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纳米纳米复合材料的应用
“纳米”这个名字出现在20世纪80年代。它特别添加了直径为1-100纳米(1纳米10-9米)的颗粒。纳米技术包括纳米材料的制备技术、纳米颗粒表面的控制、改性和修饰技术,以及把纳米材料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。事实上,世界上早就有纳米颗粒存在,只是到80年代,科学家才惊奇地发现,由几个到几千个原子组成的纳米颗粒既不同于宏观的大块物体,也不同于单个的原子和分子,而是一个颇具“个性”的奇特的群体。此后,关于纳米材料的制备方法、性能及应用研究逐渐引起了各国科学家和政府的高度重视。在世纪交替之际,有人预言,纳米技术可能成为下一世纪的主导技术,美国科学技术委员会则把“启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心”。之所以受到如此的重视,是因为纳米材料和纳米技术的应用几乎涉及现代化工业的各个领域。纳米材料是由纳米颗粒组成的。纳米颗粒中的电子被局限在一个十分微小的纳米空间里,电子运输受到限制,电子的平均自由程短,使电子的局域性和相干性增强。与宏观物体相比,纳米颗粒所包含的原子数大大减少,因此宏观固定的准连续能带消失,能级分裂,呈现量子化。这些实质性变化,使得纳米材料在光、电、热、磁等物理性质方面和宏观材料有很大的不同,并展现出十分广泛的应用前景。以计算机为例:科学家及时把纳米材料引入到计算机工业,已成功地制备出各种元件。1988年,法国科学家在研究Fe/Cr多层膜时首次发现了巨磁阻效应,即:在一定的磁场下物质(金属或合金)电阻急剧减小的现象。Fe/Cu、Fe/Al等纳米结构的多层膜有显著的巨磁阻效应。1994年IBM公司研制出的巨磁阻效应的读出磁头,使磁盘记录密度提高了17倍。1997年,以巨磁阻为原理的纳米结构器件在美国研制成功,它将应用于计算机读出磁头、磁存储、磁记忆等方面。巨磁阻材料在不同磁化状态下具有不同的电阻值,利用这一特性制成随机存储器(MRAM),在无电源的情况下可以继续保留信息。1998年,美国首次研制出由磁性纳米棒组成的“量子磁盘”。该磁盘记录密度预计可达400Gb/in2,相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦,其极限磁记录的理论值可达6000Gb/in2、。1999年,100nm的芯片又在美国诞生了。由此可见,纳米材料的引入将引起计算机革命。随着纳米技术对生物学领域的迅速渗透,医学以至人类的生活方式将出现革命性的变革,这一点在了解细胞的生命过程以及纳米技术的特征后是不难理解的。我们知道,细胞是生命的最小单位,同时又是一个活的微型机器,其中的酶分子即是活的微型机器人。蛋白构象的变化使酶分子中不同结构域的动作恰如微型机器人在搬动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的结构单元是具有某种特定功能的微型机器。例如:核糖体是遵照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的机器;膜囊泡则按照信号肽的指令负责运送蛋白质到确定的部位;高尔基器负责对蛋白质进行修饰;蛋白质完成了功能使命后被贴上标签送去水解成氨基酸备用。细胞的生命过程就是这样不断交替更新的。纳米技术是人工可以在分子的层次上进行不同的组装。因此,也就可以模拟生命过程中功能不同的活的微型机器人的特性,组装出各种纳米机器人,使其在生命过程中发挥同样的作用。科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人,专门清扫血管壁上的胆固醇等沉积物,以预防心血管病,同时也可以制作出清扫体内癌细胞等的机器人。在纳米技术的参与下,生命将不再神秘。事实上,科学家通过显微镜操作技术已将果蝇的染色体基因进行移动,结果培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀,甚至把果蝇的眼睛、翅膀挪动位置。用纳米技术去操纵基因排列将更加神奇,可以对错误的基因进行修正,从而治疗各种疾病。瑞典科学家用黄金和多层聚合物制作的微型医用机器人,可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠,它将用于在人体内移动单个细胞,成为微型手术器械。早在50年代,人们就已经开始研究金属纳米颗粒的催化性能,只不过在那时,纳米还没有成为一个系统的概念。他们发现,在一定的条件下,金属纳米颗粒催化断裂H—H、C—C和C—O键的活性很强。