納米材料在產(chǎn)品設計中的應用研究＊

胡飛HU Fei 王興宇WANG Xingyu 王均潔WANG Junjie武漢理工大學，武漢430070（Wuhan University of Technology , 430070 Wuhan）

納米材料在產(chǎn)品設計中的應用研究＊

胡飛HU Fei 王興宇WANG Xingyu 王均潔WANG Junjie
武漢理工大學，武漢430070（Wuhan University of Technology , 430070 Wuhan）

納米材料是21世紀的新型材料之一，當材料的尺寸處于納米級別時則表現(xiàn)出宏觀材料所不能具備的特殊物理及化學性能。站在設計的角度，通過分析多個成熟納米產(chǎn)品的設計案例，探索用戶需求和納米材料之間的關系；通過分析納米產(chǎn)品設計和已滿足的用戶需求，發(fā)現(xiàn)未滿足的用戶需求從而指出納米產(chǎn)品的設計方向，為設計師提供更加廣闊的設計思路；通過現(xiàn)有的納米材料和已經(jīng)滿足的用戶需求的分析，發(fā)現(xiàn)未滿足的用戶需求從而指出納米材料的研發(fā)方向，目的是要促進新型納米材料的研究與探索。

納米材料；用戶需求；關系路徑；設計應用

設計是為新材料和新技術尋找廣闊的應用機會。納米材料作為新型材料已經(jīng)被越來越多的應用在產(chǎn)品設計之中。納米科技的迅猛發(fā)展必然會引發(fā)一場新的設計革命。本文結合用戶需求、設計概念到材料的選擇，探索用戶需求與納米產(chǎn)品以及用戶需求與納米材料之間的關系。

一、納米材料在國內(nèi)外的應用情況

納米材料作為一種新型材料，從問世之后就受到了各國政府和科研人員的廣泛關注。納米材料所具有的特殊性能決定了其在各個領域廣泛應用的前景（見圖1）。

圖1 國際納米科技的研究范疇

納米科技在國外興起的時間比較早。2000年美國政府就公布了納米技術啟動計劃書。在這份納米技術啟動計劃書中，科學家們強烈表明了在新世紀之中納米科技的重要性，并特別認為在新的世紀里納米科技必然要引發(fā)一場巨大的工業(yè)革命。

中國對納米科技關注的時間也比較早，并在多個領域取得了應用研究的成功。早在“九五”期間中國政府就明確肯定了納米科技所具有的重要戰(zhàn)略地位，并將納米科技列為重要的發(fā)展戰(zhàn)略；在2001年和2006年，中國相繼出臺了《納米發(fā)展綱要（2001-2010）》和《中長期發(fā)展科學和技術領域規(guī)劃綱要（2006-2020）》，指出納米材料和納米技術是中國實現(xiàn)跨越式發(fā)展的途徑之一。中科院、國家自然科學基金會和國家科技部等多個部門在“973計劃”、“863計劃”、“科技支撐計劃”等計劃中對納米科學技術研究都給予了充足的人員配備及資金支持。

時至今日，納米科技已經(jīng)在各個領域嶄露頭角，并確實對人們的生活起到了極大的推動作用。納米科技在能源、醫(yī)藥、信息、生物、環(huán)境、航空航天、制造業(yè)等多個領域得到了廣泛應用并且出現(xiàn)了與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)交叉融合的趨勢。人們對納米的科學研究已經(jīng)派生出了多個學科分支，如納米化學、納米物理學、納米電子學、納米生物學、納米材料學、納米倫理學、納米經(jīng)濟學和納米藝術等。這些納米科技分支的出現(xiàn)有利于納米科學研究及其應用走入更專業(yè)、更廣闊的路徑。目前中國已經(jīng)確立了納米科技在電子信息、醫(yī)藥工程、精細化工、生物、微機械等領域的應用研發(fā)作為突破口，以市場需求為導向大力發(fā)展納米產(chǎn)業(yè)，并通過納米科技促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級，加速納米技術應用的產(chǎn)業(yè)化進程。

