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（二）磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。
（三）电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。
（四）热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。
二、纳米材料在化工行业中的应用
（一）在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
（二）在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
（三）在精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
参考文献:
[1]张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001.
[2]严东生，冯端，材料新星?纳米材料科学,湖南科学技术出版社，1998年.
[3]H.Gleiter(德)著，崔平，方永，葛庭燧译，纳米材料，原子能出版社，1994年.
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1.3碳纳米笼碳纳米笼的结构和形貌多样，具有优异的理化性质。笼状结构的碳纳米颗粒之间存在空隙，很方便填充金属颗粒或其它分子，制备成具有特殊性质的纳米复合材料。由于范德华力的作用，碳纳米颗粒往往团聚严重，不易分散，使得其性质和应用研究受到限制。因此，制备分散性好、性质优异的碳纳米笼颗粒具有重要的意义。碳纳米笼的制备方法包括CVD法、超临界流体法、模板法、激光蒸发法及溶剂热法等。Li等[10]在超临界二氧化碳中，使用二甲苯为原料，在Co/Mo催化剂上沉积制得了碳纳米笼。表征结果表明，制得的碳纳米笼的表面积和孔体积的大小与反应温度和压力有关。在650~750℃之间制得的碳纳米笼直径在10~60nm之间；在650℃和10.34MPa的条件下，制得的碳纳米笼的孔体积为5.8cm3/g，表面积为1240m2/g。Wang等[11]使用乙醇和Fe（CO）5为原料，采用模板法，在600~900℃条件下，制得了碳纳米笼。研究结果表明，制得的碳纳米笼的直径在30~50nm之间，表面积在400~800m2/g之间；其可以分散在水中，几个月都不会团聚。
2应用
2.1催化剂载体碳元素以其特有的成键形式（sp、sp2和sp3）构成了形貌和结构多样的纳米颗粒材料，这类碳纳米材料独特的结构和奇异的物理化学性质赋予其广泛的用途。尤其是碳纳米笼颗粒，在众多的应用中作为催化剂载体而成为催化领域的研究热点之一。Yun等[12]将铂催化剂负载在中空碳纳米球颗粒上，并且催化烯烃加氢反应。结果表明，中空碳纳米球颗粒负载催化剂的催化效果要高于活性炭；考察了碳纳米颗粒的结构对负载铂催化剂催化环己烷脱氢反应性能的影响。杜建平等[13]采用爆炸辅助化学气相沉积法制得了石墨化程度不高，类似球形的碳纳米颗粒。考察了其负载钼催化剂含量对环己烷脱氢反应的催化性能。结果表明，钼含量对环己烷脱氢催化反应有较大影响。钼含量15%时，催化性能最佳。
2.2生物医药与其它维数的纳米材料相比，零维纳米材料除了尺寸小之外，更重要的是其具有较大的比表面积，这使得其表面活性也有所增大。碳纳米颗粒直径越小，处于表面的原子比例就越大，反应活性越高，其对生物组织、细胞伤害就越大；直径越大，其在生物体内的免疫性越强，容易遭到免疫系统的攻击，从而被器官捕获和降解。周兆熊等[14]采用高压均质方法，使用全氟碳纳米颗粒荷载药物地塞米松磷酸钠或醋酸地塞米松。研究结果表明，荷载地塞米松磷酸钠和醋酸地塞米松的全氟碳纳米颗粒直径分别为（224±6）和（236±9）nm。荷载地塞米松磷酸钠和醋酸地塞米松的包封率分别为（66.4±1.0）%和（95.3±1.3）%，首日溶出比率分别为77.2％和23.6％。与不用全氟碳纳米颗粒荷载相比，全氟碳纳米颗粒荷载顺磁性造影剂钆喷酸葡胺可增加信号强16％。因此，全氟碳纳米颗粒荷载药物具有较好的缓释性，能增加磁共振造影剂的信号强度，从而提高其检测灵敏性。
