時(shí)間:2023-03-21 17:09:29
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純金屬鋅及其氧化物和不同納米Au修飾量的金屬鋅及其氧化物的紫外可見(jiàn)光譜??梢钥闯?,波長(zhǎng)為368nm處出現(xiàn)一個(gè)比較強(qiáng)的金屬鋅及其氧化物吸收峰。在525nm處出現(xiàn)較寬的納米Au的吸收峰[4]。納米Au的吸收峰隨Au含量的變大而不斷變強(qiáng),還伴隨顯著的紅移現(xiàn)象[5]??赡苁且?yàn)锳u和金屬鋅及其氧化物之間的相互作用,致使納米Au的吸收峰產(chǎn)生了顯著的紅移現(xiàn)象,可能給金屬鋅及其氧化物材料的氣敏特性有重要作用。圖2是純金屬鋅及其氧化物和不同納米Au修飾量的金屬鋅及其氧化物的XRD譜圖。可以看出,譜線中存在很明顯的六方相特征衍射峰,和金屬鋅及其氧化物的晶面吻合[6]。另外,加入納米Au修飾量的金屬鋅及其氧化物譜線出現(xiàn)新的衍射峰,其峰位與立方相Au的晶面一一對(duì)應(yīng)。納米Au修飾量的衍射峰隨著Au含量的變大而不斷的變強(qiáng)。圖3是純金屬鋅及其氧化物和納米Au修飾量在為10%時(shí)的金屬鋅及其氧化物的SEM形貌??梢钥闯?,金屬鋅及其氧化物是由大量向外輻射分布的六棱錐納米分枝構(gòu)成的復(fù)雜的花型結(jié)構(gòu)。金屬鋅及其氧化物的六棱錐分枝的表面比較光滑。金屬鋅及其氧化物的表面上均勻的分布著納米Au粒子,金屬鋅及其氧化物的六棱錐分枝的表面出現(xiàn)了粗化的現(xiàn)象。這種粗化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致表面缺陷的增加,對(duì)金屬鋅及其氧化物材料氣敏特性有積極作用。
2金屬鋅及其氧化物的氣敏特性
圖4是純金屬鋅及其氧化物和不同納米Au修飾量的金屬鋅及其氧化物氣敏元件,在不同溫度下對(duì)100μg/g丙酮的靈敏度圖線。可以看出,納米Au粒子可以有效地提高金屬鋅及其氧化物材料的靈敏氧化物對(duì)丙酮的選擇性非常好,可以滿(mǎn)足實(shí)際的丙酮?dú)怏w檢測(cè)要求。另外,材料各種氣體的響應(yīng)程度隨氣體濃度的增加基本呈線性逐漸變大。
圖5為金屬鋅及其氧化物對(duì)不同氣體的響應(yīng)恢復(fù)動(dòng)態(tài)曲線和靈敏度??梢钥闯?,材料對(duì)還原性氣體的靈敏度較高。另外,材料對(duì)丙酮的靈敏度比氫氣、甲醛、苯和乙醇高得多,這說(shuō)明Au修飾后金屬鋅及其氧化物對(duì)丙酮的選擇性非常好,可以滿(mǎn)足實(shí)際的丙酮?dú)怏w檢測(cè)要求。另外,材料各種氣體的響應(yīng)程度隨氣體濃度的增加基本呈線性逐漸變大。
3結(jié)論
1微乳反應(yīng)器原理
在微乳體系中,用來(lái)制備納米粒子的一般是W/O型體系,該體系一般由有機(jī)溶劑、水溶液?;钚詣⒅砻婊钚詣?個(gè)組分組成。常用的有機(jī)溶劑多為C6~C8直鏈烴或環(huán)烷烴;表面活性劑一般有AOT[2一乙基己基]磺基琥珀酸鈉]。AOS、SDS(十二烷基硫酸鈉)、SDBS(十六烷基磺酸鈉)陰離子表面活性劑、CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)陽(yáng)離子表面活性劑、TritonX(聚氧乙烯醚類(lèi))非離子表面活性劑等;助表面活性劑一般為中等碳鏈C5~C8的脂肪酸。
W/O型微乳液中的水核中可以看作微型反應(yīng)器(Microreactor)或稱(chēng)為納米反應(yīng)器,反應(yīng)器的水核半徑與體系中水和表面活性劑的濃度及種類(lèi)有直接關(guān)系,若令W=[H2O/[表面活性劑],則由微乳法制備的納米粒子的尺寸將會(huì)受到W的影響。利用微膠束反應(yīng)器制備納米粒子時(shí),粒子形成一般有三種情況(可見(jiàn)圖1、2、3所示)。
(l)將2個(gè)分別增溶有反應(yīng)物A、B的微乳液混合,此時(shí)由于膠團(tuán)顆粒間的碰撞,發(fā)生了水核內(nèi)物質(zhì)的相互交換或物質(zhì)傳遞,引起核內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。由于水核半徑是固定的,不同水核內(nèi)的晶核或粒子之間的物質(zhì)交換不能實(shí)現(xiàn),所以水核內(nèi)粒子尺寸得到了控制,例如由硝酸銀和氯化鈉反應(yīng)制備氯化鈉納粒。
(2)一種反應(yīng)物在增溶的水核內(nèi),另一種以水溶液形式(例如水含肼和硼氫化鈉水溶液)與前者混合。水相內(nèi)反應(yīng)物穿過(guò)微乳液界面膜進(jìn)入水核內(nèi)與另一反應(yīng)物作用產(chǎn)生晶核并生長(zhǎng),產(chǎn)物粒子的最終粒徑是由水核尺寸決定的。例如,鐵,鎳,鋅納米粒子的制備就是采用此種體系。
(3)一種反應(yīng)物在增溶的水核內(nèi),另一種為氣體(如O2、NH3,CO2),將氣體通入液相中,充分混合使兩者發(fā)生反應(yīng)而制備納米顆粒,例如,Matson等用超臨界流體一反膠團(tuán)方法在AOT一丙烷一H2O體系中制備用Al(OH)3膠體粒子時(shí),采用快速注入干燥氨氣方法得到球形均分散的超細(xì)Al(OH)3粒子,在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,可根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)選用相應(yīng)的模式。
2微乳反應(yīng)器的形成及結(jié)構(gòu)
和普通乳狀液相比,盡管在分散類(lèi)型方面微乳液和普通乳狀液有相似之處,即有O/W型和W/O型,其中W/O型可以作為納米粒子制備的反應(yīng)器。但是微乳液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的體系,它的形成是自發(fā)的,不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技術(shù)要求不高,并且液滴粒度可控,實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單且操作容易,所以微乳反應(yīng)器作為一種新的超細(xì)顆粒的制備方法得到更多的研究和應(yīng)用。
2.1微乳液的形成機(jī)理
Schulman和Prince等提出瞬時(shí)負(fù)界面張力形成機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為:油/水界面張力在表面活性劑存在下將大大降低,一般為l~10mN/m,但這只能形成普通乳狀液。要想形成微乳液必須加入助表面活性劑,由于產(chǎn)生混合吸附,油/水界面張力迅速降低達(dá)10-3~10-5mN/m,甚至瞬時(shí)負(fù)界面張力Y<0。但是負(fù)界面張力是不存在的,所以體系將自發(fā)擴(kuò)張界面,表面活性劑和助表面活性劑吸附在油/水界面上,直至界面張力恢復(fù)為零或微小的正值,這種瞬時(shí)產(chǎn)生的負(fù)界面張力使體系形成了微乳液。若是發(fā)生微乳液滴的聚結(jié),那么總的界面面積將會(huì)縮小,復(fù)又產(chǎn)生瞬時(shí)界面張力,從而對(duì)抗微乳液滴的聚結(jié)。對(duì)于多組分來(lái)講,體系的Gibbs公式可表示為:
--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi
(式中γ為油/水界面張力,Гi為i組分在界面的吸附量,ui為I組分的化學(xué)位,Ci為i組分在體相中的濃度)
上式表明,如果向體系中加入一種能吸附于界面的組分(Г>0),一般中等碳鏈的醇具有這一性質(zhì),那么體系中液滴的表面張力進(jìn)一步下降,甚至出現(xiàn)負(fù)界面張力現(xiàn)象,從而得到穩(wěn)定的微乳液。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)一些雙鏈離子型表面活性劑如AOT和非離子表面活性劑則例外,它們?cè)跓o(wú)需加入助表面活性劑的情況下也能形成穩(wěn)定的微乳體系,這和它們的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。
2.2微乳液的結(jié)構(gòu)
RObbins,MitChell和Ninham從雙親物聚集體的分子的幾何排列角度考慮,提出了界面膜中排列的幾何排列理論模型,成功地解釋了界面膜的優(yōu)先彎曲和微乳液的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
目前,有關(guān)微乳體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究方法獲得了較大的發(fā)展,較早采用的有光散射、雙折射、電導(dǎo)法、沉降法、離心沉降和粘度測(cè)量法等;較新的有小角中子散射和X射線散射、電子顯微鏡法。正電子湮滅、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熒光探針?lè)?、NMR、ESR(電子自旅共振)、超聲吸附和電子雙折射等。
