纳米科技与生活

李宾 周桓竹 苏学伟 王鑫

【摘 要】近年来，纳米科技发展突飞猛进，与我们的生活联系也越来越紧密。本文从纳米材料的基本概念与分类出发，论述了纳米材料的基本效应、制备方法；对其广泛的应用领域：电子信息、能源环境、军事航天、生物医学、民用日常生活等展开论述，并就其应用中存在的问题进行分析，展望了纳米科技未来的发展趋势。

【关键词】纳米材料；基本效应；制备；应用

中图分类号： TB383 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.012

【Abstract】In recent years， the development of nanotechnology has made rapid progress， and our life has become more and more connected with it. In this paper， starting from the basic concept and classification of nanometer materials， mainly discusses the basic effect of nanometer materials， preparation methods and a wide range of its applications， including electronic information， energy and environment， military， aerospace， biomedical， civilian daily life， etc.And analyze problems existing in the application， for its future development trend is prospected.

【Key words】Nanometer materials； Basic effect； Preparation methods； Applications

0 引言

納米（nm）是一个长度单位，1nm等于十亿分之一（10-9）米。纳米科技就是指在纳米尺度（一般为1～100nm，但对于很小的原子和很大的分子的物质往往会突破这个下限和上限）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内，对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术[1]。纳米材料发展迅速。早在1000多年以前，中国人就利用燃烧的蜡烛制成炭黑，将其作为墨的原料。20世纪初，人类制备出了铂纳米催化颗粒。上世纪60年代初，日本的物理学家Kubo发现了纳米金属离子与块状物质完全不同的性质。70年代末，美国人用激光驱动气相法合成了硅基陶瓷粉末。90年代，人类已可制备出大量的纳米材料。而今，纳米材料在我们的生活中应用也越来越广泛。

1 概念与分类

纳米材料（nanometer materials）又称为纳米级结构材料，广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者是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。从狭义上讲，它是原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管、纳米固体的总称。李嘉等[2]人按纳米固体中纳米微粒结构状态的不同，还可将其分为纳米晶体、纳米非晶体、纳米准晶材料。纳米材料的特征尺寸在1～100nm之间，由于其独特的尺寸效应，因而会呈现出许多大块材料不具备的特殊性质，如优异的物理化学性能、较好的力学性能、优良的加工性能、较好的生态性[3]。

2 纳米材料的基本效应

纳米材料具有表面与界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的性质上的变化。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应，一是光学性质，所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二是热学性质，纳米颗粒的熔点相较于宏观物体的会显著降低。三是磁学性质，当纯铁直径小于6nm时，其矫顽力降低为零，呈显出超顺磁性。可广泛地应用于电声器件、阻尼器件。微观粒子具有贯穿势垒的能力，称其为隧道效应，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，同时必须考虑量子尺寸效应，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。

3 纳米材料的制备

纳米材料的制备对于其微观结构和性能具有重要的影响。制备工艺研究的主要课题集中在控制纳米材料尤其是界面的化学成分及均匀性以及控制晶粒尺寸分布等[4]。目前主要的制备方法有物理法和化学法两大类。物理法包括惰性气体蒸发法、爆炸法、严重塑性变形法、激光束法、机械合金化法等；化学法包括气相燃烧合成法、溶胶-凝胶法、有机液相合成法等。其它的方法还有气相蒸发法、配位沉淀法、热解法、微波等离子体化学气相沉积法等制备方法[5]。在制备生产中应根据实际条件以及对设计对象的微观结构和宏观性能选择合适的制备方法。

4 应用

纳米材料物质尺寸的微细化使得其表面电子结构和晶体结构发生变化，从而具有传统材料所不具备的一系列优异的力、电、光、热、磁以及化学等宏观特性，在诸多领域展现出广阔的应用前景。

4.1 电子信息

在电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。这种材料电子元器件不仅能抗辐射，而且耗能很少，它提供更好的计算平台，显著地增加计算设备的能力，特别是对于未来便携式的计算设备[6]。

4.2 生物医学

纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，因此可以利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗。著名学者王中林[7]已经提出纳米发电机的方案，以此为动力源的微型机器人可安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗。

4.3 能源与环境

浙江大学富勒稀跨学科研究小组[8]参照太阳能光电转化的技术原理及科研新成果，运用复合纳米碳管材料制成光电转换薄膜。纳米技术可增加氢能作为石油替代燃料的可行性。美国能源部有关国家实验室正在研发利用碳纳米过滤材料从氨水中提取氢的新工艺，以便未来以氨水形式更容易、更方便地存储和运输液态氢[9]。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，制备孔径1nm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染等[10]。

4.4 军事与航空

纳米材料具有特殊的光学性能，可实现红外微波吸收兼顾等要求。在军事上能用于隐形飞机、隐形舰船、隐形巡航导弹等[11]。在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉，推进剂燃烧效率可得到较大提高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推进剂的燃速高5～20倍[12]。

5 问题与展望

近年来，纳米材料毒性的研究取得了很大进展，包括体内和体外实验研究纳米材料与生物大分子、细胞、器官和组织的相互作用以及其引起的毒性。纳米科技与材料方兴未艾，虽然部分产品已产业化，但整体上仍处于实验研究阶段，材料研究者任重道远，如何将实验理论研究成果实现于生产线上我们需要努力的方向。纳米材料作为一种新型的材料，已经展示了良好的应用前景，引起了人们的高度重视。随着对纳米科技研究的日趋深入，必将对科学技术以及人类的生产生活产生深远的影响。

【参考文献】

[1]徐云龙，赵崇军，钱秀珍.纳米材料学概论[M].华东理工大学出版社，2008.

[2]李嘉，尹衍升，张金升，等.纳米材料的分类及基本结构效应[J].现代技术陶瓷，2003，24（2）：26-30.

[3]邢明，罗亚明.食品纳米包装与防伪技术综合应用的探究[J].包装工程，2007，28（5）：182-184.

[4]高善民，孙树声.纳米材料的制备[J].现代化工，1999，19（10）：46-48.

[5]朱世东，徐自强，白真权，等.纳米材料国内外研究进展Ⅱ——纳米材料的应用与制备方法[J].热处理技术与装备， 2010，31（4）：1-8.

[6]王德禧.2006年納米材料应用技术进展[J].国外塑料， 2007，25（1）：38-43.

[7]王中林.纳米发电机作为可持续性电源与有源传感器的商业化应用[J].中国科学：化学，2013，43（6）：759-762.

[8]王淼，李振华.纳米材料应用技术的新进展[J].材料科学与工程学报，2000，18（1）：103-105.

[9]王德禧.2006年纳米材料应用技术进展[J].国外塑料， 2007，25（1）：38-43.

[10]刘维平，邱定蕃，卢惠民.纳米材料制备方法及应用领域[J].化工矿物与加工，2003，32（12）：1-5.

[11]秦拴狮.纳米材料在军事上的应用[C].全国纳米材料和技术应用会议.2003.

[12]宋文国.纳米材料在航空航天领域的应用[J].军民两用技术与产品，2010（6）：3-4.