納米材料科技論文
納米材料科技論文
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，這大約相當(dāng)于10～100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的納米材料科技論文，希望你能從中得到感悟!
納米材料科技論文篇一
納米材料綜述
【摘要】 本文綜述了納米材料的發(fā)展、種類、結(jié)構(gòu)特性、目前應(yīng)用狀況和相關(guān)的應(yīng)用前景，并對(duì)我國(guó)和國(guó)際目前的研究水平和投入做了對(duì)比分析。
【關(guān)鍵詞】 納米、納米技術(shù)、納米材料、納米結(jié)構(gòu)
1 引言
著名科學(xué)家費(fèi)曼于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(fā)，提出從單個(gè)分子甚至原子開(kāi)始進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。他說(shuō)道，“至少依我看來(lái)，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。”并預(yù)言，“當(dāng)我們對(duì)細(xì)微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴(kuò)充我們獲得物性的范圍。”[1]
1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具――掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見(jiàn)原子，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。[2]
2 納米技術(shù)
納米技術(shù)是在單個(gè)原子、分子層次上對(duì)物質(zhì)的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行精確的觀測(cè)、識(shí)別和控制的技術(shù)，是在納米尺度范圍內(nèi)研究物質(zhì)的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。其最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。
3 納米材料
3.1納米材料的概念
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，這大約相當(dāng)于10～100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。
納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。
3.2納米材料的分類
納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
(1)納米粉末
納米粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料;微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進(jìn)的電池電極材料;太陽(yáng)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，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等);人體修復(fù)材料;抗癌制劑等。
(2)納米纖維
納米纖維指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料;新型激光或發(fā)光二極管材料等。靜電紡絲法是目前制備無(wú)機(jī)物納米纖維的一種簡(jiǎn)單易行的方法。
(3)納米膜
納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化(如汽車尾氣處理)材料;過(guò)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(dǎo)材料等。
(4)納米塊體
納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強(qiáng)度材料;智能金屬材料等。
4 納米材料的應(yīng)用
由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因?yàn)檫@樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性[8]、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個(gè)科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。
5 納米材料的前景
納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。
21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。
6 結(jié)束語(yǔ)
納米材料在21世紀(jì)高科技發(fā)展中占有重要地位。納米材料由于其無(wú)可挑剔的優(yōu)越性，已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。其應(yīng)用已滲透到人類生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，促使許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)得到改進(jìn)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家的政府都在部署未來(lái)10～15年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。我國(guó)對(duì)納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。納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)，納米材料的應(yīng)用，推動(dòng)了整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展，也給市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的商業(yè)機(jī)遇。
