納米材料概述

柴利萍

(河南護(hù)理職業(yè)學(xué)院,河南安陽 455000)

納米材料概述

柴利萍

(河南護(hù)理職業(yè)學(xué)院,河南安陽 455000)

納米技術(shù)作為一種新興科學(xué)技術(shù),廣泛應(yīng)用于化工、電子、航空、軍事、醫(yī)學(xué)、環(huán)保工程和生物工程等領(lǐng)域。本文用簡單的語言闡述了納米材料的含義及性質(zhì),以及關(guān)于納米材料安全性的思考。

納米材料 特性 問題

在現(xiàn)代信息社會(huì),每年都會(huì)出現(xiàn)很多新鮮詞匯,而“納米材料”一詞已提了頗有幾年。各種廣告的宣傳中,到處充斥著“納米”二字,納米材料顯然已經(jīng)成為商家的重要賣點(diǎn)之一。但是,對大多數(shù)人而言,“納米材料”就是納米材料,即字面釋義,對其真正的概念含義很是模糊,鑒于此,本文用簡單的語言對納米材料、納米技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 何為納米材料

納米,是長度單位,用nm來表示。常用的長度單位是米,1nm=10-3μm=10-9m,可以看出納米是很小的長度單位。舉個(gè)例子,人的頭發(fā)絲的直徑一般都在7000—8000nm之間,人體紅細(xì)胞的直徑大約為3000-5000nm,而一般的病毒直徑在幾十到幾百納米之間。納米材料,簡單來說就是粒子尺寸很小在1-100nm之間的,和一般尺寸的材料性質(zhì)不同的,具有自己特殊物理化學(xué)性質(zhì)的材料。自1990年7月美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議后,納米材料被正式作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支?，F(xiàn)在用的納米材料大多是人工制備的,屬于人工材料,而自然界中也早就存在納米微粒和納米固體,如人和動(dòng)物的牙齒、隕石碎片等都是由納米微粒構(gòu)成的。

2 納米材料的特性

納米材料又稱為超微顆粒材料,顆粒尺度非常接近原子的大小,但又不是平常意義上的微觀系統(tǒng),即納米材料既不屬于微觀系統(tǒng)又不屬于宏觀系統(tǒng),而是一種介于兩者之間的介觀系統(tǒng)。由于其非常小的顆粒尺度,使納米材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),在性質(zhì)上表現(xiàn)出非常奇異的特性,如在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)及化學(xué)等方面都與傳統(tǒng)材料有著顯著的不同。被廣泛應(yīng)用于化工、電子、航空、軍事、醫(yī)學(xué)、環(huán)保工程和生物工程等領(lǐng)域。舉例說明。

2.1 光學(xué)特性

量變引起質(zhì)變。顆粒尺寸也一樣。當(dāng)白金(鉑)被粉碎成納米級(jí)的尺寸時(shí),就會(huì)失去其原有的光澤而呈黑色,顆粒越小,顏色越黑。因?yàn)榫G色的樹葉表明它吸收了其他顏色的光而反射了綠色的光波。黃色的顏料表明吸收了其他顏色波長的光而反射了黃色的光波。而納米顆粒尺寸已經(jīng)小于光波波長的尺寸,對光的反射率很低,甚至可以完全消光。利用此特性能達(dá)到隱身的效果,可用來制隱身衣、用于軍事戰(zhàn)略上使飛機(jī)隱形等。

2.2 熱學(xué)特性

正常尺寸的固體材料熔點(diǎn)是固定的,而細(xì)化后其熔點(diǎn)將顯著降低,10nm以下尤為顯著。如銀的熔點(diǎn)為670℃,而納米銀顆粒的熔點(diǎn)低于100℃。將納米銀顆粒加入導(dǎo)電漿料中,可進(jìn)行低溫?zé)Y(jié),這樣就不必用耐高溫的材料基質(zhì),既可大大縮減成本,又能大大提高質(zhì)量。

2.3 磁學(xué)特性

生物學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物之所以從來不會(huì)迷失方向,是因?yàn)檫@些生物體內(nèi)存在著納米磁性材料為它們準(zhǔn)確無誤的導(dǎo)航。就像,海龜在美國弗羅里達(dá)州產(chǎn)卵,但出生后的幼小海龜卻要游到英國尋找食物,長大的海龜還要再回到弗羅里達(dá)州產(chǎn)卵。這個(gè)過程中海龜需要進(jìn)行幾萬千米的長途跋涉,歷時(shí)5～6年,卻從不迷路,它們依靠的就是頭部內(nèi)的納米磁性材料?？衫眉{米顆粒的強(qiáng)矯頑力作成高存儲(chǔ)密度的磁記錄磁粉,應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。