3微乳反應(yīng)器的應(yīng)用――納米顆粒材料的制備
3.1納米催化材料的制備
利用W/O型微乳體系可以制備多相反應(yīng)催化劑,Kishida。等報(bào)道了用該方法制備
Rh/SiO2和Rh/ZrO2載體催化劑的新方法。采用NP-5/環(huán)已烷/氯化銠微乳體系,非離子表面活性劑NP-5的濃度為0.5mol/L,氯化銠在溶液中濃度為0.37mol/L,水相體積分?jǐn)?shù)為0.11。25℃時(shí)向體系中加入還原劑水含肼并加入稀氨水,然后加入正丁基醇鋯的環(huán)乙烷溶液,強(qiáng)烈攪拌加熱到40℃而生成淡黃色沉淀,離心分離和乙醇洗滌,80℃干燥并在500℃的灼燒3h,450℃下用氧氣還原2h,催化劑命名為“ME”。通過(guò)性能檢測(cè),該催化劑活性遠(yuǎn)比采用浸漬法制得的高。
3.2無(wú)機(jī)化合物納粒的制備
利用W/O型微乳體系也可以制備無(wú)機(jī)化合物,鹵化銀在照像底片乳膠中應(yīng)用非常重要,尤其是納米級(jí)鹵化銀粒子。用水一AOT一烷烴微乳體系合成了AgCl和AgBr納米粒子,AOT濃度為0.15mol/L,第一個(gè)微乳體系中硝酸銀為0.4mol/L,第二個(gè)微乳體系中NaCl或NaBr為0.4mol/L,混合兩微乳液并攪拌,反應(yīng)生成AgCl或AgBr納米顆粒。
又以制備CaCO3為例,微乳體系中含Ca(OH)2,向體系中通入CO2氣體,CO2溶入微乳液并擴(kuò)散,膠束中發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3顆粒,產(chǎn)物粒徑為80~100nm。
3.3聚合物納粒的制備
利用W/O型微乳體系可以制備有機(jī)聚丙烯酸胺納粒。在20mlAOTt――正己烷溶液中加入0.1mlN-N一亞甲基雙丙烯酰胺(2mg/rnl)和丙烯酰胺(8mg/ml)的混合物,加入過(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑,在氮?dú)獗Wo(hù)下聚合,所得產(chǎn)物單分散性較好。
3.4金屬單質(zhì)和合金的制備
利用W/O型微乳體系可以制備金屬單質(zhì)和合金,例如在AOT-H2O-n―heptane體系中,一種反相微膠束中含有0.lmol/LNiCl2,另一反相微膠束中含有0.2mol/LNaBH4,混合攪拌,產(chǎn)物經(jīng)分離、干燥并在300℃惰性氣體保護(hù)下結(jié)晶可得鎳納米顆粒。在某微乳體系中含有0.0564mol/L,F(xiàn)eC12和0.2mol/LNiCl2,另一體系中含有0.513mol/LNaBH4溶液,混合兩微乳體系進(jìn)行反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)庚烷、丙酮洗滌,可以得到Fe-Ni合金微粒(r=30nm)。
3.5磁性氧化物顆粒的制備
利用W/O型微乳體系可以制備氧化物納米粒子,例如在AOT-H2O-n-h(huán)eptane體系中,一種乳液中含有0.15mol/LFeCl2和0.3mol/LFeCl3,另一體系中含有NH4OH,混合兩種微乳液充分反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)離心,用庚烷、丙酮洗滌并干燥,可以得到Fe3O4納粒(r=4nm)。
3.6高溫超導(dǎo)體的制備
利用W/O型微乳體系可以合成超導(dǎo)體,例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳體系中,一個(gè)含有機(jī)釔、鋇和銅的硝酸鹽的水溶液,三者之比為1:2:3;另一個(gè)含有草酸銨溶液作為水相,混合兩微乳液,產(chǎn)物經(jīng)分離,洗滌,干燥并在820℃灼燒2h,可以得到Y(jié)-Ba-Cu―O超導(dǎo)體,該超導(dǎo)體的Tc為93K。另外在陰離子表面活性劑IgegalCO-430微乳體系中,混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的鹽及草酸鹽溶液,最終可以制得Bi-Pb-Sr-Ca-Cu―O超導(dǎo)體,經(jīng)DC磁化率測(cè)定,可知超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度為T(mén)c=112K,和其它方法制備的超導(dǎo)體相比,它們顯示了更為優(yōu)越的性能。
目前對(duì)納米顆粒材料的研究方法比較多,較直接的方法有電鏡觀測(cè)(SEM、TEM、STEM、STM等);間接的方法有電子、X一射線衍射法(XRD),中子衍射,光譜方法有EXAFS,NEXAFS,SEX-AFS,ESR,NMR,紅外光譜,拉曼光譜,紫外一可見(jiàn)分光光度法(UV-VIS),熒光光譜及正電子湮沒(méi),動(dòng)態(tài)激光光散射(DLS)等。
【關(guān)鍵詞】納米材料;納米技術(shù);應(yīng)用
有人曾經(jīng)預(yù)測(cè)在21世紀(jì)納米技術(shù)將成為超過(guò)技術(shù)和基因技術(shù)的“決定性技術(shù)”,由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國(guó)相繼投入巨資進(jìn)行,美國(guó)從2000年啟動(dòng)了國(guó)家納米計(jì)劃,國(guó)際納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議自1992年以來(lái)每?jī)赡暾匍_(kāi)一次,與納米技術(shù)有關(guān)的國(guó)際期刊也很多。
一、納米材料的特殊性質(zhì)
納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑,導(dǎo)致了高擴(kuò)散率,它對(duì)蠕變,超塑性有顯著,并使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)、燒結(jié)溫度降低、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性增強(qiáng)。因此納米材料所表現(xiàn)的力、熱、聲、光、電磁等性質(zhì),往往不同于該物質(zhì)在粗晶狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)出的性質(zhì)。與傳統(tǒng)晶體材料相比,納米材料具有高強(qiáng)度——硬度、高擴(kuò)散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學(xué)性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁記錄、特殊導(dǎo)體、分子篩、超微復(fù)合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結(jié)助劑、劑等領(lǐng)域。
(一)力學(xué)性質(zhì)
高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低,位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大,增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大,所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生,這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年,由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的原因其力學(xué)強(qiáng)度一直難以有大的提高。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí),其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高,使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。
(二)磁學(xué)性質(zhì)
