比)；更高的比功率；更长的循环寿命；使用成本更低。
采用纳米TiO2泡沫镍金属滤网、甲醛、氨气、TVOC吸附改性活性炭等新材料，并采用惯性风扇代替传统的离心风扇结构，提高了空气净化器的性能。光催化泡沫镍金属滤网的特点:镍金属网是由金属镍经过特殊工艺制成的具有三维网状结构的金属滤网。它有以下优点:差距扩大，一般大于96%；渗透性好，流体阻力低；它的实际面积比它的表观面积大很多倍。镍金属网是通过特殊工艺将纳米TiO2镶嵌在泡沫镍金属网上，从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能与镍的超稳定性结合起来。有效解决了其他光催化材料有效受光面积小、流体与光催化材料接触面积小、气阻大、光催化材料在光催化作用下强氧化导致使用寿命短的缺点。活性炭的改性工艺及其性能的提高:活性炭是一种多孔碳质物质，具有高度发达的孔隙结构，是空气中气味的优良吸附剂。
纳米TiO2 _ 2具有巨大的比表面积，能与废水中的有机物充分接触，能最大限度地将有机物吸附在其表面，因此具有更强的紫外光吸收能力，因此具有更强的光催化降解能力，能快速分解其表面的有机物。此外，它还广泛应用于汽车尾气催化和空气净化。
由于孔隙和缺陷的影响，常规陶瓷在低温下易碎。其弹性模量远高于人骨，机械相容性差，易发生骨折，强度和韧性达不到临床较高的要求，在一定程度上限制了其应用。但由于纳米陶瓷的晶粒尺寸较小，材料内部孔隙或缺陷的尺寸大大减小，材料不易发生穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；但晶粒细化大大增加了晶界数量，有助于晶粒间的滑移，使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷可以在室温或更低的温度下发生塑性变形。纳米陶瓷的超塑性是其最显著的成就。传统氧化物陶瓷是一种重要的生物医用材料，已广泛应用于临床，主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工牙、牙种植体、耳听骨修复体等。
由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。纳米碳材料主要包括纳米碳纤维、碳纳米管和类金刚石碳。纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度和高导电性外，还具有缺陷少、比表面积大、结构致密的特点。这些非凡的特性和良好的生物相容性使其在医学领域具有广泛的应用前景，包括显著提高人工器官、人工骨、人工牙和人工肌腱的强度、硬度和韧性。此外，利用纳米碳材料的高效吸附特性，还可以将其用于血液净化系统，去除某些病毒或成分。
目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控释载体、介入诊断和治疗等多个方面。免疫分析作为一种常规分析方法，在蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析中发挥着重要作用。在特定的载体上，通过价键结合固定对应于分析物的免疫亲和分子标记，将含有分析物的溶液与载体一起孵育，通过显微镜检测游离载体的量，从而可以准确地定量分析分析物。在免疫分析中，载体材料的选择非常重要。纳米聚合物颗粒，特别是一些表面亲水的颗粒，对非特异性蛋白质的吸附能力很小，因此被广泛用作新的标记载体。
近年来，组织工程已成为一个全新的研究领域，吸引了众多研究者的关注。在组织和器官的工程化培养过程中，用于细胞种植和生长的支架材料是一个关键因素，种植的细胞能否保持其活性和增殖能力是支架材料应用的重要条件。据报道，在胶原蛋白中加入一定比例的甲壳素可以制成纳米结构的复合材料。与以前的胶原支架相比，其机械强度增强，孔径增大，表明这种纳米结构复合材料作为细胞生长的三维支架在力学和生物学方面具有很大的优势和应用潜力。在硬组织修复和替代的研究中，纳米复合材料逐渐显示出其优异的性能。通过肽分子和两亲性化合物的自组装，可以获得类似细胞外基质的纤维状支架。这种纳米纤维可以引导羟基磷灰石的矿化，形成纳米结构的复合材料。发现该纳米复合材料内部的微观结构与天然骨中胶原/羟基磷灰石颗粒的排列结构一致。
参考资料:
宸妃。论纳米材料的应用[J].中小企业管理与技术(下期). 2009 (03)
[2]张桂芳。纳米材料的应用概况及发展前景[J].黑龙江科技信息. 2009 (16)