參考文獻(xiàn)
[1]孫紅慶.科技天地―計(jì)劃與市場(chǎng)探索[M]，2001/05
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納米材料科技論文篇二
納米材料與應(yīng)用
摘要 ：簡(jiǎn)要介紹了納米材料的分類以及它的基本效應(yīng)，講解了納米材料的特殊性能。分析了新型能源納米材料中光電轉(zhuǎn)換、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換、超級(jí)電容器及電池電極的納米材料;環(huán)境凈化納米材料中的光催化、吸附、尾氣處理等;較具體的講述了納米生物醫(yī)藥材料中納米陶瓷材料、納米碳材料、納米高分子材料、納米復(fù)合材料。
關(guān)鍵詞 ：納米材料 性能 應(yīng)用
納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1nm=10ˉ9m。納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度調(diào)制特征的材料，納米尺度一般是指1～100nm。當(dāng)一種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度特征范圍時(shí)，其某個(gè)或某些性能會(huì)發(fā)生明顯的變化。納米尺度和性能的特異變化是納米材料必須同時(shí)具備的兩個(gè)基本特征。
按材質(zhì)，納米材料可分為納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復(fù)合材料。其中納米非金屬材料又可細(xì)分為納米陶瓷材料、納米氧化物材料和其他非金屬納米材料。
懸浮于流體的納米顆?？纱蠓忍岣吡黧w的熱導(dǎo)率及傳熱效果，例如在水中添加5%的銅納米顆粒，熱導(dǎo)率可以增大約1.5倍，這對(duì)提高冶金工業(yè)的熱效率有重要意義。納米顆?？杀憩F(xiàn)出同質(zhì)大塊物體不同的光學(xué)特性，例如寬頻帶、強(qiáng)吸收、藍(lán)移現(xiàn)象及新的發(fā)光現(xiàn)象，從而可用于發(fā)光反射材料、光通訊、光儲(chǔ)存、光開(kāi)光、光過(guò)濾材料、光導(dǎo)體發(fā)光材料、光學(xué)非線性元件、吸波隱身材料和紅外線傳感器等領(lǐng)域。
納米顆粒在電學(xué)性能方面也出現(xiàn)了許多獨(dú)特性。例如納米金屬顆粒在低溫下呈現(xiàn)絕緣性，納米鈦酸鉛、鈦酸鋇等顆粒由典型得鐵電體變成了順電體。可以利用納米顆粒制作導(dǎo)電漿料、絕緣漿料、電極、超導(dǎo)體、量子器件、靜電屏蔽材料壓敏和非線性電阻及熱電和介電材料等。納米粒子的粒徑小，表面原子所占比例很大，表面原子擁有剩余的化學(xué)鍵合力，表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附能力和很高的表面化學(xué)反應(yīng)活性。新制備的金屬粒子接觸空氣，能進(jìn)行劇烈氧化反應(yīng)或發(fā)光燃燒(貴金屬除外)。
納米材料還廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，它具有能耗低、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和、可減少二次污染等突出特點(diǎn)。納米材料在生物學(xué)性能也有廣泛應(yīng)用，用納米顆粒很容易將血樣中極少的胎兒細(xì)胞分離出來(lái)，方法簡(jiǎn)便，成本低廉，并能準(zhǔn)確判斷胎兒細(xì)胞是否有遺傳缺陷。人工納米材料由于其所具有的獨(dú)特性質(zhì)能滿足人類發(fā)展中的多樣化需求，近年來(lái)獲得迅速的發(fā)展。目前，越來(lái)越多的人工納米材料已被投放市場(chǎng)，給人們的生活帶來(lái)巨大的變化和進(jìn)步。
來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校和中國(guó)天津大學(xué)的研究人員們合作，將導(dǎo)電性能良好的碳納米管和高容量的氧化釩編織成多孔的纖維復(fù)合材料，并將該復(fù)合材料應(yīng)用到超級(jí)電容器的電極上，獲得了新型的具有高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器。這種超級(jí)電容器是非對(duì)稱的，包含復(fù)合材料的陽(yáng)極和傳統(tǒng)的陰極，以及有機(jī)的電解質(zhì)。其中電極薄膜的厚度要比之前的報(bào)道高很多，可以達(dá)到100微米上，從而使其可以獲得更高的能量密度。由于其制備過(guò)程與傳統(tǒng)的鋰離子電池和電容器的生產(chǎn)過(guò)程近似，研究人員們認(rèn)為這種新型電容器的可以比較容易地投入大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，他們也相信該項(xiàng)研究成果向同行們展示了納米復(fù)合材料在高能量、高功率電子設(shè)備中的應(yīng)用前景。
通過(guò)先進(jìn)碳材料的應(yīng)用，綜合了人造石墨和天然石墨做為鋰離子電池負(fù)極材料活性物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自存在的缺點(diǎn)，是滿足先進(jìn)鋰離子電池性能要求的新一代碳貯鋰材料。具有下列優(yōu)點(diǎn)：微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適合大電流充放電;表觀性狀相容性好，適合形成穩(wěn)定的SEI膜;粒子形貌、粒徑分布適應(yīng)性強(qiáng)，適合不同的加工工藝要求。適用于先進(jìn)鋰離子電池(液態(tài)、聚合物)對(duì)下列性能的要求：更高的比能量(體積比、重量比);更高的比功率;更長(zhǎng)的循環(huán)壽命;更低的使用成本。
