纳米技术的应用领域

纳米技术的应用领域摘要：纳米技术自问世以来，其特殊的性能引起了全世界科学家的浓厚研究兴趣，而由纳米技术生产的纳米材料的广泛应用也为各国所关注。根据收集到的资料，本文就纳米技术的应用领域做较为详细的阐述。关键词：纳米技术;应用领域引言纳米（nm）是长度单位，m10nm19，相当于45个原子串起来的长度。纳米结构是指尺度在100nm以下的微小结构。纳米技术是指在0.1~100nm尺度范围内研究原子、分子的结构、特性及其原理，并按人们的需要和要求，在纳米尺度上直接操纵物质表面的分子、原子乃至电子来制造特定产品或进行纳米级加工工艺的一门技术[1]。1纳米历史1959年美国物理学家理查德·费曼提出通过控制物质微小规模的排序来获得具有奇异性能的物质的设想[2]。20世纪60年代中期，人们开始真正有效地对分立的纳米粒子进行研究，70年代末,德雷克斯勒成立了NST(NanoscaleScienceandTechnology)研究组。1977年美国麻省理工学院的学者将理查德·费曼的设想定义为纳米技术(nanotechnology)，1981年德国萨尔兰大学的科学家格莱特(Gleiter)第一次提出了纳米材料的概念，1984年德国科学家格莱特制造出纳米材料。1990年7月在美国巴尔的摩召开第一届国际NST会议，这标志着这一全新的科学技术—一纳米科学技术的正式诞生。1994年l0月,第二届国际NST会议在德国举行,这标志着纳米技术已成为众多学科领域的焦点。纳米技术以其新颖性、独特的思路和研究成果,在科学技术界和军事界引起巨大的反响,受到广泛的关注。科技发达国家都竞相将纳米技术列为面向21世纪战略性基础研究的优先项目并给予很大的投资。我国于1994年l1月召开了第一届全国纳米科学与技术学术会议,l997年9月北京大学成立“北京大学纳米科学与技术中心”。此后,部分重点大学也相继成立纳米科学与技术中心,开展纳米技术的研究。国家自然科学基金委员会把纳米科技确定为优先资助项目,我国的“863计划”和“九五计划”都将其列入重点研究开发的课题[3]。2.纳米技术的应用领域近年来随着科技的发展，纳米技术已经成为世界经济中最为优先发展的主要领域之一。纳米材料由于自身产生的特殊效应，使其具有常规材料所不具备的性能。而纳米技术的发展不仅能够进一步揭示物质新的原理与现象，也使得其在各方面的潜在应用极为广泛，甚至极有可能导致一场新的工业革命。2.1材料方面2.1.1陶瓷材料陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。传统的陶瓷材料是通过高温高压使各种颗粒融合在一起制成的，通过这种工艺制成的陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而应用受到了较大的限制。纳米材料粒径小，表面积大,扩散速度快,熔点低，相变温度低，添加纳米颗粒可使陶瓷的综合性能得到很大的改善。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度、断裂韧性均有显著提高。因此在低温低压下就可作为原料制备质地紧密、性能优异的纳米陶瓷,通过这种工艺制成的陶瓷材料具有坚硬、耐磨、耐高温及耐腐蚀的性能。例如纳米2TiO陶瓷可变成韧性材料,在室温下可以弯曲,塑性变形达100%。再如,美国Argonne实验室Siegel等人用惰性气体蒸发,原位加压制备了纳米2TiO陶瓷,致密度达到95%。在同样的烧结温度下,纳米陶瓷的硬度比普通陶瓷高。而对应相同的硬度,纳米陶瓷的烧结温度比普通陶瓷低几百摄氏度[4]。2.1.2碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外部直径只有几到几十纳米;碳纳米管具有重量轻，强度高的特点。比重只有钢的1/6,强度却是钢的100倍。轻柔又非常结实的碳纳米管最适于制作防弹背心。碳纳米管的细尖极易发射电子,如果用于电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电子屏。2.1.3纳米布人们一直希望衣服能一尘不染,现在这种梦想已由中国科学家实现。2000年中科院化学所雷江教授等宣布,他们研制成功一种不粘油污、不沾水的新型纳米材料——超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材,不染油污、不用洗涤。它的诞生可使石油工人的工作服不再油渍斑斑,也使研制水陆两用服成为可能。