當(dāng)代機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)的磁記錄密度超過(guò)1.55Gb/cm2,在這情況下,感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%,已不能滿(mǎn)足需要,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%,可以用于信息存儲(chǔ)的磁電阻讀出磁頭,具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤(pán)的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場(chǎng)間存在近似線性的關(guān)系,所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對(duì)可見(jiàn)光具有良好的透射率,對(duì)可見(jiàn)光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多,而且對(duì)紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級(jí),磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)量級(jí),從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。
(三)電學(xué)性質(zhì)
由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大,納米材料的電阻高于同類(lèi)粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變(SIMIT)。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫(kù)侖堵塞效應(yīng)制成的納米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn),有可能在不久的將來(lái)全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管,表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性,成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進(jìn)展,已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。
(四)熱學(xué)性質(zhì)
納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類(lèi)粗晶材料和非晶體材料的值,這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對(duì)太陽(yáng)光有強(qiáng)烈的吸收作用,從而有效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能。
(五)光學(xué)性質(zhì)
納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)。與入射光有交互作用,光透性可以通過(guò)控制粒徑和氣孔率而加以精確控制,在光感應(yīng)和光過(guò)濾中廣泛。由于量子尺寸效應(yīng),納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜一般存在藍(lán)移現(xiàn)象,其光吸收率很大,所以可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。
(六)生物醫(yī)藥材料應(yīng)用
納米粒子比紅血細(xì)胞(6~9nm)小得多,可以在血液中自由運(yùn)動(dòng),如果利用納米粒子研制成機(jī)器人,注入人體血管內(nèi),就可以對(duì)人體進(jìn)行全身健康檢查和,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物等,還可吞噬病毒,殺死癌細(xì)胞。在醫(yī)藥方面,可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的輸運(yùn)更加方便。
二、納米技術(shù)現(xiàn)狀
在歐美日上已有多家廠商相繼將納米粉末和納米元件產(chǎn)業(yè)化,我國(guó)也在國(guó)際環(huán)境下創(chuàng)立了一(下轉(zhuǎn)第37頁(yè))(上接第26頁(yè))些影響不大的納米材料開(kāi)發(fā)公司。美國(guó)2001年通過(guò)了“國(guó)家納米技術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃(NationalTechnologyInitiative)”,年度撥款已達(dá)到5億美圓以上。美國(guó)戰(zhàn)略的重點(diǎn)已由過(guò)去的國(guó)家通信基礎(chǔ)構(gòu)想轉(zhuǎn)向國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃。布什總統(tǒng)上臺(tái)后,制定了新的納米技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo):到2010年在全國(guó)培養(yǎng)80萬(wàn)名納米技術(shù)人才,納米技術(shù)創(chuàng)造的GDP要達(dá)到萬(wàn)億美圓以上,并由此提供200萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位。2003年,在美國(guó)政府支持下,英特爾、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立中心,在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產(chǎn)線。許多大學(xué)也相繼建立了一系列納米技術(shù)研究中心。在商業(yè)上,納米技術(shù)已經(jīng)被用于陶瓷、金屬、聚合物的納米粒子、納米結(jié)構(gòu)合金、著色劑與化妝品、元件等的制備。
目前美國(guó)在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術(shù)、納米基礎(chǔ)等多方面處于世界領(lǐng)先地位。歐洲在涂層和新儀器應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位。早在“尤里卡計(jì)劃”中就將納米技術(shù)研究納入其中,現(xiàn)在又將納米技術(shù)列入歐盟2002——2006科研框架計(jì)劃。日本在納米設(shè)備和強(qiáng)化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)地位。日本政府把納米技術(shù)列入國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略4大重點(diǎn)領(lǐng)域,加大預(yù)算投入,制定了宏偉而嚴(yán)密的“納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”。日本的各個(gè)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和界也紛紛以各種方式投入到納米技術(shù)開(kāi)發(fā)大潮中來(lái)。
在上世紀(jì)80年代,將納米材料列入國(guó)家“863計(jì)劃”、和國(guó)家基金項(xiàng)目,投資上億元用于有關(guān)納米材料和技術(shù)的研究項(xiàng)目。但我國(guó)的納米技術(shù)水平與歐美等國(guó)的差距很大。目前我國(guó)有50多個(gè)大學(xué)20多家研究機(jī)構(gòu)和300多所企業(yè)從事納米研究,已經(jīng)建立了10多條納米技術(shù)生產(chǎn)線,以納米技術(shù)注冊(cè)的公司100多個(gè),主要生產(chǎn)超細(xì)納米粉末、生物化學(xué)納米粉末等初級(jí)產(chǎn)品。
三、前景展望
經(jīng)過(guò)幾十年對(duì)納米技術(shù)的研究探索,現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室操縱單個(gè)原子,納米技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤4大領(lǐng)域高速發(fā)展??梢灶A(yù)測(cè):不久的將來(lái)納米金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復(fù)合物、納米光子晶體將應(yīng)運(yùn)而生;用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學(xué)組裝機(jī)將投入應(yīng)用;分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機(jī)器人、集成生物化學(xué)傳感器等將被研究制造出來(lái)。
