納米材料及石墨烯的應(yīng)用研究

王皓冉(鄭州中學(xué)，河南 鄭州 450001)

納米材料及石墨烯的應(yīng)用研究

王皓冉(鄭州中學(xué)，河南 鄭州 450001)

近幾年納米材料以及石墨烯一直是研究的熱點(diǎn)課題。本文綜述了納米材料在水性涂料和納米機(jī)器人方面的應(yīng)用，同時(shí)也概述了作為納米材料的石墨烯材料在防彈衣、傳感器以及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)這些材料在未來的發(fā)展作了展望。

納米水性材料；納米機(jī)器人；石墨烯材料；應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，化學(xué)新材料被越來越多的研究者開發(fā)以及使用。納米材料是將材料加工成納米尺度的材料，這一類材料在納米尺度上會(huì)表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，這些效應(yīng)使得納米材料有一些獨(dú)特的性能。石墨烯本身就是一種納米材料，是近幾年新興的一種化學(xué)新材料，可以應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，是一種很有前景的新型材料。本文主要介紹了納米材料及其一些應(yīng)用，石墨烯材料的幾類應(yīng)用，為進(jìn)一步的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

1 納米材料

1.1 納米材料概述

納米材料是一種納米級(jí)結(jié)構(gòu)的材料，分子尺寸在1-100nm之間，這個(gè)尺寸是宏觀不可見的，是一種新型的材料。納米材料本身具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，比如小尺寸、表面以及量子尺寸效應(yīng)等。例如將無機(jī)抗菌劑通過采用納米分散或者修飾的技術(shù)加入到材料中，可以制成納米抗菌材料；另外還可以利用納米材料的小尺寸效應(yīng)，將其應(yīng)用到紅外感光元件以及紅外隱身技術(shù)方面。

1.2 納米水性涂料及其應(yīng)用

水性涂料是一種以水作為溶劑或者分散介質(zhì)的涂料，與傳統(tǒng)的油性涂料相比，它具有零VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）、溶劑污染小等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保型的涂料。建筑物內(nèi)墻和外墻的裝修和粉刷都離不開涂料，將其用在建筑主體或者室內(nèi)裝修上，可降低對(duì)室內(nèi)外環(huán)境的污染，減小涂料本身揮發(fā)的一些有機(jī)物對(duì)人體造成的危害。納米水性涂料是采用共混法或者原位聚合法的方式制備出來的一種水性涂料。共混法一般是將納米顆粒與制備涂料所用的樹脂、分散介質(zhì)以及顏料等進(jìn)行混合來制備納米水性涂料的方法；原位聚合法是將納米顆粒與合成樹脂所需要的單體一起反應(yīng)來制備出納米水性涂料的方法[1]。將納米顆粒應(yīng)用在水性涂料上，也可以制備出納米復(fù)合涂料，例如將納米二氧化硅或者納米級(jí)的紫外線吸收劑等加入到水性涂料中，這些涂料一般都會(huì)產(chǎn)生抗菌、抗沾污甚至抗衰老的效果[2]。納米水性涂料符合環(huán)境友好的要求，相信在不久的將來，納米水性涂料會(huì)取代現(xiàn)有涂料，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

1.3 納米機(jī)器人及其應(yīng)用

納米機(jī)器人是近幾年出現(xiàn)的一個(gè)比較熱門的詞匯，廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)的領(lǐng)域，是將納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合所形成的一種納米生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)。納米機(jī)器人是在分子生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用納米技術(shù)研究制備出的一種分子學(xué)的微型機(jī)器人。圖1是輸送藥物的納米機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。傳統(tǒng)的治療疾病的藥物一般都是采用口服或者注射的方式輸送到人體內(nèi)，但是真正起到作用的只有其中的一小部分，大部分會(huì)被稀釋或者對(duì)身體產(chǎn)生一定的毒副作用[3,4]。利用納米機(jī)器人可以將有效的藥物精準(zhǔn)的送至受感染的部位，不僅高效的治療疾病，也減少了一定的毒副作用。納米機(jī)器人可以在人體血管內(nèi)“游走”，診斷體內(nèi)的異常細(xì)胞，充當(dāng)微型的醫(yī)生，治療病變的細(xì)胞，甚至用于殺死癌細(xì)胞。另外，納米機(jī)器人也可應(yīng)用在機(jī)械智能的方面。

