新型納米材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

周燕倩，陳小煒，徐佳麗，向 李

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.內(nèi)江師范學(xué)院微納智能傳感研究所分析測試中心，四川 內(nèi)江 641100）

引言

1861 年，伴隨著膠體化學(xué)領(lǐng)域的建立，科學(xué)家開始對粒徑為1 nm～100 nm 顆粒的研究工作[1]。1984年，世界上第一塊納米微晶體塊在德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter 利用原位加壓的方法下制備合成，僅6 nm，這給材料領(lǐng)域的研究帶入了歷史新紀(jì)元。1990 年，第一屆國際納米科學(xué)與技術(shù)在美國的開展，確立了納米科學(xué)正式成為材料領(lǐng)域的一個重要分支學(xué)科。所謂納米材料，就是指在三維空間中，其中有一維是由納米尺寸（1 nm～100 nm）的粒子構(gòu)成，它不同于原來的分子、原子，是一種極細(xì)小的毫微材料[2-3]。納米材料的出現(xiàn)，打破了人們對于宏觀材料物質(zhì)的理解，將對于材料科學(xué)的探索推上了一個全新的高度，科學(xué)家也將納米材料引入到人們生活的方方面面，不斷地造福于人類。由于納米材料粒徑小、吸附能力強(qiáng)、可塑性高等特性，在環(huán)保方面、生物醫(yī)學(xué)、工程材料、國防科技等具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)家對納米技術(shù)和新型材料的不斷深入探究，納米材料已經(jīng)成為21 世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的重要支撐,并在生物醫(yī)用、信息科技等方面也得到了廣泛應(yīng)用。在納米材料的制備與合成方面，中國、美國、日本等少數(shù)幾個國家，初步實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，但對于納米醫(yī)療診斷材料、納米生物材料的研發(fā)仍然處于初級階段，也是關(guān)系到人類健康福祉，迫切需要突破的關(guān)鍵口[4]。2021 年全球納米材料市場規(guī)模達(dá)35 億美元，納米材料逐步成為了科技關(guān)口的重要戰(zhàn)略高地，全球各國也陸續(xù)加大了對納米材料領(lǐng)域研發(fā)的扶持力度，學(xué)者科研工作者們對納米材料的研究如火如荼。如今，北京、深圳、蘇州、上海是我國納米材料研發(fā)和主要生產(chǎn)基地，即將實現(xiàn)由追求產(chǎn)量大到高精尖的轉(zhuǎn)型。目前我國已經(jīng)形成了環(huán)渤海、長三角、珠三角新型材料產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，逐步形成產(chǎn)業(yè)群聚發(fā)展模式[5]。在各方共同努力下，我國新型納米材料在前沿基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)、成果轉(zhuǎn)化取得了引人注目的成就，即將躋身于納米材料大國的行列之中。

2 新型納米材料的制備方法

納米材料的制備與合成，一直以來都是我國乃至世界需要攻克的問題。一般地，根據(jù)納米材料的尺寸差異、物料狀態(tài)的不同，可選擇不同方法來制備得到納米材料，總體而言，可將納米材料的制備合成方法分為物理法和化學(xué)法兩大類[6]。

2.1 物理方法制備納米材料

物理方法包括機(jī)械粉碎法、蒸發(fā)冷凝法[7]。

1）機(jī)械粉碎法：實際上就是利用儀器對材料進(jìn)行物理粉碎的一個過程，將原有的大顆粒物料粉碎成粒徑更小的物質(zhì)。隨著科技的發(fā)展，也出現(xiàn)了利用超聲波進(jìn)行粉碎的方法，其操作比較簡單，但得到的材料純度不高，整個過程中對材料的尺寸不好控制。

2）蒸發(fā)冷凝法：在真空環(huán)境下，利用納米粉體氣化作用，與惰性氣體充分結(jié)合，冷凝后得到的納米粉體粒子。該方法得到的材料純度高、效率較好，不過對設(shè)備性能的要求比較高，維護(hù)成本高昂。

2.2 化學(xué)方法制備納米材料

化學(xué)方法包括溶膠凝膠法、水熱合成法、化學(xué)氣相沉淀法、溶劑蒸發(fā)法、微乳液法等[8-10]。

1）溶膠凝膠法：即將固態(tài)反應(yīng)物溶解于適當(dāng)?shù)娜軇?，?jīng)過一定時間的化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的溶膠或者凝膠狀態(tài)，然后再進(jìn)一步固燒煅化得到所需的納米粒子。此方法得到的材料具有較高的穩(wěn)定性，常溫常壓下不易分解，對制備的材料形貌可控程度高。

2）水熱合成法：以水溶液作為一個中間體，對反應(yīng)物進(jìn)行熱處理，使其處于高溫高壓的密閉環(huán)境，再經(jīng)重結(jié)晶和后續(xù)處理得到所需的納米粒子。此方法材料利用率高，污染少，環(huán)保性高。

3）化學(xué)氣相沉淀法：在反應(yīng)室內(nèi)通入反應(yīng)氣體、水蒸氣以及各種所需試劑的蒸汽，通過熱處理，各種蒸汽相互反應(yīng)，最后冷處理后得到固體產(chǎn)物。此方法材料產(chǎn)量較高，但設(shè)備比較昂貴、操作比較復(fù)雜。