納米技術(shù)目前從整體上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段,但從的角度看:上世紀(jì)70年代重視微米科技的國(guó)家如今都已成為發(fā)達(dá)國(guó)家。當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國(guó)家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國(guó)家。納米技術(shù)對(duì)我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究,為我國(guó)在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)人類(lèi)將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革。
關(guān)鍵詞:納米技術(shù);新型建材;應(yīng)用;前景
一、納米涂料的應(yīng)用
通常傳統(tǒng)的涂料都存在懸浮穩(wěn)定性差,耐老化、耐洗刷性差,光潔度不夠等缺陷。而納米涂料則能較好的解決這一問(wèn)題,納米涂料具有下述優(yōu)越的性能:(1)具有很好的伸縮性,能夠彌蓋墻體細(xì)小裂縫,具有對(duì)微裂縫的自修復(fù)作用。(2)具有很好的防水性,抗異物粘附、沾污性能,抗堿、耐沖刷性。(3)具有除臭、殺菌、防塵以及隔熱保溫性能。(4)納米涂料的色澤鮮艷柔和,手感柔和,漆膜平整,改善建筑的外觀等。
雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)納米涂料的研究還處在初步階段,但是已在工程上得到了較廣泛的應(yīng)用,如北京納美公司生產(chǎn)的納米系列涂料已大量應(yīng)用于北京建欣苑、建東苑等住宅區(qū)的外墻粉刷,效果良好。在首體改造工程中,使用納米涂料1700噸,涂刷6萬(wàn)平方米。復(fù)旦大學(xué)教育部先進(jìn)涂料工程研究中心的專(zhuān)家已研發(fā)出了“透明隔熱玻璃涂料”。
二、納米水泥的應(yīng)用
普通水泥混凝土因其剛性較大而柔性較小,同時(shí)其自身也存在一些固有的缺陷,使其在使用過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生開(kāi)裂并破壞。為了解決這一問(wèn)題就必須加速對(duì)具有特殊性能混凝土的研發(fā),而納米混凝土就能有效的解決這樣問(wèn)題,納米混凝土,與普通混凝土相比,納米混凝土的強(qiáng)度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有顯著提高,同時(shí)還具有防水、吸聲、吸收電磁波等性能,因而可用于一些特殊的建筑設(shè)施中(如國(guó)防設(shè)施)。通常在普通混凝土中加入納米礦粉(納米級(jí)SiO2、納米級(jí)CaCO3)或者納米金屬粉末已達(dá)到納米混凝土的性能,而且通過(guò)改變納米材料的摻量還能配置出防水砂漿等。目前開(kāi)發(fā)研制的納米水泥材料包括納米防水復(fù)合水泥,納米敏感水泥、納米環(huán)保復(fù)合水泥以及納米隱身復(fù)合水泥。
納米防水水泥是通過(guò)在水泥中添加X(jué)PM水泥外加劑的納米材料而制成的,該納米外加劑摻入水泥后,可以加快水泥誘導(dǎo)期和加速期的水化反應(yīng),改善水泥凝固的三維結(jié)構(gòu),同時(shí)提高水泥石的密實(shí)度,增強(qiáng)了防水性能。
納米敏感水泥是在水泥中加入對(duì)周?chē)h(huán)境變化十分敏感的納米材料,從而達(dá)到改善水泥制品溫敏、濕敏、氣敏、力敏等性能。根據(jù)添加的敏感材料的不同可將納米敏感水泥用于化工廠的建設(shè)、高速路面的鋪設(shè)等。
納米環(huán)保復(fù)合水泥是利用納米材料的光催化功能,從而使水泥制品具有殺菌、除臭以及表面自清潔等功能。通常是選用TiO2作為納米添加劑。
納米隱身復(fù)合材料是通過(guò)使用具有吸收電磁波功能的納米材料(納米金屬粉居多),在電磁波照射時(shí),納米材料的表面效應(yīng)使得原子與電子運(yùn)動(dòng)加劇,促使電子能轉(zhuǎn)化為熱能,加強(qiáng)對(duì)電磁波的吸收,從何使材料能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)避開(kāi)雷達(dá)、紅外光的偵查,這一材料常用于軍事國(guó)防建筑等。
三、納米玻璃的應(yīng)用
普通玻璃在使用過(guò)程中會(huì)吸附空氣中的有機(jī)物,形成難以清洗的有機(jī)污垢,同時(shí),水在玻璃上易形成水霧,影響可見(jiàn)度和反光度。而通過(guò)在平板玻璃的兩面鍍制一層TiO2納米薄膜形成的納米玻璃,則能有效的解決上述缺陷,同時(shí)TiO2光催化劑在陽(yáng)光作用下,可以分解甲醛、氨氣等有害氣體。此外納米玻璃具有非常好的透光性以及機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。將這種玻璃用作屏幕玻璃、大廈玻璃、住宅玻璃等可免去麻煩的人工清洗過(guò)程。
四、納米技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用
陶瓷因其具有較好的耐高溫以及抗腐蝕性以及良好的外觀性能而在工程界得到了廣泛的應(yīng)用(如鋪貼墻面的瓷磚),但是陶瓷易發(fā)生脆性破壞,因而在使用過(guò)程中也受到了一定的限制。使用納米材料開(kāi)發(fā)研制的納米陶瓷則具有良好的塑性性能,能夠吸收一定量的外來(lái)能量。在陶瓷基中加入納米級(jí)的金屬碳化物纖維可以大大提高陶瓷的強(qiáng)度,同時(shí)具有良好的抗燒蝕性,火箭噴氣口的耐高溫材料就選用納米金屬陶瓷作為耐高溫材料。用納米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、耐磨性、低溫超塑性、抗冷熱疲勞等性能優(yōu)點(diǎn)。納米陶瓷將作為防腐、耐熱、耐磨的新材料在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì),具有非常廣闊的應(yīng)用。
五、納米技術(shù)在防護(hù)材料中的應(yīng)用
通常是在膠料中加入炭黑等以提高材料的防水性能,但這種材料的耐腐蝕性以及耐侯性較差,易老化,研制具有高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在積極研究的問(wèn)題,納米防水材料能夠很好滿(mǎn)足上述要求,北京建筑科學(xué)研究院就成功的研制了具有較好耐老化性能的納米防水卷材,該類(lèi)防水卷材具有很好的強(qiáng)度、韌性、抗老化性以及光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等。納米防水卷材具有叫廣泛的應(yīng)用前景,如建筑頂面、地下室、衛(wèi)生間、水利堤壩以及防潛工程等。
六、納米保溫材料
隨著我國(guó)推行節(jié)能減排的方針,工程界也越來(lái)越注重建筑的保溫節(jié)能性能,我國(guó)目前使用的比較多的仍是聚氨酯、石棉等傳統(tǒng)隔熱保溫材料,這些材料在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生一些對(duì)人體有害的物質(zhì),如石棉與纖維制品含有致癌物質(zhì),聚氨酯泡沫燃燒后釋放有毒氣體,而通過(guò)使用納米材料開(kāi)發(fā)研制的保溫材料則能避免這些弊端,如以無(wú)機(jī)硅酸鹽為基料,經(jīng)高溫高壓納米功能材料改性而成的保溫材料不僅具有很好的保溫效果,同時(shí)對(duì)人體也無(wú)損害,是一種綠色環(huán)保保溫材料。
七、納米技術(shù)在其粘合劑以及密封材料和劑方面的應(yīng)用
對(duì)于一些在深海中作業(yè)的結(jié)構(gòu)以及其他特殊環(huán)境下工作的構(gòu)件,它們對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性的要求非常高,已超過(guò)了普通粘合劑和密封劑所能滿(mǎn)足的范圍。國(guó)外通過(guò)在普通粘合劑和密封膠中添加納米SiO2等添加劑,使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性能都大大提高。其工作機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料,使之具有永久性,將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu),即納米SiO2形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠體流動(dòng),提高粘接效果,由于顆粒尺寸小,更增加了膠的密封性。大型建材機(jī)械等主機(jī)工作時(shí)的噪聲達(dá)到上百分貝,用納米材料制成的劑,既能在物體表面形成半永久性的固態(tài)膜,產(chǎn)生根好的作用,大大降低噪聲,又能延長(zhǎng)裝備使用壽命,具有非常好的應(yīng)用前景。
