纳米材料在产品设计中的应用研究＊

胡飞HU Fei 王兴宇WANG Xingyu 王均洁WANG Junjie武汉理工大学，武汉430070（Wuhan University of Technology , 430070 Wuhan）

纳米材料在产品设计中的应用研究＊

胡飞HU Fei 王兴宇WANG Xingyu 王均洁WANG Junjie
武汉理工大学，武汉430070（Wuhan University of Technology , 430070 Wuhan）

纳米材料是21世纪的新型材料之一，当材料的尺寸处于纳米级别时则表现出宏观材料所不能具备的特殊物理及化学性能。站在设计的角度，通过分析多个成熟纳米产品的设计案例，探索用户需求和纳米材料之间的关系；通过分析纳米产品设计和已满足的用户需求，发现未满足的用户需求从而指出纳米产品的设计方向，为设计师提供更加广阔的设计思路；通过现有的纳米材料和已经满足的用户需求的分析，发现未满足的用户需求从而指出纳米材料的研发方向，目的是要促进新型纳米材料的研究与探索。

纳米材料；用户需求；关系路径；设计应用

设计是为新材料和新技术寻找广阔的应用机会。纳米材料作为新型材料已经被越来越多的应用在产品设计之中。纳米科技的迅猛发展必然会引发一场新的设计革命。本文结合用户需求、设计概念到材料的选择，探索用户需求与纳米产品以及用户需求与纳米材料之间的关系。

一、纳米材料在国内外的应用情况

纳米材料作为一种新型材料，从问世之后就受到了各国政府和科研人员的广泛关注。纳米材料所具有的特殊性能决定了其在各个领域广泛应用的前景（见图1）。

图1 国际纳米科技的研究范畴

纳米科技在国外兴起的时间比较早。2000年美国政府就公布了纳米技术启动计划书。在这份纳米技术启动计划书中，科学家们强烈表明了在新世纪之中纳米科技的重要性，并特别认为在新的世纪里纳米科技必然要引发一场巨大的工业革命。

中国对纳米科技关注的时间也比较早，并在多个领域取得了应用研究的成功。早在“九五”期间中国政府就明确肯定了纳米科技所具有的重要战略地位，并将纳米科技列为重要的发展战略；在2001年和2006年，中国相继出台了《纳米发展纲要（2001-2010）》和《中长期发展科学和技术领域规划纲要（2006-2020）》，指出纳米材料和纳米技术是中国实现跨越式发展的途径之一。中科院、国家自然科学基金会和国家科技部等多个部门在“973计划”、“863计划”、“科技支撑计划”等计划中对纳米科学技术研究都给予了充足的人员配备及资金支持。

时至今日，纳米科技已经在各个领域崭露头角，并确实对人们的生活起到了极大的推动作用。纳米科技在能源、医药、信息、生物、环境、航空航天、制造业等多个领域得到了广泛应用并且出现了与传统产业交叉融合的趋势。人们对纳米的科学研究已经派生出了多个学科分支，如纳米化学、纳米物理学、纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、纳米伦理学、纳米经济学和纳米艺术等。这些纳米科技分支的出现有利于纳米科学研究及其应用走入更专业、更广阔的路径。目前中国已经确立了纳米科技在电子信息、医药工程、精细化工、生物、微机械等领域的应用研发作为突破口，以市场需求为导向大力发展纳米产业，并通过纳米科技促进传统产业的改造和升级，加速纳米技术应用的产业化进程。

二、纳米材料的应用性产品

课题组对纳米银抗菌衣、纳米陶瓷刀具、纳米氧化锌保鲜膜、纳米冰箱、纳米绳索、纳米秤等20余款纳米产品（见图2）进行了深入的分析与研究。下面介绍一些典型的产品。

1. 纳米陶瓷刀

刀具是厨房中经常使用的工具。纳米陶瓷刀就是用纳米材料制作成的刀具，因类似于陶瓷，故有此称。制作纳米陶瓷刀的主要原料是纳米氧化锆[1]。一如图1所示，纳米氧化锆没有普通刀具含有的重金属成分，无毒、安全，对人体没有任何不良的影响。

