材料科技与人类实践

课程：材料科技与人类实践题目：纳米材料与人类生活姓名：俞卓成学号：146330422专业：建筑学成绩：纳米材料与人类生活摘要：“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化，给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点，通过介绍纳米材料在医学、环境保护等方面所起到的作用向大家普及纳米材料的特性，以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。关键词：纳米纳米材料纳米技术环境保护医学应用现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机，他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，并将成为最有前途的材料，它所见具有的独特物理和化学性质，可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。纳米材料是英文“napometer”的译音，是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一，用我们能看见的最小微粒院子来表示的话，相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度，遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右，一个典型的病毒大约100纳米长，相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米，并没有物理内涵，当物质到纳米尺度后，物质性能就会发生突变，出现特殊性能，这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成材料，极为纳米材料。纳米材料的特性1.小尺寸效应⑴特殊的光学性质当黄金（Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色,而且尺越小，颜色愈黑.⑵特殊的电学性质介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。⑶特殊的磁性小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。⑷特殊的热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。⑸特殊的力学性质由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。2．表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒径小，表面急剧变大所致。当直径小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。纳米材料的形态1.纳米颗粒型材料应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料被称为第4代催化剂的超微颗粒催化剂,利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率,例如,以粒径小于0.3μm的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。2.纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面,如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级,又将恢复通常陶瓷的特性,因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工,随后进行热处理,使其转变为通常陶瓷,或进行表面热处理,使材料内部保持韧性,但表面却显示出高硬度高耐磨性与抗腐蚀性。电子陶瓷发展的趋势是超薄型(厚度仅为几μm),为了保证均质性,组成的粒子直径应为厚度的1%左右,因此需用超微颗粒为原材料。3.纳米颗粒膜材料颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材,在基片上生成复合膜,当两组分的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜,因此改变原始靶材中两种组分的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态,从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜,改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体颗粒膜材料有诸多应用例如作为光的传感器,金颗粒膜从可见光到红外光的范围内,光的吸收效率与波长的依赖性甚小,从而可作为红外线传感元件。铬——氧化二铬颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,可以有效地将太阳光转变为热能。超微颗粒虽有众多优点,但在工业上尚未形成较大的规模,其主要原因是价格较高,两颗粒膜的应用则不受价格因素的影响,这是超微颗粒实用化的很重要的方向。4.纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动,因此具有其他液体所没有的磁控特性。常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成,它的饱和磁化强度大致上低于0.4T。目前研制成功的由金属磁性微粒制成的磁性液体,其饱和磁化强度可比前者高四倍。国外磁性液体已商品化,美、日、英等国均有磁性液体公司,供应各种用途的磁性液体及其器件。纳米材料在生物医学中的应用纳米材料自从在微电子和半导体工业中得到了成功应用之后，现在正逐渐被应用于生物医学方面，并取得了良好的效果。