这主要是因为催化反应是在催化剂表面进行的,而纳米材料的表面原子所占的比例很大,同时表面原子数和总原子数之比随粒径的减小而增大(一般占总原子数的50%左右),所以它具有很高的比表面积和表面能,表面的键态和电子态和颗粒内部不同,表面原子配位不全等原因,导致活性点多,因此和传统的催化剂相比,纳米材料的催化活性和选择性都大大提高。纳米颗粒催化剂主要分为以下几类:即金属纳米粒子催化剂和带有衬底的金属纳米粒子催化剂,第三种是碳化钨、γ-Al2O3、γ-Fe2O3等纳米粒子聚合或者是分散在载体上。金属纳米粒子催化剂主要以贵金属为主。如Pt\,Pd\,Rh等,此外还包括一些非贵金属,如Ni、Fe、Co等。例如,以粒径为30nm的Ni微粒来催化环辛二烯的加氢反应时,选择性为210,而传统的Ni催化剂的选择性仅为24。又如,银纳米颗粒可以催化氧化乙烯,其活性要比传统的催化剂要高许多。带有衬底的金属纳米粒子催化剂主要是以氧化物为载体,把粒径为1至10nm的金属粒子分散到多孔的衬底上。例如将3至4nmPd微粒负载在TiO2上,在常温常压下催化1,2-二己烯加氢反应,转化率可以达到100%,而常用的工业Pd催化剂在相同的反应时间里仅可得到29.17%的己烷。又如,将Au纳米粒子固载在Fe2O3、CO3O4等上,在70℃时就表现出了较高的催化氧化活性。纳米级催化剂还正处于实验室阶段,例如:三效催化剂广泛应用于汽车尾气处理,效果并不理想,但加入纳米级的复合稀土氧化物后,对尾气的净化特别明显,尾气中的CO、NOx几乎完全转化了。同样纳米TiO2可以用来降解有机磷,催化降解毛纺染整废水,还可以降解石油,从而解决了有关的污染问题。纳米技术及其应用研究的发展,为陶瓷行业的发展增加了新的活力。纳米粉体可用于陶瓷的改性,这是因为微小的纳米颗粒不仅比表面积大,而且扩散速度快,因而进行烧结时致密化的速度就快,烧结温度也低。目前,这方面已经有不少实验室成果。西欧、美国等国家的科学家正在做中间生产的转化工作。例如,在粗晶粉体中添加Al2O3的纳米粉,可以提高氧化铝的致密度和耐热疲劳性;把Al2O3和ZrO2纳米粉混合后,可得到高韧性的陶瓷材料,并且烧结温度降低了100℃。长期以来,作为微电子工业的主要材料之一的氧化铝基板材料,我国一直依靠进口。最近,我国科技工作者制备了添加纳米氧化铝的基板材料,其光洁度、冷热疲劳、断裂韧性都大大提高,热导系数也比常规材料提高了20%。高性能纳米陶瓷的发展还在于保证纳米粉体的质量,实现微粒粒径大小和分布、形状的可控以及粉体的无团聚,这些是发展新型陶瓷的可靠基础。虽然纳米材料的发展历史很短暂,但它已经慢慢从实验室中进入到寻常百姓中,渗透到了我们衣、食、住、行的各个方面。纳米材料的运用可使得许多传统产品改头换面。传统的彩电等家用电器的外壳一般都是黑色的。这主要是由于需要利用树脂加炭黑来进行静电屏蔽,而今,日本松下公司已经研制出Fe2O3、TiO2等纳米涂料,既有屏蔽作用,又具不同色彩,从而克服了用炭黑静电屏蔽只有单一颜色的局限性,使得彩色电视机终于成为名副其实的“彩色”家电。又如,在化纤制品和纺织品中添加纳米颗粒,可以起到除味杀菌的作用;而把纳米颗粒加入到油墨中也可改善油墨的流动性。在烈日炎炎的夏天,防晒成了人们所关注的一件事情。在防晒品中加入表面覆盖力强、对身体无害的高聚物的纳米颗粒,既可增强防晒品的防紫外线的能力,同时还改善了防晒品的性能,真可谓一举两得。由于微粒的粒径极小,其比表面积大大增加,例如当粒径为5nm时,表面原子占50%,而当粒径为2nm时,表面原子增加到80%,这种键态的严重失配产生了许多活性中心,使得纳米材料具有极强的吸附能力,因而可以轻松捕获各种促使物质腐败变质的氧原子、氧自由基,以及产生其他异味的烷烃类分子。根据纳米材料的这一性质,把纳米颗粒添加到纤维制品中,可以使纤维制品具有除味杀菌的作用,具有除臭功能的医用纱布就是这个道理。无菌冰箱则是因为在冰箱的塑料中添加了纳米材料。纳米材料在其他领域的应用也十分广泛。如在军事领域中,可以将纳米材料应用于隐身技术。例如,美国F117A型飞机的隐身材料中就含有多种纳米颗粒,它们对不同波段的电磁波有很强的吸收能力。此外,纳米材料还可作为有效的助燃剂。如纳米铁粉可以用来作为固体燃料的助燃剂。有趣的是,有些纳米材料却具有阻止燃烧的功能,若把它们加入到建筑材料中去,则可以提高建筑材料的防火性能。纳米材料的应用领域极为广泛,可以说它已经渗透到了方方面面。可以预见,过去人们所设想的可以揣在口袋里的计算机,能进入人体内任何地方的机器人等等这些“天方夜谭”,都会随着纳米材料和纳米技术的研究发展而得到实现!
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