纳米陶瓷刀具有以下优良的性能：具有防污抗菌的特性。因为纳米陶瓷的密度大而且材料细密，所以在纳米陶瓷刀具的表层不会存在坑洼等残留食物汁液而引发细菌疯长的条件。纳米陶瓷刀具比普通刀具更便利于对食物的切割；纳米陶瓷刀具的硬度仅次于世界上最硬的物质──钻石的硬度[2]。所以纳米陶瓷刀具具有很强的硬度以及高耐磨性；纳米陶瓷刀具不用磨擦也能够始终保持锋利的状态，省时省力；纳米陶瓷刀具具有安全无毒、卫生环保、抗腐蚀性、永不生锈、易清洗的特性，所以不会给食物带来污染与异味，因而保证了食物的卫生，对人体健康非常有利；纳米陶瓷的化学性能稳定，耐酸碱，安全环保，不会与食物所含有的化学成分如酶等发生任何的化学反应，而且可耐各种酸碱有机物的腐蚀，非常适合于切食生菜、水果以及熟食等；纳米陶瓷刀具的刀身经过1700℃高温烧结，所以密度高、全致密、无孔隙、无磁性，表面几乎没有毛细孔，具有不粘污、易于清洁并且抑菌的效能，所以其刀身不会存在异味或金属味的情况；纳米陶瓷刀具小巧轻便，在享受烹饪带来乐趣的同时不会因为刀具太重而给手臂带来过多的负担；对纳米陶瓷刀具可以进行花纹设计等视觉表现的处理，和传统刀具相比而更具审美性和情趣性。

图2 纳米产品

2.纳米氧化锌涂层冰箱

冰箱在日常生活中的使用频率最高，人们习惯于将各种食物一股脑地塞进这个小小的空间之中。但是随着时间的延长导致了食物的变质以及不同食物之间的串味，冰箱很容易滋生病菌（细菌）并产生难闻的气味。一般的处理方式就是定时清理、清洁冰箱，使其保持干净的状态。如图2所示，纳米氧化锌涂层的冰箱能够有效解决这一令人头疼的问题——冰箱具有有效的杀菌抑菌功能，能有效减少食物中的细菌滋长并且可以减少难闻的气味。

纳米氧化锌是一种常用的化学添加剂，无毒无味，不分解也不变质，常被添加在油漆涂料中。纳米氧化锌与传统氧化锌相比，其表面面积更大、化学活性更强，并且表现出较好的光化学效应和良好的紫外线遮蔽性能。将纳米氧化锌添加在涂料中可以增加涂料的耐磨性和抗老化性，延长了产品的使用寿命。因为锌离子具有良好的氧化还原性，所以很容易与细胞膜或蛋白质结合，导致细胞破裂，达到杀菌的目的。就是这样的原理，纳米氧化锌涂料的冰箱就能够大大减少细菌的滋生，避免冰箱臭味的出现并可以延长食品的保鲜时间。

纳米氧化锌的另外一个特性就是抗燃性。纳米氧化锌热稳定性好，添加在涂料中可以增强涂料的抗热性，为家用电器的安全增加了一份保障。

3.纳米二氧化钛汽车漆

纳米二氧化钛无毒无害并且能与汽车油漆有着极好的相容性，对可见光有着相当好的透明性。由于其高折光性和高光活性可以吸收紫外线，所以是良好的汽车油漆添加剂。

在汽车油漆中添加纳米二氧化钛具有这样的优势：因为纳米二氧化钛的直径只有10nm-50nm且表面面积极大，所以有着很好的附着性；纳米二氧化钛具有极大的强度和韧性，添加在油漆中可以增加油漆的耐摩擦性和耐冲击性；由于添加的纳米二氧化钛具有很强的稳定性因此就能够提高汽车的耐候性和抗老化性；纳米二氧化钛添加在汽车油漆中可以反射和散射光线，随着光照角度而改变颜色，能够减少对环境造成的光污染。

三、纳米材料产品的用户需求分析

满足用户的需求是产品设计的目的和产品存在的价值宗旨（见图3）。用户需求的高低决定了产品设计的技术、结构、材料、价格等的不同。产品的发展史验证了人们对产品的需求由低层次向高层次发展的规律。在产品设计中，产品最基本的特性是具备功能性而成为一个能用的产品（功能需求、可靠需求）；其次是产品为一款用起来很舒适很好用的产品，追求产品的实用性和易用性（感官需求、交互需求）；再次是人与产品交互过程中能够满足用户的心理需求或心理体验，产品非常有趣或好玩，使用户在使用的过程中得到了愉悦和满足（情感需求）；最后是产品为用户自我价值、自我观念、自我品味的直接或间接体现（自我需求）。我们通过对20款纳米产品的分析发现了这样的一些功能。