3 新型納米材料的應(yīng)用

3.1 在環(huán)保方面的應(yīng)用

由于納米材料具有粒徑小、吸附能力較強(qiáng)等特性，在污水防治和大氣污染治理方面起著舉足輕重的作用。污水中含有大量的細(xì)菌、病毒等對人體有害的物質(zhì)，傳統(tǒng)的處理方法效率比較低、金錢成本較大、還有可能會造成二次污染等問題。隨著納米技術(shù)日新月異的發(fā)展，納米材料能更好的規(guī)避傳統(tǒng)污水處理方法的缺點。Zhou[8]等人利用共沉淀法，在TiO2溶液中加入特定的沉淀劑，經(jīng)過一定時間的化學(xué)反應(yīng)，再進(jìn)行熱處理，之后得到TiO2超微粉。納米TiO2表面具有較強(qiáng)的親水性和吸附性，將其涂抹在容器表面，再經(jīng)過其他裝置焊接，制成凈水器材，當(dāng)自來水通過這一裝置后，水中98%的細(xì)菌病毒都被清除，可以得到質(zhì)量較高的純凈水。

3.2 在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用

納米材料由于自身特性，在藥物運輸、控制藥物釋放方面起著不可或缺的重要作用。研究表明，介孔二氧化硅納米材料在超聲刺激下，產(chǎn)生空化效應(yīng)，并在其內(nèi)部填充抗癌藥物，達(dá)到治療腫瘤細(xì)胞的效果。Li 等人[9]通過制備一種復(fù)合納米材料，以介孔二氧化硅納米顆粒為中間體，在其外表面連接特定的發(fā)光材料，實現(xiàn)后期的靶向與監(jiān)控功能。首先合成氨基修飾的MSN，然后與透明質(zhì)酸和ADH-1 功能化。同時，在其內(nèi)部裝載經(jīng)典抗癌藥物阿霉素作為模型藥物，實現(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的治療。Dong 等人[11]通過接枝PEG 和ROS敏感聚合物，合成一種納米囊泡，并在其內(nèi)部負(fù)載Au-MnO 納米顆粒來作為新型聲敏劑，超聲照射后，囊泡被分解成更小的Au-MnO 納米顆粒，具有極強(qiáng)的穿透能力。隨后，MnO 被GSH 引發(fā)降解，釋放出更小的Au 納米顆粒，超聲刺激后，活性氧的含量大大增加，從而達(dá)到治療腫瘤細(xì)胞的效果。

3.3 在工程材料中的應(yīng)用

陶瓷業(yè)在我國淵源流傳，具有十分重要的商業(yè)價值和文化底蘊。傳統(tǒng)的陶瓷材料無法避免脆性大、耐沖擊力較弱等缺點，在傳統(tǒng)陶瓷材料中加入一定的納米材料，也很大程度的提高其耐沖擊力、斷裂韌性，使得其綜合性能得到質(zhì)的飛躍。

Lu 等人[12]在ZrO2中加入Al2O3納米顆粒，經(jīng)過5 h的混合處理后，可得到具有較高韌性的新型陶瓷材料。除此之外，加入納米材料，也能對傳統(tǒng)的陶瓷材料進(jìn)行改性處理，進(jìn)一步促進(jìn)我國陶瓷業(yè)的蓬勃發(fā)展。

3.4 在信息科技領(lǐng)域中的應(yīng)用

在信息化快速發(fā)展的時代，如何高質(zhì)量、高效率的記錄信息就顯得尤為關(guān)鍵，不論是在遠(yuǎn)古時期的打繩結(jié)記錄，還是當(dāng)今社會各種記錄信息的載體。傳統(tǒng)記錄信息的磁帶、錄音機(jī)、U 盤、硬盤等等，都會面臨存儲空間有限、信息質(zhì)量不高、不便于攜帶等問題。磁性納米微粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)，利用其制作納米芯片或者其他儲存信息的載體，不僅存儲空間巨大、也能提高圖片視頻的信噪比，實現(xiàn)高質(zhì)量存儲。除此之外，還可制成磁性銀行卡、磁性車票、磁性鑰匙等等，使納米科技帶給人們更加便捷的生活，大大提升人們的幸福感。

3.5 在人體防護(hù)中的應(yīng)用

在當(dāng)今社會，電子技術(shù)迎來了前所未有的高潮期，各種電子產(chǎn)品層出不窮、琳瑯滿目，分布在人們生活的各個方面，手機(jī)、電腦、平板成為必需品。但過度使用這些電子產(chǎn)品，其中的電磁輻射對人體造成巨大損害，但由于生活所需和有些工作的特殊性，每天需要長時間使用這些電子設(shè)備，因此制造出防護(hù)產(chǎn)品也就刻不容緩。Deng 等人[13]多年來致力于納米吸波材料的研究，發(fā)現(xiàn)納米吸波材料可以很大程度的隔絕電磁輻射帶來的危害。將這種納米吸波材料與服裝相融合，制出可以防輻射的衣服，讓人們在享受電子技術(shù)帶來便利的同時，也能保護(hù)身體健康。

4 結(jié)語

納米材料的應(yīng)用貫穿于我們生活的方方面面，如何利用好這把“萬能鑰匙”造福人類，是需要長時間研究的重要課題。在生機(jī)勃勃的21 世紀(jì)，信息科技、環(huán)境保護(hù)、國防軍事的高速發(fā)展對新型材料的研發(fā)提出了更高的要求；器件的微型化趨勢對材料的尺寸提出了越來越高的要求；航天航空、軍事裝備制造對材料的性能要求也越來越高，而新型納米材料在其中起著不可迭代的關(guān)鍵作用。新型納米材料的研究重點聚焦到了材料的高性能和微型化上；在材料前驅(qū)體中加入納米顆粒，使其性能特異化，利用納米材料包覆藥物進(jìn)行疾病治療等。納米科學(xué)技術(shù)與其他學(xué)科相互滲透，是最具前沿性的交叉學(xué)科，充分發(fā)掘納米材料的巨大潛力，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人類進(jìn)步，乃至社會文明繁榮發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。