圖1 輸送藥物的納米機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2 石墨烯材料

2.1 石墨烯材料的概述

石墨烯材料是由碳原子組成的一種單原子層的石墨，只有一個(gè)原子層的厚度，是一種蜂窩狀的薄膜，擁有著良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、延展性、柔軟性，較強(qiáng)的抗沖擊性能，也是一種最輕薄的材料。目前我國已有科學(xué)家從玉米芯中提取出石墨烯，并且得到了量產(chǎn)，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。石墨烯材料可應(yīng)用在柔性顯示屏、防彈衣、水過濾膜以及航空航天領(lǐng)域等。

2.2 石墨烯材料在防彈衣上的應(yīng)用

石墨烯材料因具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，可以應(yīng)用到防彈衣材料上。美國的科學(xué)雜志上已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道，石墨烯材料能夠承受子彈沖擊的性能，并且它的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼鐵制備的防彈衣材料，將其用在防彈衣材料上，可以大大提高防彈衣的抗沖擊性能，在軍事領(lǐng)域可以得到較好的應(yīng)用。

2.3 石墨烯傳感器及其應(yīng)用

石墨烯因具有較強(qiáng)的靈敏度，可用在傳感器上。例如將石墨烯材料制成石墨烯傳感器，可以檢測(cè)到室內(nèi)的污染，及時(shí)檢測(cè)出室內(nèi)超標(biāo)的污染物，在一定程度上減少室內(nèi)裝修污染對(duì)人體造成的危害。石墨烯制成的傳感器還可以用到霧霾警報(bào)上，有研究者將硼原子加入到石墨烯傳感器中，開發(fā)出了一種十分靈敏的氣體傳感器，這種傳感器可以檢測(cè)到極低含量的有害物質(zhì)濃度，對(duì)于現(xiàn)在空氣質(zhì)量不好甚至霧霾嚴(yán)重的現(xiàn)象，可以及時(shí)給出提示，提醒人們提前做出預(yù)防措施[5,6]。

2.4 石墨烯在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

利用石墨烯材料高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度以及超級(jí)輕薄等特性，可以用在超輕薄飛機(jī)上。石墨烯是世界上最薄的材料，制成超輕薄飛機(jī)可以減輕飛機(jī)的重量，另外利用其做成的傳感器用在飛機(jī)上，還可以檢測(cè)出高空大氣層中的微量元素，以及飛機(jī)上的結(jié)構(gòu)缺陷，用途十分廣泛[7]。

3 結(jié)語

納米材料及石墨烯因具有獨(dú)特的性質(zhì)，能夠應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。對(duì)于納米材料的應(yīng)用，在納米水性涂料以及納米機(jī)器人的應(yīng)用作了分析總結(jié)；對(duì)于石墨烯材料，是在納米材料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用石墨烯材料本身所具有的獨(dú)特性質(zhì)，對(duì)石墨烯材料在防彈衣材料、傳感器以及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用作了概述。今后還會(huì)有更多的研究者開發(fā)研究這些材料的潛在價(jià)值和應(yīng)用，探索更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，使這些新材料得到更好的應(yīng)用。

[1]董春霞.納米材料在水性涂料中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(23):1-1.

[2]楊玲.水性納米TiO2基自清潔涂料的制備與性能[D].復(fù)旦大學(xué),2013.

[3]周陳霞,徐萬和.納米機(jī)器人的發(fā)展和趨勢(shì)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].機(jī)械,2011,38(4):1-5.

[4]Li J,Gao W,Zhang L,et al.Micro/nanorobots for biomedi?cine:Delivery,surgery,sensing,and detoxification[J].2017,2(4).

[5]黃振旭,鄧振琪,裴先茹.石墨烯材料的制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào),2017,36(2):59-63.

[6]Wang T,Yu J,Wang M,et al.Effect of different sizes of graphene on thermal transport performance of graphene paper[J].Composites Communications,2017,5:46–53.

[7]Papageorgiou D G,Kinloch I A,Young R J.Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites[J].Progress in Materials Science,2017,90:75-127.

Study on the Application of Nano Materials and Graphene

Wang Haoran(Zhengzhou Middle School 450001)

In recent years,nano materials and graphene have been a hot research topic.This paper reviews the application of na?no materials in waterborne coatings and nano robots,also summa?rized as graphene materials and nano materials in bulletproof cloth?ing,sensors and aerospace applications,and these materials in the prospect of future development.

nano aqueous material;nano robot;graphene mate?rial;application