图3 产品-纳米材料-需求之间的关系

1.用户重视对产品功能需求的满足，希望纳米产品具备多功能性并且反馈效果更快速

“功能需求”的满足主要分为以下几个需求点：“洁净卫生”、“节能环保”、“美容”、“快速”、“健康”、“精小”以及“其他”中的导电、发电、保温、可塑等需求。例如纳米牙膏除了具备普通牙膏所具备的清洁牙齿的作用之外，更要有治疗口腔疾病而能达到消炎止痛的作用，另外纳米牙膏中游离的纳米羟基磷灰石具有修复牙齿的作用。人们在要求纳米二氧化锌涂层的冰箱达到普通冰箱所具有的制冷保鲜功能之外，纳米材料的冰箱还能杀菌抑菌，减少或避免储藏食物因变质或串味所形成的难闻气味。纳米护肤品较普通护肤品的效果更高效和更快速，人们要求纳米护肤品能够迅速抵达皮肤的真皮层以修复损伤的细胞，瞬间达到“抗衰老”的美容效果。纳米银衣裤具有防辐射和治疗皮肤疾病的功用，人们对其理疗和保健的需求远远大于对其审美和御寒的需求。添加有纳米二氧化钛的汽车油漆能够增加汽车表层的硬度和强度，增加油漆的耐磨性和抗冲击力，而且纳米二氧化钛可以随着太阳光线的改变而改变其可见光的角度以减少光污染，满足人们对环保的要求。纳米陶瓷刀具有比金刚石还要大的硬度，能够时刻保持人们对“锋利”的功能需求，却无须打磨；纳米氧化锆陶瓷的化学稳定性强、耐酸碱并且具有抗污的特点而更加清洁卫生。

2.用户重视纳米产品本身的可靠性，要求纳米产品安全而且耐用

纳米药物输送车、纳米牙膏、纳米护肤品、纳米衣裤、纳米防晒霜等与人体细胞或人体表皮直接接触的产品，在带给惊喜效果的同时，更要求不会产生毒性对人体造成损害或产生副作用[2]69。纳米刀具、纳米保鲜膜、纳米冰箱等与食物直接接触的纳米产品，要求对食物不会造成化学反应而导致变质或在食物的表层遗留有害的物质。

3.纳米产品满足用户的交互需求主要体现在纳米产品的便携性上[3]

纳米产品之所以具有便携性，主要是因为产品质量轻、小巧以及强烈的可塑性。纳米太阳能电池的厚度仅有2nm-6nm，非常轻薄小巧，所以方便携带。纳米电子显示屏具有良好的柔软性、抗弯折性而且质量轻，能够方便用户随身携带，开启了穿戴式电子产品的设计之门，能让电子产品与人之间的距离更加微小。

4. 纳米产品的缺陷

目前的纳米产品很少涉及对用户的感官需求、交互需求、情感需求、社会需求以及自我实现需求的满足，这既是纳米产品设计的空缺也是纳米产品未来设计发展的重要方向。

四、纳米材料在产品设计中的应用特点

1. 人们要求纳米产品带来的效果反馈更加快速

由于纳米材料所具备的特殊性能以及小分子性，所以纳米产品可以直接渗透到生物体细胞中并产生作用，也正是因为这一特点人们就要求纳米产品比一般产品更具备“快速性”特征。比如纳米药物输送装置、纳米护肤品都能快速透过表皮组织进入生物体内循环，所以要求纳米药物和纳米护肤产品能够更快地达到治疗疾病和返老还童的效果。如果反馈的时间更短，就可以更加及时地让用户感受到纳米产品的魅力。

2.纳米产品的“精小”是纳米产品的一大特点

纳米产品的精小与纳米材料的小尺寸性密不可分。精小的纳米产品可以帮助我们更好地掌握微观世界的规律，比如纳米秤。纳米秤的细度仅有头发的千万分之一，而且具有良好的韧性和弹性，将病毒粘在秤的顶端，通过记录秤杆振幅改变的情况来测量单个病毒的重量，这对医学家辨别病毒以及施行救治方案具有重要的意义；当精小的纳米产品的尺寸小于人体细胞的时候它就可以穿透人体屏障而进入体内循环，比如纳米药物输送装置。它的尺寸小于血红细胞可以跟随血液环流全身从而达到发现癌变细胞以及给特定的细胞输送药物救治生命的目的。这样的纳米药物输送装置不会对健康细胞造成伤害，因此减少了癌症患者的痛苦。纳米绳索和纳米电线具备很高的韧性和强度而且肉眼无法看见，其工业意义和社会意义更大。

