第六章纳米材料的应用.

1第六章纳米材料的应用2纳米科学技术宇航、交通催化环境、能源医疗和药物新材料电子器件计算机军事生物纳米科技向不同领域的渗透34一、纳米材料在催化领域中的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。利用纳米微粒的高比表面积与高活性，可以显著地增进催化效率，大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。5例如：纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。1．金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高聚物的氢化反应上。6半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的2．半导体纳米粒子的光催化羟基电子夺过来变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变成酯、醇、醛、酸、水和CO2，完成了对有机物的降解。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐钛矿)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe等。71.当半导体粒子粒径小于某一临界值，量子尺寸效应变得非常显著，导带和价带变成分立的能级，能隙变宽，生成光生电子和空穴能量的更高，具有更强的氧化、还原能力。2.粒径减小，光生电子和空穴的复合减少，有效提高光产率。例如在TiO2胶体粒子中，电子的俘获在30ps内完成，空穴相对较慢，在250ps内完成。粒子半径减小，光生电子从晶体内扩散到表面时间缩短，电子与空穴分离效果越好，从而提高光催化效率。3.半导体催化剂粒径减小，表面积增大吸附能力增强，可促进光催化反应的进行。半导体纳米粒子具有优异的光催化活性的主要原因有：8主要用途：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利用太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁、杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。纳米TiO2光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取H2。9金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料（如炸药）增加爆炸效率；还可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，因此这类材料可以在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。3．纳米金属、半导体粒子的热催化10二、纳米材料在光学方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究有的还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。各种纳米微粒在光学方面的应用。111．红外反射材料高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69％转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题。纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电能。122．优异的光吸收材料纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，同时纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象，纳米微粒紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外的吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸、树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：30～40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器。133.隐身材料由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。14美国F117代号“夜鹰”(Nighthawk)，是世界隐形战斗机的先驱者。F-117机体呈平底三角截面状态，像一个大蝙蝠；机身和机翼融合在一起，根本分不出哪是机身，哪是机翼；没有水平或垂直尾翼，而是采用一个标志性的V形尾翼。15主要任务是利用其优异的隐身性能，从高空或低空突破敌方的防空系统，对战略目标实施核打击或常规轰炸。飞机结构大量采用先进的复合材料以及蜂窝状雷达吸波结构（RAS）、锯齿状雷达散射结构，机体表面还涂有雷达吸波材料（RAM），S形进气道和V形尾喷管位于机体的上部，使其雷达和红外可探测性降到最低。B-2隐形轰炸机16美国SR-71“黑鸟”间谍飞机(BlackBird)神秘的飞行冷凝尾迹，呈数个圆环形17曙光女神高超音速侦察机，又名“极光”，是美国续SR-71黑鸟战略侦察机之后新一代战略侦察机18SU-30SU-30MK19隐形人20三、纳米材料在生物和医学上的应用高效缓释药物细胞内传感器生物芯片纳米生物探测技术医用微型机器人一种用纳米电子元件组装的微型机器人新型纳米药品目前抗生素的最佳替代品，可广泛应用于环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生等生物医学用磁性微球技术21纳米机器人我国成功研制纳米机器人，技术达到世界先进水平。对细胞、染色体进行“手术”、像摆弄棋子一样移动原子、在1/20发丝横截面大小的面积上写字……这些精细得只能想像的“活儿”，如今人类可以亲手做了。中科院沈阳自动化研究所最近研制成功一台纳米操作机器人样机，使我国纳米微操作技术达到世界先进水平。采用纳米大分子“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，利用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。22这些分子机器人以光感应器作开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探体内物体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中的学栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体恢复正常功能。将由纳米硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗铂金森氏症或其他神经性疾病。23图中描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。24DNA芯片DNA芯片技术是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新科技。DNA芯片，又称基因芯片(genechip)，实质上是一种高密度的寡聚核苷酸（DNA探针）阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术，或者利用其他方法将大量特定系列的DNA片段（探针）有序地固定在玻璃或硅衬底上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。目前，DNA芯片不作为分子的电子器件来用，也不用于DNA计算机，主要是对生命信息进行储存和处理。但正是基于它对生命信息并行处理的原理，利用DNA芯片可快速、高效、同时地获取空前规模的生命信息。这一特性很有可能使DNA芯片技术成为今后生命科学研究和医学诊断中革命性的新方法。25早期的DNA芯片主要作基因鉴定识别或对基因点突变进行研究；随着DNA芯片技术的发展，芯片密度不断地提高，其应用领域得到了很大的扩展，主要的应用表现在三个方面:(1)生物医学、分子生物学基础研究:利用DNA芯片技术，可以寻找基因与疾病（癌、传染病、常见病和遗传病）的相关性，进而发展相应的药物的治疗。(2)人类基因组研究:开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研究时，应用定制的DNA芯片可同时监测千百个基因，甚至全部基因。(3)将来的医学临床诊断:一旦弄清了疾病与基因的相关性，DNA芯片即可提供高效而简便的诊断手段,或进行早期预防，或选择最佳治疗方案。DNA芯片的应用26四、纳米技术在生物工程上的应用众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计分子计算机。27虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了发光门并利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。28如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。英国《自然》杂志上报告说，用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，做为“燃料”控制这种镊子反复开合。29五、纳米材料在环境保护方面的作用1．纳米技术在治理有害气体方面的应用①纳米材料可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高，经它催化的石油中硫的含量小于0.01％。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。②纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。302．纳米技术在污水处理方面的应用污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等，污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质，它从污水中流失，也是资源的浪费。一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10～20倍。31基本原理常用技术物理法通过物理或机械作用去除废水中不溶解的悬浮固体及油品过滤、沉淀、离心分离