如果将其用于建筑物表面,还具有自清洁和防雾、防霜效果,可免除人工清洗。2.1.4油气设备及管道材料高强度的碳纳米管的发现，使石油业界日益关注纳米技术在油气设备及管道上的应用，其中以纳米复合材料的应用最受重视。纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀地分散于基体材料中，形成含有纳米尺寸材料的复合体系。用纳米复合材料制造的部件具有质量轻、抗腐防腐、防火耐用、强度大等特性。其具体应用领域有：（1）取代海洋石油平台、高能效交通运输工具、钻井，特别是深水、超深水钻井工具原有的金属部件配件等。（2）用作密封材料。有的纳米复合材料具有很强的界面作用和耐高温高压性能，可应对井下爆发性减压和密封失效。（3）用于涂料或润滑剂。在机械表面形成纳米膜，可以提高其耐磨、抗腐蚀性。如在钻头上覆盖一层纳米结构的陶瓷材料可以大幅度提高其硬度、减少摩擦，从而延长使用寿命[5]。最值得一提的是纳米气凝胶隔温层在海底管道上的应用。纳米气凝胶材料可置于两层管线中间作夹层，可大大节约外层管道钢材，减轻重量，节约运费和加工费用，并且隔温效果还比常规管材高5倍。通过掺杂不同的材料，可以做出耐高温系列和耐低温系列的产品，特别适用于环境较苛刻、对重量要求高的海上作业等前沿领域[6]。2.1.5涂料涂料在当今的生活生产中具有广泛的应用。纳米材料制备的涂层特有的优异性能将使涂料在实际生产生活中得到更为广泛的应用，起到更多更大的作用。在涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防紫外线辐射、耐大气侵害和抗降解、变色等能力。在卫生用品上应用也可起到杀菌保洁作用。已有美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钛、三氧化二铬等与树脂复合,作为静电屏蔽的涂层。利用其光学特性在标牌上使用纳米材料涂层能够达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品中,如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料,可以达到减少光的透射和热传递效果,产生隔热、阻燃等效果。纳米2TiO是一种抗紫外线辐射材料,加入涂料中,可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加[4]。2.1.6树脂基复合材料树脂基复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,但硬度、耐磨性能、耐热性能较差。通过超声分散方法将纳米2SiO添加到不饱和聚酯树脂中制得的复合材料可大幅提高其耐磨性、硬度、强度、耐热和耐水性能[7]。2.1.7磁性材料[8]磁性对颗粒尺寸的依赖性在体积效应方面有最直观的体现,纳米磁性粒子的矫顽力非常高,它的应用主要有以下几方面:(l)永磁材料纳米晶粒属单磁畴区结构的粒子,它的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此可用它作永磁材料。(2)磁记录材料磁性纳米晶粒具有单磁畴结构,矫顽力很高,用它作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。(3)磁流体当磁性材料的粒径小于临界半径时,纳米晶粒就变得有顺磁性，称之为超顺磁性,这时的磁相互作用弱,利用这种超顺磁性可作磁流体。磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,它在工业废液处理方面有广阔的应用前景。（4）磁性液体通常静态密封采用橡胶、塑料或金属制成的圆环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是较难解决的问题,尽管人们采用了威尔逊密封法等,但无法在高速、高真空条件下进行动态密封。利用磁性液体可以被磁控的特性,借助环状永磁体在旋转轴密封部位产生一个环状磁场分布,从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成“O”形环,且无磨损、无泄露,可以做到长寿命的动态密封。2.1.8光学材料[9]纳米材料在光学方面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。这些使得用纳米材料制备的光学材料在日常生活和高技术领域得到广泛的应用,在现代通讯和光传输方面也占有极其重要的地位。