二、納米材料的應用性產(chǎn)品

課題組對納米銀抗菌衣、納米陶瓷刀具、納米氧化鋅保鮮膜、納米冰箱、納米繩索、納米秤等20余款納米產(chǎn)品（見圖2）進行了深入的分析與研究。下面介紹一些典型的產(chǎn)品。

1. 納米陶瓷刀

刀具是廚房中經(jīng)常使用的工具。納米陶瓷刀就是用納米材料制作成的刀具，因類似于陶瓷，故有此稱。制作納米陶瓷刀的主要原料是納米氧化鋯[1]。一如圖1所示，納米氧化鋯沒有普通刀具含有的重金屬成分，無毒、安全，對人體沒有任何不良的影響。

納米陶瓷刀具有以下優(yōu)良的性能：具有防污抗菌的特性。因為納米陶瓷的密度大而且材料細密，所以在納米陶瓷刀具的表層不會存在坑洼等殘留食物汁液而引發(fā)細菌瘋長的條件。納米陶瓷刀具比普通刀具更便利于對食物的切割；納米陶瓷刀具的硬度僅次于世界上最硬的物質(zhì)──鉆石的硬度[2]。所以納米陶瓷刀具具有很強的硬度以及高耐磨性；納米陶瓷刀具不用磨擦也能夠始終保持鋒利的狀態(tài)，省時省力；納米陶瓷刀具具有安全無毒、衛(wèi)生環(huán)保、抗腐蝕性、永不生銹、易清洗的特性，所以不會給食物帶來污染與異味，因而保證了食物的衛(wèi)生，對人體健康非常有利；納米陶瓷的化學性能穩(wěn)定，耐酸堿，安全環(huán)保，不會與食物所含有的化學成分如酶等發(fā)生任何的化學反應，而且可耐各種酸堿有機物的腐蝕，非常適合于切食生菜、水果以及熟食等；納米陶瓷刀具的刀身經(jīng)過1700℃高溫燒結，所以密度高、全致密、無孔隙、無磁性，表面幾乎沒有毛細孔，具有不粘污、易于清潔并且抑菌的效能，所以其刀身不會存在異味或金屬味的情況；納米陶瓷刀具小巧輕便，在享受烹飪帶來樂趣的同時不會因為刀具太重而給手臂帶來過多的負擔；對納米陶瓷刀具可以進行花紋設計等視覺表現(xiàn)的處理，和傳統(tǒng)刀具相比而更具審美性和情趣性。

圖2 納米產(chǎn)品

2.納米氧化鋅涂層冰箱

冰箱在日常生活中的使用頻率最高，人們習慣于將各種食物一股腦地塞進這個小小的空間之中。但是隨著時間的延長導致了食物的變質(zhì)以及不同食物之間的串味，冰箱很容易滋生病菌（細菌）并產(chǎn)生難聞的氣味。一般的處理方式就是定時清理、清潔冰箱，使其保持干凈的狀態(tài)。如圖2所示，納米氧化鋅涂層的冰箱能夠有效解決這一令人頭疼的問題——冰箱具有有效的殺菌抑菌功能，能有效減少食物中的細菌滋長并且可以減少難聞的氣味。

納米氧化鋅是一種常用的化學添加劑，無毒無味，不分解也不變質(zhì)，常被添加在油漆涂料中。納米氧化鋅與傳統(tǒng)氧化鋅相比，其表面面積更大、化學活性更強，并且表現(xiàn)出較好的光化學效應和良好的紫外線遮蔽性能。將納米氧化鋅添加在涂料中可以增加涂料的耐磨性和抗老化性，延長了產(chǎn)品的使用壽命。因為鋅離子具有良好的氧化還原性，所以很容易與細胞膜或蛋白質(zhì)結合，導致細胞破裂，達到殺菌的目的。就是這樣的原理，納米氧化鋅涂料的冰箱就能夠大大減少細菌的滋生，避免冰箱臭味的出現(xiàn)并可以延長食品的保鮮時間。