八、結(jié)語(yǔ)
納米技術(shù)作為一門(mén)新興的學(xué)科,被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的技術(shù),是對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù)。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊,納米技術(shù)不僅會(huì)推動(dòng)建材新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),還將為改善人們的生活環(huán)境,提高生活質(zhì)量做出不可估量的貢獻(xiàn)。納米功能材料已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),目前研究開(kāi)發(fā)工作正處于剛剛起步階段,還有很多問(wèn)題還未很好的解決,需要將進(jìn)一步加速對(duì)納米材料的研究以及推廣應(yīng)用。納米材料將成為21世紀(jì)新型建筑材料的發(fā)展新方向,相信在不久的將來(lái),我們將跨入一個(gè)全新的材料時(shí)代—納米材料時(shí)代。
參考文獻(xiàn)
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研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義在于它開(kāi)辟了人們認(rèn)識(shí)自然的新層次,是知識(shí)創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度(1~100urn)與物質(zhì)中的許多特征長(zhǎng)度,如電子的德布洛意波長(zhǎng)、超導(dǎo)相干長(zhǎng)度、隧穿勢(shì)壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當(dāng),從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子,也不同于宏觀物體,從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識(shí)的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,認(rèn)識(shí)新規(guī)律,提出新概念,建立新理論,為構(gòu)筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ),也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)涵。世紀(jì)之交高韌性納米陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題;納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元(零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲)的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn),人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。
1研究形狀和趨勢(shì)
納米材料制備和應(yīng)用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù),帶動(dòng)納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀(jì)之交世界先進(jìn)國(guó)家都從未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略高度重新布局納米材料研究,在千年交替的關(guān)鍵時(shí)刻,迎接新的挑戰(zhàn),抓緊納米材料和柏米結(jié)構(gòu)的立項(xiàng),迅速組織科技人員圍繞國(guó)家制定的目標(biāo)進(jìn)行研究是十分重要的。
納米材料誕生州多年來(lái)所取得的成就及對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進(jìn)入90年代,納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大,領(lǐng)域逐漸拓寬。一個(gè)突出的特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接十分緊密,實(shí)驗(yàn)室成果的轉(zhuǎn)化速度之快出乎人們預(yù)料,基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都取得了重要的進(jìn)展。美國(guó)已成功地制備了晶粒為50urn的納米Cu的決體材料,硬度比粗晶Cu提高5倍;晶粒為7urn的Pd,屈服應(yīng)力比粗晶Pd高5倍;具有高強(qiáng)度的金屬間化合物的增塑問(wèn)題一直引起人們的關(guān)注,晶粒的納米化為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了希望,納米金屬間化合物 FqsAJZCr室成果的轉(zhuǎn)化,到目前為止,已形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的幾家納米粉體產(chǎn)業(yè),睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區(qū)個(gè)文的易實(shí)他借個(gè)緲陽(yáng)放寬在納米添加功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷改性方面也取得了很好的效果。 加至5億美元。這說(shuō)明納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究熱潮在下一世紀(jì)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持繼續(xù)發(fā)展的勢(shì)頭。
2國(guó)際動(dòng)態(tài)和發(fā)展戰(zhàn)略 斯頓大學(xué)于1998年制備成功量子磁盤(pán),這種磁盤(pán)是由磁性納米棒組成的納米陣列體系,10-”bit/s尺寸的密度已達(dá)109bit/s,美國(guó)商家已組織有關(guān)人員迅速轉(zhuǎn)化,預(yù)計(jì)2005年市場(chǎng)為400億美元。1988年法國(guó)人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng),到1997年巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國(guó)問(wèn)世,在磁存儲(chǔ)、磁記憶和計(jì)算機(jī)讀寫(xiě)磁頭將有重要的應(yīng)用前景。
最近美國(guó)柯達(dá)公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體,預(yù)計(jì)將給彩色印橡帶來(lái)革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量,在未來(lái)市場(chǎng)上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究也使人矚目,正是這些研究使美國(guó)白宮認(rèn)識(shí)到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的源泉,新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎(chǔ)科學(xué)提供了新的機(jī)遇,美國(guó)計(jì)劃在這個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究獨(dú)占“老大”的地位。 為了使中國(guó)科學(xué)院在世紀(jì)之交乃至下一世紀(jì)在納米材料和技術(shù)研究在國(guó)際上占有一席之地,在國(guó)際市場(chǎng)上占有一份額,從前瞻性、戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性來(lái)考慮應(yīng)該成立中國(guó)科學(xué)院納米材料和技術(shù)研究中心,建議北方成立一個(gè)以物質(zhì)科學(xué)中心為基礎(chǔ)的研究中心(包括金屬研究所),在南方建立一個(gè)以合肥地區(qū)中國(guó)科學(xué)院固體物理所和中國(guó)科技大學(xué)為基礎(chǔ)的研究中心,主要任務(wù)是以基礎(chǔ)研究為主,做好基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的銜接和成果的轉(zhuǎn)化。 3國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