2.4 力學(xué)特性

我們知道,陶瓷通常情況下是非常脆的,但納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有很大的表面積,裸露的表面原子排列很混亂,原子在外力的條件下很容易發(fā)生遷移,從而表現(xiàn)出良好的韌性和一定的延展性。經(jīng)研究,人的牙齒也是因?yàn)橛闪姿徕}等納米材料構(gòu)成才具有很高的強(qiáng)度。

2.5 化學(xué)特性

納米粒子是一種極好的催化劑。這是因?yàn)榱Ｗ蛹?xì)化后,有很高的比表面積和表面能,同時(shí)氧化還原勢(即催化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力)增大,導(dǎo)致粒子的催化活性增高。所以納米粒子可以作為一種高效、高選擇性的催化劑,可用來代替其他昂貴的催化劑,也可以用來降低化學(xué)反應(yīng)條件。比如納米鉑黑可以使乙烯的氧化溫度從600℃降低到室溫。

3 納米材料的利弊

由上可知,納米材料具有很多奇異的性質(zhì),可以應(yīng)用于生產(chǎn)生活的很多方面,它完全有能力徹底改變?nèi)藗兊纳?但是,要想使其廣泛推廣,還需要解決一些很具挑戰(zhàn)性的問題。(1)技術(shù)問題。納米材料的性質(zhì)和納米顆粒的尺寸、形狀及其微結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,這就對納米材料的合成提出嚴(yán)格的要求。雖然化學(xué)家對合成小分子已有很豐富的經(jīng)驗(yàn),但要嚴(yán)格控制納米顆粒的尺寸范圍、形貌結(jié)構(gòu)及分散穩(wěn)定性,還是需要化學(xué)家在合成工藝、反應(yīng)條件的優(yōu)化上做大量的工作?，F(xiàn)在化學(xué)家已經(jīng)在原有物理方法和化學(xué)方法的基礎(chǔ)上,建立發(fā)展了一系列新的合成方法,如模板合成、超聲合成、激光誘導(dǎo)合成、微波合成、電化學(xué)合成等。(2)成本問題。如要廣泛推廣,就需要在解決技術(shù)上的問題后,還要盡可能的降低成本。關(guān)乎批量生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素就是成本問題?，F(xiàn)在的納米材料大多還處于實(shí)驗(yàn)室階段,最根本的原因應(yīng)該就是成本過高。(3)安全問題。事物都有兩面性。納米材料不僅帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和科技創(chuàng)新,其安全性也逐漸被人們所關(guān)注。近兩年,大家不再很興奮的盲目追求納米材料帶來的優(yōu)異性能,也開始考慮它可能有的安全隱患。比如,納米顆粒和納米材料已被越來越廣泛的應(yīng)用于醫(yī)藥、涂料、染料、食品、化妝品和治理環(huán)境污染等行業(yè),其在發(fā)揮優(yōu)異特性的同時(shí)是否對人、畜、自然環(huán)境存在潛在威脅？它的毒理是怎樣的？

4 結(jié)語

著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R．Feyneman在20世紀(jì)60年代就預(yù)言：如果對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,物體就能得到大量的異乎尋常的特性。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料?，F(xiàn)在,納米材料已經(jīng)成為人們討論的一個(gè)熱點(diǎn),也已經(jīng)被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。人們不僅可以穿上防水防霉的隱身服,還能用除菌除臭的地磁磚,更可以用耐磨性、硬度都很好的納米骨質(zhì)材料來作為關(guān)節(jié)或附件,甚至可以用納米殼來治療讓人談虎色變的癌癥。當(dāng)然,科技是把雙刃劍,目前,大家正在呼吁重點(diǎn)關(guān)注納米材料的毒性研究領(lǐng)域以及綠色納米材料的課題研究。

[1]LIU Xiao- Heng , WANG Heng- Zhi, CHEN Dao- Yong , WANG Ying, LU Lu- De, WANG Xin. Pr operties of nano materials[ J].J.Appl. Po lym. Sci,1999,73:2569～2570.

[2]林冠發(fā),王云芳,王曉玲.納米材料及技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.咸陽師范學(xué)報(bào),2002,8:31～34.