奈米材料科技論文
奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍***1-100nm***或由它們作為基本單元構成的材料，這大約相當於10～100個原子緊密排列在一起的尺度。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!
篇一
奈米材料綜述
【摘要】 本文綜述了納米材料的發展、種類、結構特性、目前應用狀況和相關的應用前景，並對我國和國際目前的研究水平和投入做了對比分析。
【關鍵詞】 奈米、奈米技術、奈米材料、奈米結構
1 引言
著名科學家費曼於1959年所作的《在底部還有很大空間》的演講中，以“由下而上的方法”出發，提出從單個分子甚至原子開始進行組裝，以達到設計要求。他說道，“至少依我看來，物理學的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性。”並預言，“當我們對細微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴充我們獲得物性的範圍。”[1]
1974年，科學家唐尼古奇最早使用奈米技術一詞描述精密機械加工。1982年，科學家發明研究奈米的重要工具――掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對奈米科技發展產生了積極促進作用。1990年7月，第一屆國際奈米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標誌著奈米科學技術的正式誕生。[2]
2 奈米技術
奈米技術是在單個原子、分子層次上對物質的種類、數量和結構形態進行精確的觀測、識別和控制的技術，是在奈米尺度範圍內研究物質的特性和相互作用，並利用這些特性製造具有特定功能產品的多學科交叉的高新技術。其最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子、分子，製造出具有特定功能的產品。
3 奈米材料
3.1奈米材料的概念
奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍***1-100nm***或由它們作為基本單元構成的材料，這大約相當於10～100個原子緊密排列在一起的尺度。從尺寸大小來說，通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100奈米以下。因此，顆粒尺寸在1～100奈米的微粒稱為超微粒材料，也是一種奈米材料。
奈米材料具有一定的獨特性，當物質尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10奈米時，其粒徑雖改變為1000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產生明顯的差異。
3.2奈米材料的分類
奈米材料大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米膜、奈米塊體等四類。其中奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟，是生產其他三類產品的基礎。
***1***奈米粉末
奈米粉末又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒，是一種介於原子、分子與巨集觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於：高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與佈線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料***摔不裂的陶瓷，用於陶瓷發動機等***;人體修復材料;抗癌製劑等。
***2***奈米纖維
奈米纖維指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於：微導線、微光纖***未來量子計算機與光子計算機的重要元件***材料;新型鐳射或發光二極體材料等。靜電紡絲法是目前製備無機物奈米纖維的一種簡單易行的方法。
***3***奈米膜
奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於：氣體催化***如汽車尾氣處理***材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。
***4***奈米塊體
奈米塊體是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途為：超高強度材料;智慧金屬材料等。
4 奈米材料的應用
由於奈米材料是由相當於分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因為這樣，奈米材料具有了一些區別於相同化學元素形成的其他物質材料特殊的物理或是化學特性例如：其力學特性、電學特性、磁學特性[8]、熱學特性等，這些特性在當前飛速發展的各個科技領域內得到了應用。
5 奈米材料的前景
奈米科學是一門將基礎科學和應用科學集於一體的新興科學，主要包括奈米電子學、奈米材料學和奈米生物學等。奈米材料的應用涉及到各個領域，21世紀將是奈米技術的時代。奈米科學技術的誕生，將對人類社會產生深遠的影響，並有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環境保護等重大問題。
21世紀初的主要任務是依據奈米材料各種新穎的物理和化學特性，設計出各種新型的材料和器件。通過奈米材料科學技術對傳統產品的改性，增加其高科技含量以及發展奈米結構的新型產品，目前已出現可喜的苗頭，具備了形成21世紀經濟新增長點的基礎。奈米材料將成為材料科學領域一個大放異彩的明星展現在新材料、能源、資訊等各個領域，發揮舉足輕重的作用。隨著其製備和改性技術的不斷髮展，奈米材料在精細化工和醫藥生產等諸多領域會得到日益廣泛的應用。
6 結束語
奈米材料在21世紀高科技發展中佔有重要地位。奈米材料由於其無可挑剔的優越性，已成為世界各國研究的熱點。其應用已滲透到人類生活和生產的各個領域，促使許多傳統產業得到改進。世界發達國家的政府都在部署未來10～15年有關奈米科技研究規劃。我國對奈米材料的研究也取得了令世界矚目的、具有前沿性的科技成果。奈米技術的開發，奈米材料的應用，推動了整個人類社會的發展，也給市場帶來了巨大的商業機遇。
參考文獻
[1]孫紅慶.科技天地―計劃與市場探索[M]，2001/05
[2]肖建中.材料科學導論[M].北京：中國電力出版社，2001，43～50.
[3]吳潤，謝長生.粉狀奈米材料的表面研究進展與展望[J].材料導報.2000，14***10***：43～46.