我國(guó)納米材料研究始于80年代末,“八五”期間,“納米材料科學(xué)”列入國(guó)家攀登項(xiàng)目。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家教委分別組織了8項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目,組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個(gè)分支領(lǐng)域開(kāi)展工作,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)還資助了20多項(xiàng)課題,國(guó)家“863”新材料主題也對(duì)納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。1996年以后,納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭,地方政府和部分企業(yè)家的介人,使我國(guó)納米材料的研究進(jìn)入了以基礎(chǔ)研究帶動(dòng)應(yīng)用研究的新局面。
目前,我國(guó)有60多個(gè)研究小組,有600多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,其中,承擔(dān)國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的和納米材料研究工作開(kāi)展比較早的單位有:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)。中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué),還有吉林大學(xué)烹北大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)。青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)\華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué) 近年來(lái),我國(guó)在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果,引起了國(guó)際上的關(guān)注。一是大面積定向碳管陣列合成:利用化學(xué)氣相法高效制備純凈碳納米管技術(shù),用這種技術(shù)合成的納米管,孔徑基本一致,約20urn,長(zhǎng)度約100pm,納米管陣列面積達(dá)到 3mmX3mm。其定向排列程度高,碳納米管之間間距為100pm。這種大面積定向納米碳管陣列,在平板顯示的場(chǎng)發(fā)射陰極等方面有著重要應(yīng)用前景。這方面的文章發(fā)表在1996年的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。二是超長(zhǎng)納米碳管制備:首次大批量地制備出長(zhǎng)度為2~3mm的超長(zhǎng)定向碳納米管列陣。這種超長(zhǎng)碳納米管比現(xiàn)有碳納米管的長(zhǎng)度提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。該項(xiàng)成果已發(fā)表于1998年8月出版的英國(guó)《自然》雜志上。英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》以“碳納米管進(jìn)入長(zhǎng)的階段”為題介紹了有關(guān)長(zhǎng)納米管的工作。三是氮化嫁納米棒制備:首次利用碳納米管作模板成功地制備出直徑為3~40urn、長(zhǎng)度達(dá)微米量級(jí)的發(fā)藍(lán)光氮化像一維納米棒,并提出了碳納米管限制反應(yīng)的概念。該項(xiàng)成果被評(píng)為1998年度中國(guó)十大科技新聞之一。四是硅襯底上碳納米管陣列研制成功,推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面和納米器件方面的應(yīng)用。五是唯一維納米絲和納米電纜:應(yīng)用溶膠一凝膠與碳熱還原相結(jié)合的新方法,首次合成了碳化或(TaC)納米絲外包覆 絕緣體SIOZ和 TaC納米絲外包覆石墨的納米電纜,以及以S江納米絲為芯的納米電纜,當(dāng)前在國(guó)際上 僅少數(shù)研究組能合成這種材料。該成果研究論文在瑞典召開(kāi)的1998年第四屆國(guó)際納米會(huì)議宣讀后,許多外國(guó)科學(xué)家給予高度評(píng)價(jià)。六是用苯熱法制備納米氮化像微晶;發(fā)現(xiàn)了非水溶劑熱合成技術(shù),首次在300℃左右制成粒度達(dá)30urn的氮化鋅微晶。還用苯合成制備氮化鉻(CrN)、磷化鉆(COZP)和硫化銻(Sb。S。)納米微晶,在1997年的《科學(xué)》雜志上。七是用催化熱解法制成納米金剛石;在高壓釜中用中溫(70℃)催化熱解法使四氯化碳和鈉反應(yīng)制備出金剛石納米粉,在1998年的《科學(xué)》雜志上。美國(guó)《化學(xué)與工程新聞》雜志還發(fā)表題為“稻草變黃金?從四氯化碳(CC14)制成金剛石”~文,予以高度評(píng)價(jià)。
(一)力學(xué)性質(zhì)
高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低,位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大,增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大,所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生,這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。
(二)磁學(xué)性質(zhì)
當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)的磁記錄密度超過(guò)1.55Gb/cm2,在這情況下,感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%,已不能滿(mǎn)足需要,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%,可以用于信息存儲(chǔ)的磁電阻讀出磁頭,具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。
(三)電學(xué)性質(zhì)
由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大,納米材料的電阻高于同類(lèi)粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變(SIMIT)。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫(kù)侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn),有可能在不久的將來(lái)全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。
(四)熱學(xué)性質(zhì)
納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類(lèi)粗晶材料和非晶體材料的值,這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。
二、納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用
(一)在催化方面的應(yīng)用
催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用,它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低,而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi),使經(jīng)濟(jì)效益難以提高,而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多,為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑,可大大提高反應(yīng)效率,控制反應(yīng)速度,甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10~15倍。
