纳米材料的特性及应用.doc

纳米材料的特性及其应用
钟京京
摘要：纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料被广泛的也能用于各个领域之中，例如建筑界、医学界、化学界、食品界、工业。
关键词：纳米材料特性应用建筑界医学界化学界食品界工业
人类从未停止过对于这个世界的探寻，尤其是对于物质的构成，大到物体，小到分子、原子。人类对于构成物质世界的最小微粒的探索、研究，帮助我们更深刻的认识这个我们赖以生存的家园，帮助我们更好的推进我们人类的发展，帮助我们更和谐的与地球上的其他物种和平共处。伴随着人类的进一步研究，我们发现物质答到了纳米尺度后，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米特性认识及对于纳米材料的应用对于我们的工作生活将会是以一次历史性的、革命性的巨变。
纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。欧盟委员会则将纳米材料定义为一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上[1]。（1）表面与界面效应[2]
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如，粒子表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬，我们现在使用的玻璃刀，关键部位用的就是纳米材料制成。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。
（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
随着时间的脚步不断地迈进，人类对于纳米材料已经不仅仅是停留在研究阶段，近几年研究者已经开始根据纳米材料的不同特性将其运用于各个领域。纳米材料在建筑界的应用
考虑到施工方便，成本低，携带方便，承受力面交均匀，粘接面光滑以及良好的工艺性能得到广泛应用，等一系列的优点粘结技术部分取代了焊接、铆接、螺栓连接等传统技术。在多如牛毛的粘合剂中，唯有环氧树脂胶粘剂以其粘接能力强、适应性广等原因而倍受青睐。[3]其基材环氧树脂具有填料组合性能好、固化过程容易调节、成本低而粘接强度高等优点。近年来，环氧树脂胶粘剂正向低黏度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展。相信不久的将来，所有的工业粘合剂基本上将被环氧树脂胶粘剂所取代。
纳米材料在化学界的应用
众所周知，涂料是含有毒化学分子最多的家居粉饰品之一。如何除去涂料中的有毒化学物质这一问题一直困扰着很多人。现在纳米材料的出现有效地帮我们解决了这个问题。[4]利用纳米二氧化钛光催化和成膜物质复配成的光催化涂料，可以有效降解空气中的有害质以及涂层表面的污染物，起到自清洁和净化空气的作用。不仅如此，纳米材料的加入还赋予涂料各种各样的功能性和特殊性能。像纳米车用面漆具有高装饰性外,还有优良的耐久性,包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能；美、日等国研究人员用纳米级二氧化钛、二氧化锡、三氧化铬等与树脂复合作为静电屏蔽涂层，不仅可以用于飞航导弹等，还将其运用于潜艇、隐身装甲车、隐身坦克等一系列隐身装备中。将纳米材料运用于汽车装饰还具有杀菌、消毒、除臭的功能。
纳米材料在医学界的应用
2011年10月29日在海口举行的多所高校联合举办的新型材料论坛上，中科院院士江龙就纳米