1.生物芯片生物芯片是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性以及它们之间的相互作用，从而获得生命微观活动的规律。2.纳米生物探针纳米探针一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。一些高选择性和高灵敏度的纳米传感器可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和感兴趣的其他生物化学物质。还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定那种药物能够最有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。3.核磁共振成像技术该技术是现在医学中使用较多的一种技术，其使用的纳米微粒主要是纳米级的超顺磁性氧化铁粒子。根据产品的颗粒大小可以分为两种类型，一类是普通的超顺磁性氧化铁纳米粒子，一般直径在40—400nm；另一类是超微型超顺磁性氧化铁纳米粒子，其最大直径不超过30nm。4.细胞分离和染色技术血液中红细胞的大小为6000—9000nm，一般细菌的长度为2000—3000nm，引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米，因此纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞和红细胞小的多，这就为生物学研究提供了一条新的途径，即利用纳米颗粒进行细胞分离和细胞染色等。5.作为药物或基因载体传统的给药方式主要是口服和注射。但是，新型药物的开发，特别是蛋白质、核酸等生物药物，要求有新的载体和药物输送技术，以尽可能降低药物的副作用，并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响药物输送系统的有效性。纳米结构的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，具有提高药物的生物可利用度、改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构的药物输送系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中，而且可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织。如通过制备大于正常健康组织的细胞间隙、小于肿瘤组织内孔隙的载药纳米粒子，就可以把治疗药物选择性地输送到肿瘤组织中去。纳米材料在环境保护领域的应用1.用纳米技术处理废水净化空气纳米级的净化物质具有一定的吸附能力,可以将污水中的一些悬浮物,粒子等污染物除去,用纳米膜可以制成很高效的过滤装置,可以去除污水中直径比纳米大的细菌、病毒等而水分子及一些矿物质元素被保留下来。此外,应用光催化技术,纳米TiO2可以对污水中的一些有机物进行降解,并且无二次污染。中国科学院利用太阳光和纳米TiO2对十二烷基苯磺酸钠水溶液进行了降解,效果十分明显。纳米TiO2能对水中的重金属离子通过光生电子产生很强的还原能力,C6+具有很强的致癌性,地表水中C6+最高允许含量为0.1mg/l。通过TiO2的光催化还原可使85%的C6+被还原,这在实际应用中处理含废水有着重要意义。另外,纳米TiO2对于水中的卤化脂肪烃、染料、硝基芳烃、卤化苯胺、多环芳烃、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应,达到脱色矿化最终分解为CO2和H2O,从而消除有机物对环境的污染的目的。2.用纳米技术对环境污染进行监测NOx可导致酸雨和温室效应,那么它们在大气中的含量必须被适时监测,利用纳米技术研制的碳纳米管可以用于监测NOx,并且造价低廉,体积小。3.用纳米技术进行静电紫外线屏蔽将纳米TiO2加入导电粉末可以使之具有装饰作用和高反射作用，在电子工业、航天工业中被广泛应用在电子元器件表面卫星的非金属表面以及静电复印地毯等。利用纳米TiO2的强散射及对紫外线的吸收能力,可以广泛应用于化妆品。中英国Ioxide公司将超微细的粉末制成浆状产品以供化妆品厂家使用,美国也开发出了六种商品化的无机防晒剂。4.应用纳米技术创造多样、高效的界面材料由于纳米尺度上的物质具有许多不同寻常的特性,从而可以研制出一系列具有奇异功能的纳米界面材料,中国科学院化学所江雷博士的小组发现,两种性质相反的材料做到纳米尺度时,在特定条件下具有协同的相互作用,在宏观上表现出奇异的性能。二元协同纳米界面材料就是指在材料加工上,对材料表面进行某种特殊加工,从而在材料的宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构,使材料具有特殊性能。利用这一研究成果,科学家研制出一种同时具有超亲水性和超亲油性的界面物质材料,用这种材料修饰过的玻璃表面及建筑材料表面具有自清洁、防雾等功能。科研人员还开发出一种同时具有超疏水性和超疏油性的界面物质材料,经过修饰的建筑材料表面,具有自清洁和防雾、防冰霜的效果;纺织品经技术处理,具有防水和防油的功能,石油工人的衣服不再油迹斑斑。进入二十一世纪，纳米材料成为人们所关注的中心，随着对纳米材料的不断开发，它对我们生活中的影响也会越来越大，当然，发生电影《特种部队》中的情况还是需要避免的，对科学的探讨也需有所限制，让纳米材料在人们的生活中起到更大的作用。参考文献：1:=view###2:=search3:吴洪，姜忠义纳米管生物技术化工学报第56卷第6期2005年6月4:许海燕纳米生物医学研究的进展与发展趋势中国生物医学工程学报24卷6期2005年12月5：纪莉景,胡同乐,曹克强.纳米技术及其在生物领域的应用前景[J].河北农业大学学报,20026：=search7：光焕竹,冯树文,杨培霞等.纳米材料在环境治理方面的应用[J].化学工程师,20028：=search9：李泉,曾广斌.纳米粒子[J].化学通报,199510：李正孝,龚岩.纳米技术在环境保护方面的应用[J].环保技术,2001