篇二
奈米材料與應用
摘要 ：簡要介紹了納米材料的分類以及它的基本效應，講解了奈米材料的特殊效能。分析了新型能源奈米材料中光電轉換、熱點轉換、超級電容器及電池電極的奈米材料;環境淨化奈米材料中的光催化、吸附、尾氣處理等;較具體的講述了納米生物醫藥材料中奈米陶瓷材料、奈米碳材料、奈米高分子材料、奈米複合材料。
關鍵詞 ：奈米材料 效能 應用
奈米是一個長度單位，1nm=10ˉ9m。奈米材料是指在結構上具有奈米尺度調製特徵的材料，奈米尺度一般是指1～100nm。當一種材料的結構進入奈米尺度特徵範圍時，其某個或某些效能會發生明顯的變化。奈米尺度和效能的特異變化是奈米材料必須同時具備的兩個基本特徵。
按材質，奈米材料可分為奈米金屬材料、奈米非金屬材料、奈米高分子材料和奈米複合材料。其中奈米非金屬材料又可細分為奈米陶瓷材料、奈米氧化物材料和其他非金屬奈米材料。
懸浮於流體的奈米顆粒可大幅度提高流體的熱導率及傳熱效果，例如在水中新增5%的銅奈米顆粒，熱導率可以增大約1.5倍，這對提高冶金工業的熱效率有重要意義。奈米顆粒可表現出同質大塊物體不同的光學特性，例如寬頻帶、強吸收、藍移現象及新的發光現象，從而可用於發光反射材料、光通訊、光儲存、光開光、光過濾材料、光導體發光材料、光學非線性元件、吸波隱身材料和紅外線感測器等領域。
奈米顆粒在電學效能方面也出現了許多獨特性。例如奈米金屬顆粒在低溫下呈現絕緣性，奈米鈦酸鉛、鈦酸鋇等顆粒由典型得鐵電體變成了順電體。可以利用奈米顆粒製作導電漿料、絕緣漿料、電極、超導體、量子器件、靜電遮蔽材料壓敏和非線性電阻及熱電和介電材料等。奈米粒子的粒徑小，表面原子所佔比例很大，表面原子擁有剩餘的化學鍵合力，表現出很強的吸附能力和很高的表面化學反應活性。新制備的金屬粒子接觸空氣，能進行劇烈氧化反應或發光燃燒***貴金屬除外***。
奈米材料還廣泛應用於環境保護中，它具有能耗低、操作簡便、反應條件溫和、可減少二次汙染等突出特點。奈米材料在生物學效能也有廣泛應用，用奈米顆粒很容易將血樣中極少的胎兒細胞分離出來，方法簡便，成本低廉，並能準確判斷胎兒細胞是否有遺傳缺陷。人工奈米材料由於其所具有的獨特性質能滿足人類發展中的多樣化需求，近年來獲得迅速的發展。目前，越來越多的人工奈米材料已被投放市場，給人們的生活帶來巨大的變化和進步。
來自美國加州大學洛杉磯分校和中國天津大學的研究人員們合作，將導電效能良好的碳奈米管和高容量的氧化釩編織成多孔的纖維複合材料，並將該複合材料應用到超級電容器的電極上，獲得了新型的具有高能量密度和高迴圈穩定性的超級電容器。這種超級電容器是非對稱的，包含複合材料的陽極和傳統的陰極，以及有機的電解質。其中電極薄膜的厚度要比之前的報道高很多，可以達到100微米上，從而使其可以獲得更高的能量密度。由於其製備過程與傳統的鋰離子電池和電容器的生產過程近似，研究人員們認為這種新型電容器的可以比較容易地投入大規模生產。同時，他們也相信該項研究成果向同行們展示了納米複合材料在高能量、高功率電子裝置中的應用前景。
通過先進碳材料的應用，綜合了人造石墨和天然石墨做為鋰離子電池負極材料活性物質的優點，克服了它們各自存在的缺點，是滿足先進鋰離子電池效能要求的新一代碳貯鋰材料。具有下列優點：微觀結構穩定性好，適合大電流充放電;表觀性狀相容性好，適合形成穩定的SEI膜;粒子形貌、粒徑分佈適應性強，適合不同的加工工藝要求。適用於先進鋰離子電池***液態、聚合物***對下列效能的要求：更高的比能量***體積比、重量比***;更高的比功率;更長的迴圈壽命;更低的使用成本。
應用奈米TiO2泡沫鎳金屬濾網及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以及採用慣流風扇取代傳統的離心風扇結構，提高空氣淨化器的效能。光催化泡沫鎳金屬濾網的特性;鎳金屬網是用特殊的工藝方式將金屬鎳製作成具有三維網狀結構的金屬濾網。它具有：空隙加大，一般大於96%;通透性好，流體通過阻力小;其實際面積比表觀面積大很多倍的特性。鎳金屬網是將奈米級的TiO2以特殊工藝鑲嵌在泡沫狀鎳金屬網上，從而將光催化材料的殺菌、除臭、分解有機物的功能和鎳的超穩定性很好的結合在一起。它有效的解決了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面積小、流體和光催化材料接觸面積小、氣阻大以及因光催化材料在光催化作用下的強氧化性致使其附著基材易老化和光催化易脫落而使其壽命短的缺陷。活性炭改性工藝及增強效能;活性炭是一種多孔性的含碳物質，它具有高度發達的空隙構造，是一種優良的空氣中異味吸附劑。