用纳米微粒做光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗。纳米微粒在红外反射材料上的应用主要是制成薄膜和多层膜,有的纳米微粒制成的红外膜有透明导电膜、多层干涉膜。2.2微电子领域微型化是未来科技发展的趋势，基于纳米粒子的量子效应来设计并制造纳米量子器件最终可以将集成电路进一步缩小，研制出由单原子或单分子构成的各种器件，从而实现微型化。目前,已经研制成功的纳米器件有:单电子晶体管、红绿蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器,其中具有奇特性能的碳纳米管为纳米电子学的发展起到了关键的作用。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容这样的量子点几十亿个。利用量子点制成体积小、能耗少的单电子器件在微电子和光电子领域将获得广泛应用[10]。日本的Hitachi公司通过控制单个电子运动状态成功地研制出具有多功能的器件。另外,日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构的技术,并在GaAs衬底上成功地制作了具有开关功能的量子点阵列。美国也已研制成功尺寸只有4nm、由激光驱动的具有开关特性的纳米器件,并且开、关速度很快[11]。日本丰田公司组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车,工程师们制成了直径只有1～2mm的静电发动机。德国美因兹微技术研究所制成了一架只有黄峰那么大的直升飞机,质量不到0.5g,能升空130mm。美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达,该分子马达由78个原子构成。《自然》杂志报道了由荷兰和日本科学家研究的由太阳能驱动的一种分子马达,其在光照作用下,能够连续不断地旋转。分子马达不但能够为未来的分子机械提供动力,而且还可以帮助我们更深入地了解一些具有相似结构的生命有机体,例如肌肉纤维及推动细菌运动的纺织锥形鞭毛[12]。2.3医学领域2.3.1医学诊断（1）利用纳米材料制成的极为灵敏的生物化学传感器可以对癌症、心血管疾病等进行早期诊断。如今用纳米技术制成的传感器已经能够在实验室环境下实现对前列腺癌、直肠癌等进行早期诊断。具体做法是,将癌症患者的血液滴在用纳米材料做成的传感器上,当传感器中预置的某种癌细胞抗体遇到相应的抗原时,传感器中的电信号会发生变化,通过电信号的这种变化可以检测血液中癌细胞的种类和浓度[13]。（2）利用纳米颗粒追踪病毒在生物体内的活动也是目前研究的一个热门,这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用。科学家把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上,然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、器官内,用光线从人体外部向内进行照射,体内的纳米颗粒也会发光,这样就可以达到追踪病毒的目的。2.3.2医学治疗（1）止血材料日常生活中会不可避免的偶然性失血，对于失血患者首要的事情就是如何才能迅速使血液凝集，以便能快速止血，降低患者的生命危险。一般的方法是采用绷带止血，对于那些失血较多的患者来说如何进行快速有效的止血无疑是最重要的。Roy等对二氧化钛纳米管对于血凝的效果影响进行测试表明经二氧化钛纳米管修饰后的绷带能很明显的促进血液凝集速率，并且能提高最终形成的凝块强度。（2）血管支架材料目前心血管疾病中的动脉粥样硬化已经成为威胁人类生存的头号杀手，对于这些疾病来说，临床可以采用血管移植的方法，但由于其来源有限而限制了它的推广。组织工程化的血管将是一个很有前景的治疗方案。对于组织工程化产品，如何制备出合适的支架材料直接关系到产品的成功与否。生物材料要能很好的和周围组织相互匹配不仅要求材料有很好的力学性能，而且还要求其形态都要和周围组织相互吻合。细胞对材料的反应可以通过改变材料表面的粗糙度，以使细胞把其识别为体内的细胞。为了实现这一目的，研究人员在聚乳酸-乙醇酸共聚物表面通过腐蚀的方法形成了从微米到纳米级别不同级别的粗糙度，并对其和血管内皮细胞或平滑肌细胞共培养，结果表明这些细胞的密度相比于微米级的表面而言，其表面能显著提高细胞密度