納米氧化鋅的另外一個特性就是抗燃性。納米氧化鋅熱穩(wěn)定性好，添加在涂料中可以增強涂料的抗熱性，為家用電器的安全增加了一份保障。

3.納米二氧化鈦汽車漆

納米二氧化鈦無毒無害并且能與汽車油漆有著極好的相容性，對可見光有著相當好的透明性。由于其高折光性和高光活性可以吸收紫外線，所以是良好的汽車油漆添加劑。

在汽車油漆中添加納米二氧化鈦具有這樣的優(yōu)勢：因為納米二氧化鈦的直徑只有10nm-50nm且表面面積極大，所以有著很好的附著性；納米二氧化鈦具有極大的強度和韌性，添加在油漆中可以增加油漆的耐摩擦性和耐沖擊性；由于添加的納米二氧化鈦具有很強的穩(wěn)定性因此就能夠提高汽車的耐候性和抗老化性；納米二氧化鈦添加在汽車油漆中可以反射和散射光線，隨著光照角度而改變顏色，能夠減少對環(huán)境造成的光污染。

三、納米材料產(chǎn)品的用戶需求分析

滿足用戶的需求是產(chǎn)品設計的目的和產(chǎn)品存在的價值宗旨（見圖3）。用戶需求的高低決定了產(chǎn)品設計的技術、結構、材料、價格等的不同。產(chǎn)品的發(fā)展史驗證了人們對產(chǎn)品的需求由低層次向高層次發(fā)展的規(guī)律。在產(chǎn)品設計中，產(chǎn)品最基本的特性是具備功能性而成為一個能用的產(chǎn)品（功能需求、可靠需求）；其次是產(chǎn)品為一款用起來很舒適很好用的產(chǎn)品，追求產(chǎn)品的實用性和易用性（感官需求、交互需求）；再次是人與產(chǎn)品交互過程中能夠滿足用戶的心理需求或心理體驗，產(chǎn)品非常有趣或好玩，使用戶在使用的過程中得到了愉悅和滿足（情感需求）；最后是產(chǎn)品為用戶自我價值、自我觀念、自我品味的直接或間接體現(xiàn)（自我需求）。我們通過對20款納米產(chǎn)品的分析發(fā)現(xiàn)了這樣的一些功能。

圖3 產(chǎn)品-納米材料-需求之間的關系

1.用戶重視對產(chǎn)品功能需求的滿足，希望納米產(chǎn)品具備多功能性并且反饋效果更快速

“功能需求”的滿足主要分為以下幾個需求點：“潔凈衛(wèi)生”、“節(jié)能環(huán)?！薄ⅰ懊廊荨?、“快速”、“健康”、“精小”以及“其他”中的導電、發(fā)電、保溫、可塑等需求。例如納米牙膏除了具備普通牙膏所具備的清潔牙齒的作用之外，更要有治療口腔疾病而能達到消炎止痛的作用，另外納米牙膏中游離的納米羥基磷灰石具有修復牙齒的作用。人們在要求納米二氧化鋅涂層的冰箱達到普通冰箱所具有的制冷保鮮功能之外，納米材料的冰箱還能殺菌抑菌，減少或避免儲藏食物因變質(zhì)或串味所形成的難聞氣味。納米護膚品較普通護膚品的效果更高效和更快速，人們要求納米護膚品能夠迅速抵達皮膚的真皮層以修復損傷的細胞，瞬間達到“抗衰老”的美容效果。納米銀衣褲具有防輻射和治療皮膚疾病的功用，人們對其理療和保健的需求遠遠大于對其審美和御寒的需求。添加有納米二氧化鈦的汽車油漆能夠增加汽車表層的硬度和強度，增加油漆的耐磨性和抗沖擊力，而且納米二氧化鈦可以隨著太陽光線的改變而改變其可見光的角度以減少光污染，滿足人們對環(huán)保的要求。納米陶瓷刀具有比金剛石還要大的硬度，能夠時刻保持人們對“鋒利”的功能需求，卻無須打磨；納米氧化鋯陶瓷的化學穩(wěn)定性強、耐酸堿并且具有抗污的特點而更加清潔衛(wèi)生。