3.纳米产品重视便携性

纳米产品的便携性主要体现在 “小巧”、“轻薄”和“质量轻”等特点上。比如纳米绳索、纳米电容器、纳米太阳能电池等。

4.微观纳米产品的设计非常关注纳米材料的物理结构

纳米药物输送装置利用了纳米多壁碳管的半深杯状结构，在此深杯状中能够盛放治疗癌变细胞的药物。纳米电线利用了碳纳米管中空结构，在中空的碳纳米管中加入氯化铒粉末经过高温处理形成氯原子和铒原子制造成了纳米电线。纳米隐形眼镜使用的材料即纳米HEMA甲基丙烯酸羟乙酯的表层是均匀的孔状结构，可以吸收和定量释放水分，因此具有极好的润滑作用能够减少摩擦而起到保护眼球的作用。

5.“洁净卫生”是纳米产品的特性

“洁净”包括两个方面：第一，纳米产品本身所具有的“防污防尘”的自洁特点；第二，部分纳米产品具有的“杀菌抗菌”以及“清洁”功能。纳米材料的自洁性是由两个方面的条件造成的：第一，纳米材料的分子非常小，当尺度小于灰尘颗粒的时候灰尘颗粒就很难在纳米材料的表面附着，这就是所谓的“荷花效应” ，从而达到“自洁”的功用；第二，纳米材料具有的光催化作用。在光照作用下纳米材料能够变现出很强的化学活性和附着在材料表面的有机物产生氧化还原反应，有机物变性成二氧化碳及水分，这就达到了去污自洁的效果。

6.特殊的力学性能能够弥补普通材料的力学缺陷

比如普通的陶瓷具有脆性大的力学缺陷，添加有纳米氧化锆的纳米陶瓷就具备更好的弹性和韧性。纳米汽车油漆中添加的纳米二氧化钛粉末增加了油漆的坚固性，使其更具抗冲击力和耐摩擦。纳米冰箱表层的纳米二氧化锌喷涂材料可以使其更坚硬耐用因而延长了纳米冰箱的使用时间。

五、结语

纳米科技无疑是未来科技发展的重要标志，大力发展纳米科技将是世界各国提升核心竞争力的重要途径之一。本文从设计的视角，分析现有成熟的纳米产品设计案例，探索用户需求与纳米产品以及用户需求与纳米材料之间的关系（见图4）。即发现和理解用户需求之后，如何根据用户需求而直接选择纳米材料，在用户需求和纳米材料之间建立良好的匹配关系。目前的纳米产品设计主要是对功能需求的满足，其次是可靠需求，交互需求和社会需求有涉及但却很少；然而安全需求中的感官需求、归属需求中的情感需求、尊重需求和自我实现需求目前还未涉及，需要设计师们在今后的纳米产品设计中予以充分的重视。

图4 需求与材料的互动关系

[1]大卫·E.牛顿.新材料化学[M].常娜，白薇，张承霞，常琳，袁雪梅，王薇，译.上海：上海科学技术文献出版社，2011:79.

[2]Guozhong Cao，Ying Wang.纳米结构与纳米材料合成、性能及应用[M].董星龙，译.北京：高等教育出版社，2012：18.

[3]沈海军，时东陆.纳米艺术概论[M].北京：清华大学出版社，2010:10.

Research on the Application of Nano Materials in Product Design

Nano materials have become one of the new materials in the 21st century. When the sizes of the materials reach to the nanoscale, they will reveal special physical and chemical functions that macro-materials don’t possess. Firstly, from the angle of design, this paper is mainly to explore the relationship between user requirements and nano materials through analyzing some mature nano products design cases. Secondly, through the analysis of nano products design and the well-pleasing user requirements, we fi nd unmet user needs and thus broaden the design direction of nano-technology products. Thirdly, by analyzing the existing nano materials and the well-pleasing user requirements, we fi nd unmet user needs and then point out direction of the nanometer materials research, in order to promote the exploration of new nano materials.

nano materials；user requirements；path relationship；design application

J04

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2013.05.005（0019-06）

2013-08-26

中央高校基本科研业务费专项资金资助（2012-Ⅳ-109）。

胡飞，博士，武汉理工大学艺术与设计学院教授；王兴宇、王均洁，武汉理工大学艺术与设计学院硕士生。