奈米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中有機物更充分地接觸，可將有機物最大限度地吸附在它的表面具有更強的紫外光吸收能力，因而具有更強的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有機物分解。此外，在汽車尾氣催化的效能方面以及在空氣淨化中廣泛應用。
常規陶瓷由於氣孔、缺陷的影響，存在著低溫脆性的缺點，它的彈性模量遠高於人骨，力學相容性欠佳，容易發生斷裂破壞，強度和韌性都還不能滿足臨床上的高要求，使它的應用受到一定的限制。而奈米陶瓷由於晶粒很小，使材料中的內在氣孔或缺陷尺寸大大減少，材料不易造成穿晶斷裂，有利於提高材料的斷裂韌性;而晶粒的細化又同時使晶界數量大大增加，有助於晶粒間的滑移，使奈米陶瓷表現出獨特的超塑性。許多奈米陶瓷在室溫下或較低溫度下就可以發生塑性變形。奈米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。傳統的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫學材料，在臨床上已有多方面應用，主要用於製造人工骨、人工足關節、肘關節、肩關節、骨螺釘、人工齒，以及牙種植體、耳聽骨修復體等等。
由碳元素組成的碳奈米材料統稱為奈米碳材料。在奈米碳材料中主要包括奈米碳纖維、碳奈米管、類金剛石碳等;奈米碳纖維除了具有微米級碳纖維的低密度、高比模量、比強度、高導電性之外，還具有缺陷數量極少、比表面積大、結構緻密等特點，這些超常特性和良好的生物相容性，使它在醫學領域中有廣泛的應用前景，包括使人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱在強度、硬度、韌性等多方面的效能顯著提高;此外，利用奈米碳材料的高效吸附特性，還可以將它用於血液的淨化系統，清除某些特定的病毒或成份。
目前，奈米高分子材料的應用已涉及免疫分析、藥物控制釋放載體、及介入性診療等許多方面。免疫分析作為一種常規的分析方法，在蛋白質、抗原、抗體乃至整個細胞的定量分析上發揮著巨大的作用。在特定的載體上，以共價結合的方式固定對應於分析物件的免疫親和分子標識物，將含有分析物件的溶液與載體溫育，通過顯微技術檢測自由載體量，就可以精確地對分析物件進行定量分析。在免疫分析中，載體材料的選擇十分關鍵。奈米聚合物粒子，尤其是某些具有親水性表面的粒子，對非特異性蛋白的吸附量很小，因此已被廣泛地作為新型的標記物載體來使用。
近年來，組織工程成為一個嶄新的研究領域，吸引了眾多學科研究者的關注。在工程化的方法培養組織、器官的過程中，用於細胞種植、生長的支架材料是一個關鍵的因素，能否使種植的細胞保持活性和增殖能力，是支架材料應用的重要條件。據報道，將甲殼素按一定的比例加入到膠原蛋白中可以製成一種奈米結構的複合材料，與以往的膠原蛋白支架相比，其力學強度得到增強，孔徑尺寸增大，表明這種具有奈米結構的複合材料作為細胞生長的三維支架，在力學、生物學方面有很大的優越性和應用潛力。在硬組織修復與替換的研究中，奈米複合材料也開始逐步顯示出其優異的效能。用肽分子和兩親化合物的自組裝可以得到一種類似細胞外基質的纖維狀支架，這種奈米纖維可以引導羥基磷灰石的礦化，形成奈米結構的複合材料，研究發現，這種奈米複合材料內部的微觀結構與自然骨中膠原蛋白/羥基磷灰石晶粒的排列結構一致。
參考文獻：
[1] 陳飛. 淺談奈米材料的應用[J]. 中小企業管理與科技***下旬刊***. 2009***03***
[2] 張桂芳. 奈米材料應用與發展前景概述[J]. 黑龍江科技資訊. 2009***16***
作者簡介：高水靜***1980― ***，女，碩士，講師，河北聯合大學輕工學院學生工作祕書，多年從事學生管理工作.