2.用戶重視納米產(chǎn)品本身的可靠性，要求納米產(chǎn)品安全而且耐用

納米藥物輸送車、納米牙膏、納米護膚品、納米衣褲、納米防曬霜等與人體細胞或人體表皮直接接觸的產(chǎn)品，在帶給驚喜效果的同時，更要求不會產(chǎn)生毒性對人體造成損害或產(chǎn)生副作用[2]69。納米刀具、納米保鮮膜、納米冰箱等與食物直接接觸的納米產(chǎn)品，要求對食物不會造成化學反應而導致變質(zhì)或在食物的表層遺留有害的物質(zhì)。

3.納米產(chǎn)品滿足用戶的交互需求主要體現(xiàn)在納米產(chǎn)品的便攜性上[3]

納米產(chǎn)品之所以具有便攜性，主要是因為產(chǎn)品質(zhì)量輕、小巧以及強烈的可塑性。納米太陽能電池的厚度僅有2nm-6nm，非常輕薄小巧，所以方便攜帶。納米電子顯示屏具有良好的柔軟性、抗彎折性而且質(zhì)量輕，能夠方便用戶隨身攜帶，開啟了穿戴式電子產(chǎn)品的設計之門，能讓電子產(chǎn)品與人之間的距離更加微小。

4. 納米產(chǎn)品的缺陷

目前的納米產(chǎn)品很少涉及對用戶的感官需求、交互需求、情感需求、社會需求以及自我實現(xiàn)需求的滿足，這既是納米產(chǎn)品設計的空缺也是納米產(chǎn)品未來設計發(fā)展的重要方向。

四、納米材料在產(chǎn)品設計中的應用特點

1. 人們要求納米產(chǎn)品帶來的效果反饋更加快速

由于納米材料所具備的特殊性能以及小分子性，所以納米產(chǎn)品可以直接滲透到生物體細胞中并產(chǎn)生作用，也正是因為這一特點人們就要求納米產(chǎn)品比一般產(chǎn)品更具備“快速性”特征。比如納米藥物輸送裝置、納米護膚品都能快速透過表皮組織進入生物體內(nèi)循環(huán)，所以要求納米藥物和納米護膚產(chǎn)品能夠更快地達到治療疾病和返老還童的效果。如果反饋的時間更短，就可以更加及時地讓用戶感受到納米產(chǎn)品的魅力。

2.納米產(chǎn)品的“精小”是納米產(chǎn)品的一大特點

納米產(chǎn)品的精小與納米材料的小尺寸性密不可分。精小的納米產(chǎn)品可以幫助我們更好地掌握微觀世界的規(guī)律，比如納米秤。納米秤的細度僅有頭發(fā)的千萬分之一，而且具有良好的韌性和彈性，將病毒粘在秤的頂端，通過記錄秤桿振幅改變的情況來測量單個病毒的重量，這對醫(yī)學家辨別病毒以及施行救治方案具有重要的意義；當精小的納米產(chǎn)品的尺寸小于人體細胞的時候它就可以穿透人體屏障而進入體內(nèi)循環(huán)，比如納米藥物輸送裝置。它的尺寸小于血紅細胞可以跟隨血液環(huán)流全身從而達到發(fā)現(xiàn)癌變細胞以及給特定的細胞輸送藥物救治生命的目的。這樣的納米藥物輸送裝置不會對健康細胞造成傷害，因此減少了癌癥患者的痛苦。納米繩索和納米電線具備很高的韌性和強度而且肉眼無法看見，其工業(yè)意義和社會意義更大。

3.納米產(chǎn)品重視便攜性

納米產(chǎn)品的便攜性主要體現(xiàn)在 “小巧”、“輕薄”和“質(zhì)量輕”等特點上。比如納米繩索、納米電容器、納米太陽能電池等。

4.微觀納米產(chǎn)品的設計非常關注納米材料的物理結構

納米藥物輸送裝置利用了納米多壁碳管的半深杯狀結構，在此深杯狀中能夠盛放治療癌變細胞的藥物。納米電線利用了碳納米管中空結構，在中空的碳納米管中加入氯化鉺粉末經(jīng)過高溫處理形成氯原子和鉺原子制造成了納米電線。納米隱形眼鏡使用的材料即納米HEMA甲基丙烯酸羥乙酯的表層是均勻的孔狀結構，可以吸收和定量釋放水分，因此具有極好的潤滑作用能夠減少摩擦而起到保護眼球的作用。