應(yīng)用納米TiO2泡沫鎳金屬濾網(wǎng)及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以及采用慣流風(fēng)扇取代傳統(tǒng)的離心風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，提高空氣凈化器的性能。光催化泡沫鎳金屬濾網(wǎng)的特性;鎳金屬網(wǎng)是用特殊的工藝方式將金屬鎳制作成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬濾網(wǎng)。它具有：空隙加大，一般大于96%;通透性好，流體通過(guò)阻力小;其實(shí)際面積比表觀面積大很多倍的特性。鎳金屬網(wǎng)是將納米級(jí)的TiO2以特殊工藝鑲嵌在泡沫狀鎳金屬網(wǎng)上，從而將光催化材料的殺菌、除臭、分解有機(jī)物的功能和鎳的超穩(wěn)定性很好的結(jié)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(qiáng)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?；钚蕴扛男怨に嚰霸鰪?qiáng)性能;活性炭是一種多孔性的含碳物質(zhì)，它具有高度發(fā)達(dá)的空隙構(gòu)造，是一種優(yōu)良的空氣中異味吸附劑。
納米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中有機(jī)物更充分地接觸，可將有機(jī)物最大限度地吸附在它的表面具有更強(qiáng)的紫外光吸收能力，因而具有更強(qiáng)的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有機(jī)物分解。此外，在汽車尾氣催化的性能方面以及在空氣凈化中廣泛應(yīng)用。
常規(guī)陶瓷由于氣孔、缺陷的影響，存在著低溫脆性的缺點(diǎn)，它的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨，力學(xué)相容性欠佳，容易發(fā)生斷裂破壞，強(qiáng)度和韌性都還不能滿足臨床上的高要求，使它的應(yīng)用受到一定的限制。而納米陶瓷由于晶粒很小，使材料中的內(nèi)在氣孔或缺陷尺寸大大減少，材料不易造成穿晶斷裂，有利于提高材料的斷裂韌性;而晶粒的細(xì)化又同時(shí)使晶界數(shù)量大大增加，有助于晶粒間的滑移，使納米陶瓷表現(xiàn)出獨(dú)特的超塑性。許多納米陶瓷在室溫下或較低溫度下就可以發(fā)生塑性變形。納米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫(yī)學(xué)材料，在臨床上已有多方面應(yīng)用，主要用于制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒，以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等等。
由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱為納米碳材料。在納米碳材料中主要包括納米碳纖維、碳納米管、類金剛石碳等;納米碳纖維除了具有微米級(jí)碳纖維的低密度、高比模量、比強(qiáng)度、高導(dǎo)電性之外，還具有缺陷數(shù)量極少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等特點(diǎn)，這些超常特性和良好的生物相容性，使它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，包括使人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱在強(qiáng)度、硬度、韌性等多方面的性能顯著提高;此外，利用納米碳材料的高效吸附特性，還可以將它用于血液的凈化系統(tǒng)，清除某些特定的病毒或成份。
目前，納米高分子材料的應(yīng)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(guī)的分析方法，在蛋白質(zhì)、抗原、抗體乃至整個(gè)細(xì)胞的定量分析上發(fā)揮著巨大的作用。在特定的載體上，以共價(jià)結(jié)合的方式固定對(duì)應(yīng)于分析對(duì)象的免疫親和分子標(biāo)識(shí)物，將含有分析對(duì)象的溶液與載體溫育，通過(guò)顯微技術(shù)檢測(cè)自由載體量，就可以精確地對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行定量分析。在免疫分析中，載體材料的選擇十分關(guān)鍵。納米聚合物粒子，尤其是某些具有親水性表面的粒子，對(duì)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(biāo)記物載體來(lái)使用。
近年來(lái)，組織工程成為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，吸引了眾多學(xué)科研究者的關(guān)注。在工程化的方法培養(yǎng)組織、器官的過(guò)程中，用于細(xì)胞種植、生長(zhǎng)的支架材料是一個(gè)關(guān)鍵的因素，能否使種植的細(xì)胞保持活性和增殖能力，是支架材料應(yīng)用的重要條件。據(jù)報(bào)道，將甲殼素按一定的比例加入到膠原蛋白中可以制成一種納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，與以往的膠原蛋白支架相比，其力學(xué)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，孔徑尺寸增大，表明這種具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料作為細(xì)胞生長(zhǎng)的三維支架，在力學(xué)、生物學(xué)方面有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用潛力。在硬組織修復(fù)與替換的研究中，納米復(fù)合材料也開(kāi)始逐步顯示出其優(yōu)異的性能。用肽分子和兩親化合物的自組裝可以得到一種類似細(xì)胞外基質(zhì)的纖維狀支架，這種納米纖維可以引導(dǎo)羥基磷灰石的礦化，形成納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，這種納米復(fù)合材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與自然骨中膠原蛋白/羥基磷灰石晶粒的排列結(jié)構(gòu)一致。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：高水靜(1980― )，女，碩士，講師，河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院學(xué)生工作秘書，多年從事學(xué)生管理工作.
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