納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑,特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒,可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池,用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí),半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下,電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置,與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。
(二)在涂料方面的應(yīng)用
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性,具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能,顯示出強(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇,使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù),添加納米材料,可獲得納米復(fù)合體系涂層,實(shí)現(xiàn)功能的飛躍,使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性;功能涂層是賦予基體所不具備的性能,從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層,抗氧化、耐熱、阻燃涂層,耐腐蝕、裝飾涂層等;功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層,導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學(xué)涂層,氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料,可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層,可利用其光學(xué)特性,達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料,可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果,產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料,所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子,在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性,因而能起到靜電屏蔽作用,而且氧化物納米微粒的顏色不同,這樣還可以通過(guò)復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色,克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變,還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車(chē)的裝飾噴涂業(yè)中,將納米TiO2添加在汽車(chē)、轎車(chē)的金屬閃光面漆中,能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果,從而使傳統(tǒng)汽車(chē)面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2,可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景,將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命,也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。
(三)在精細(xì)化工方面的應(yīng)用
精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域,產(chǎn)品數(shù)量繁多,用途廣泛,并且影響到人類(lèi)生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)福音,并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域,納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2,可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3,和SiO2,加入到普通橡膠中,可以提高橡膠的耐磨性和介電特性,而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料,可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性,而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。
納米科學(xué)是一門(mén)將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué),主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代,為此,國(guó)家科委、中科院將納米技術(shù)定位為“21世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域,在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生,將對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,并有可能從根本上解決人類(lèi)面臨的許多問(wèn)題,特別是能源、人類(lèi)健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。
論文關(guān)鍵詞:納米材料;化工領(lǐng)域;應(yīng)用
論文摘要:充滿(mǎn)生機(jī)的二十一世紀(jì),以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為主旋律和推動(dòng)力正引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命,節(jié)省資源、合理利用能源、凈化生存環(huán)境是這場(chǎng)工業(yè)革命的核心,納米技術(shù)在生產(chǎn)方式和工作方式的變革中正發(fā)揮重要作用,它對(duì)化工行業(yè)產(chǎn)生的影響是無(wú)法估量的。這里主要介紹納米材料在化工領(lǐng)域中的幾種應(yīng)用。
學(xué)貫中西 赤心報(bào)國(guó)促交流
朱教授作為海外留學(xué)杰出的歸國(guó)人才,2003年回國(guó)以后,為了適應(yīng)納米多學(xué)科交叉研究、聯(lián)合攻關(guān)和相應(yīng)人才培養(yǎng)新需要,他利用自己與澳大利亞和美國(guó)材料領(lǐng)域尤其是納米材料領(lǐng)域科學(xué)家有廣泛的學(xué)術(shù)合作關(guān)系和學(xué)術(shù)聯(lián)系,率先簽署了“中國(guó)―澳大利亞功能納米材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室合作協(xié)議”和“昆士蘭大學(xué)學(xué)術(shù)合作協(xié)議”,創(chuàng)建了我國(guó)目前在功能納米材料前沿領(lǐng)域唯一的中國(guó)-澳大利亞功能納米材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,打造了一個(gè)由院士、教授、副教授、博士后、博士及碩士生組成的研究團(tuán)隊(duì)(包括10余名中國(guó)科學(xué)院院士和澳大利亞聯(lián)邦教授院士組成的實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)),形成了一個(gè)有特色的、多學(xué)科交叉的納米研究國(guó)際合作和研究生聯(lián)合培養(yǎng)(尤其是聯(lián)合授予博士學(xué)位)平臺(tái)。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究方向被集中在當(dāng)前納米材料界的熱點(diǎn)問(wèn)題:通過(guò)非平衡熱力學(xué)過(guò)程來(lái)可控制備、加工、改性、組裝納米結(jié)構(gòu)和器件。以超快過(guò)程新效應(yīng)和納米尺寸新效應(yīng)為理論基礎(chǔ),以非平衡熱力學(xué)過(guò)程為工具,將不同材料整合或改性成一個(gè)全新的納米結(jié)構(gòu)或器件,實(shí)現(xiàn)其全新功能。