5.“潔凈衛(wèi)生”是納米產(chǎn)品的特性

“潔凈”包括兩個方面：第一，納米產(chǎn)品本身所具有的“防污防塵”的自潔特點；第二，部分納米產(chǎn)品具有的“殺菌抗菌”以及“清潔”功能。納米材料的自潔性是由兩個方面的條件造成的：第一，納米材料的分子非常小，當尺度小于灰塵顆粒的時候灰塵顆粒就很難在納米材料的表面附著，這就是所謂的“荷花效應” ，從而達到“自潔”的功用；第二，納米材料具有的光催化作用。在光照作用下納米材料能夠變現(xiàn)出很強的化學活性和附著在材料表面的有機物產(chǎn)生氧化還原反應，有機物變性成二氧化碳及水分，這就達到了去污自潔的效果。

6.特殊的力學性能能夠彌補普通材料的力學缺陷

比如普通的陶瓷具有脆性大的力學缺陷，添加有納米氧化鋯的納米陶瓷就具備更好的彈性和韌性。納米汽車油漆中添加的納米二氧化鈦粉末增加了油漆的堅固性，使其更具抗沖擊力和耐摩擦。納米冰箱表層的納米二氧化鋅噴涂材料可以使其更堅硬耐用因而延長了納米冰箱的使用時間。

五、結語

納米科技無疑是未來科技發(fā)展的重要標志，大力發(fā)展納米科技將是世界各國提升核心競爭力的重要途徑之一。本文從設計的視角，分析現(xiàn)有成熟的納米產(chǎn)品設計案例，探索用戶需求與納米產(chǎn)品以及用戶需求與納米材料之間的關系（見圖4）。即發(fā)現(xiàn)和理解用戶需求之后，如何根據(jù)用戶需求而直接選擇納米材料，在用戶需求和納米材料之間建立良好的匹配關系。目前的納米產(chǎn)品設計主要是對功能需求的滿足，其次是可靠需求，交互需求和社會需求有涉及但卻很少；然而安全需求中的感官需求、歸屬需求中的情感需求、尊重需求和自我實現(xiàn)需求目前還未涉及，需要設計師們在今后的納米產(chǎn)品設計中予以充分的重視。

圖4 需求與材料的互動關系

[1]大衛(wèi)·E.牛頓.新材料化學[M].常娜，白薇，張承霞，常琳，袁雪梅，王薇，譯.上海：上?？茖W技術文獻出版社，2011:79.

[2]Guozhong Cao，Ying Wang.納米結構與納米材料合成、性能及應用[M].董星龍，譯.北京：高等教育出版社，2012：18.

[3]沈海軍，時東陸.納米藝術概論[M].北京：清華大學出版社，2010:10.

Research on the Application of Nano Materials in Product Design

Nano materials have become one of the new materials in the 21st century. When the sizes of the materials reach to the nanoscale, they will reveal special physical and chemical functions that macro-materials don’t possess. Firstly, from the angle of design, this paper is mainly to explore the relationship between user requirements and nano materials through analyzing some mature nano products design cases. Secondly, through the analysis of nano products design and the well-pleasing user requirements, we fi nd unmet user needs and thus broaden the design direction of nano-technology products. Thirdly, by analyzing the existing nano materials and the well-pleasing user requirements, we fi nd unmet user needs and then point out direction of the nanometer materials research, in order to promote the exploration of new nano materials.

nano materials；user requirements；path relationship；design application

J04

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2013.05.005（0019-06）

2013-08-26

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（2012-Ⅳ-109）。

胡飛，博士，武漢理工大學藝術與設計學院教授；王興宇、王均潔，武漢理工大學藝術與設計學院碩士生。