朱教授先后聯(lián)合澳洲和美國(guó)科學(xué)家申請(qǐng)合作研究項(xiàng)目10余項(xiàng),聯(lián)合培養(yǎng)研究生10余名,邀請(qǐng)澳洲、美國(guó)等國(guó)知名院士、教授、專(zhuān)家來(lái)華訪問(wèn)、講學(xué)、交流、合作20多人次。共計(jì)實(shí)現(xiàn)了中澳、中美研究人員互訪交流合作近100人次,合作申請(qǐng)專(zhuān)利6項(xiàng),30余篇,相關(guān)合作成果被重點(diǎn)推選在2010上海世博會(huì)澳大利亞-中國(guó)科技周上展示。
聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建與正式成立引起近100家行業(yè)媒體關(guān)注與報(bào)道,標(biāo)志著中澳雙方合作進(jìn)入一個(gè)新的歷史階段。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室將聯(lián)合中澳雙方實(shí)驗(yàn)室技術(shù)力量,進(jìn)一步發(fā)揮中澳雙方實(shí)驗(yàn)室各自的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng),開(kāi)展納米科學(xué)與技術(shù)在生物能源、信息技術(shù)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域中前沿戰(zhàn)略性的研究與應(yīng)用,推動(dòng)和促進(jìn)物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉發(fā)展,為發(fā)展我國(guó)的納米科學(xué)做出貢獻(xiàn)。同時(shí)在促進(jìn)亞太地區(qū)納米研究的國(guó)際交流與合作上扮演重要角色。
兢兢業(yè)業(yè)科研方面結(jié)碩果
1986年,朱教授在中國(guó)科學(xué)院固體物理所開(kāi)始納米材料研究,是中國(guó)為數(shù)不多最早開(kāi)展納米研究的科學(xué)家和國(guó)際功能納米材料領(lǐng)域青年學(xué)術(shù)帶頭人之一。親歷了納米材料科學(xué)和技術(shù)研究三個(gè)發(fā)展階段。在納米材料設(shè)計(jì)、制備、改性及納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面有二十余年的研究經(jīng)驗(yàn)。近十五年在澳大利亞國(guó)立大學(xué)、美國(guó)伊利諾大學(xué)香檳分校、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、杰弗遜國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Univ of Georgia的納米科學(xué)與工程中心及廈門(mén)大學(xué)等單位,用多種非平衡方法制備出納米粒子、納米膜、納米孔、多孔硅、納米球殼有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)、納米線和納米管及其宏觀有序陣列等新型低維納米結(jié)構(gòu)(多種結(jié)構(gòu)屬首次發(fā)現(xiàn)),并對(duì)各種納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了大量系統(tǒng)的電鏡原位和非原位觀察。發(fā)展了納米結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)性新理論。工作得到Nature編委重視和許多位國(guó)際知名同行專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)。
他認(rèn)為,納米結(jié)構(gòu)是一個(gè)非平衡的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu),具有很大不確定性,納米實(shí)驗(yàn)是一個(gè)長(zhǎng)期的、仍需不斷實(shí)踐的過(guò)程,納米研究不能僅停留在其表面現(xiàn)象或被其表面現(xiàn)象所迷惑,而是要深入系統(tǒng)探究其物理本質(zhì)。他首次指出現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具和物理概念原理不再適用于非平衡、非線性、非對(duì)稱(chēng)有序納米現(xiàn)象的描述,納米學(xué)科研究本質(zhì)是對(duì)傳統(tǒng)學(xué)科的不斷挑戰(zhàn)和突破過(guò)程,納米學(xué)科的建立必須是傳統(tǒng)學(xué)科的一個(gè)質(zhì)飛躍,這個(gè)突破飛躍不是依靠個(gè)人就能夠完成的,需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期甚至幾代人學(xué)術(shù)理論、科研實(shí)踐的長(zhǎng)時(shí)間積累。為了能全面系統(tǒng)證明他提出的“納尺寸(nanosize)”和“納時(shí)間(nanotime)”新概念和建立相應(yīng)的納米穩(wěn)定性新的理論體系,他目前手頭已積累大量實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和論文稿件,并沒(méi)有為了一時(shí)的功利和榮譽(yù),而急于發(fā)表。
教書(shū)育人 桃李滿(mǎn)園爭(zhēng)天下
回國(guó)后,朱教授利用自己雙語(yǔ)和國(guó)外經(jīng)歷優(yōu)勢(shì), 每學(xué)年為廈門(mén)大學(xué)開(kāi)設(shè)并承擔(dān)了四門(mén)研究生雙語(yǔ)課程和一門(mén)本科生雙語(yǔ)課程。他已先后指導(dǎo)博士后2名、博士生5名(畢業(yè)一名)、碩士生10余名(畢業(yè)6名)、本科生畢業(yè)論文20余名。并在教學(xué)方面實(shí)現(xiàn)以下改革:1)他提倡培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性,強(qiáng)調(diào)要授予學(xué)生自己得到知識(shí)的方法,而不僅是知識(shí)的傳教;2)他采用中英文相結(jié)合的方式講解,授課形式不僅局限于講解,而且穿插形式靈活多變的學(xué)生自己講座、提問(wèn)和討論;3)他特別注意科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)與融合,通過(guò)教學(xué)研究與自己最新科研成果轉(zhuǎn)換,開(kāi)發(fā)、凝練了內(nèi)容新穎、方法靈活的開(kāi)放式創(chuàng)新性本科和研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程教學(xué)方式,自編課件, 把具基礎(chǔ)性、研究性、前沿性及學(xué)科最新發(fā)展成果引入到教學(xué)中來(lái)。其中, 朱賢方負(fù)責(zé)的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程在2007年獲得福建省省級(jí)精品課程稱(chēng)號(hào),目前正在積極爭(zhēng)取申請(qǐng)國(guó)家省級(jí)精品課程。
朱教授極推動(dòng)和參與了廈門(mén)大學(xué)985工程建設(shè)論證申請(qǐng)、凝聚態(tài)物理省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)申請(qǐng)、校院十一五211工程建設(shè)論證申請(qǐng)、校納米學(xué)科建設(shè)和其他學(xué)科建設(shè)工作。
另外,他以學(xué)術(shù)帶頭人身份申請(qǐng)和組建了廈門(mén)大學(xué)凝聚態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、物理系工程碩士、福建省材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程系一級(jí)博士和碩士授權(quán)點(diǎn)、生物材料系博士和碩士授權(quán)點(diǎn)及電子工程系一級(jí)博士和碩士授權(quán)點(diǎn)、智能型生物醫(yī)用材料團(tuán)隊(duì)及光電子與信息技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。
精勤不倦的他,而今仍?shī)^戰(zhàn)在教育第一線上……