2.3磁性材料安玉良等[15]采用控温还原炭化过程，利用纤维素和硝酸铁为原料，制得了包裹金属的碳纳米颗粒。表征结果表明，该碳纳米颗粒直径分布在20~90nm之间；具有对电磁波的电损耗和磁损耗效应；电损耗角正切值在1.1~1.2之间，磁损耗角正切值在0.45~0.70之间；电损耗角正切值随着频率的增加而增加；这些结果表明碳包覆铁纳米颗粒可以作为较好的电磁材料。陈进等[16]采用电弧放电法制得了包裹铜粒子的碳纳米颗粒，考察了该碳纳米颗粒的导电性能。结果表明，该碳纳米颗粒具有核壳结构，内部为铜粒子核，外部为碳层且石墨化程度较高。该包裹铜粒子的碳纳米颗粒的导电性随着铜含量的增加而增加。当铜含量为80（wt）%时出现突跃。
2.4发光材料荧光碳纳米颗粒是一类较为理想的荧光标记和检测材料。因此，目前制备和研究荧光碳纳米颗粒成为一项受到广泛关注的课题。郭艳等[17]在恒定电压下，利用邻苯二甲酸氢钾、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸盐为电解液，采用电化学刻蚀石墨的方法，制得了带有荧光的碳纳米颗粒。与邻苯二甲酸氢钾和柠檬酸盐的电解液相比，同浓度的乙二胺四乙酸二钠为电解液制得的碳纳米颗粒的荧光最强。荧光强度随某种电解液浓度的减小而降低。研究表明，具有sp2结构的碳簇可能是碳纳米颗粒的发光中心。Bourlinos等[18]利用有机物碳化的方法制得了不具有晶体结构的，直径小于10nm的碳纳米颗粒，其可以发出多种可见光，得到了3%的荧光量子产率。
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1.2器件成型制作
根据上述设计原理，自行加工设计并制作了一套基于压电陶瓷柱的纳米材料拉伸装置，如图2所示。图2a为自制的拉伸装置的图片，由图片可以看出，整套装置的长度小于10cm，在该套仪器上制作了用于粗略调节A端位置的粗调旋钮，在固定端B端固定一条用于力的定量化测量的原子力悬臂梁针尖，在光学显微镜下将纳米线的两端分别固定在A、B两端，逐步调节电源的加载电压，驱动压电陶瓷发生伸长变形，驱动B端运动，实验图像或录像通过光学显微镜上的CCD成像系统传输至电脑上，在电脑上实时监测纳米线拉伸过程中的各个环节。图2b为安装的悬臂梁针尖的光学放大照片。
1.3加载力计算方法
加装了悬臂梁针尖以后，在悬臂梁变形不是很大的情况下（悬臂梁尖端所偏转的角度在5°以下时），施加在样品上的力可以通过以下方法计算出来，图3为悬臂梁受力示意图。假设偏转角度很小（小于5°），则悬臂梁所受到的力F的值可以用式（1）计算：F=KLoSinθ（1）其中，K为悬臂梁的劲度系数，Lo为悬臂梁尖端处距离底端的距离，θ为悬臂梁变形前后悬臂梁现位置与原位置之间的夹角。如果纳米线没有搭载在悬臂梁的最前端，而是搭载在了距离底端为L距离处，则此时纳米线的受力应为：F=K(Lo2/L)Sinθ，（2）此时只需在CCD捕捉到的图像上测量出θ和L的值即可计算出力的大小。
1.4拉伸装置与扫描电子显微镜的耦合
可以将该装置耦合在扫描电镜中进行原位拉伸实验，通过扫描电镜的高分辨成像系统实现纳米尺度的原位实时观测。图4为将该拉伸装置耦合在扫描电镜中的照片，从图中可以看出，由于该装置十分的小巧，可以很方便地耦合在扫描电镜中，利用扫描电镜中的微机械手（图4中黄色尖头所指示）系统还可以实现纳米材料的力、电耦合特性的测试。
2.纳米材料拉伸实例——氧化硅纳
米线力学性能的定量化表征
2.1SiO2纳米线的制备与表征
作为地壳中含量最高的组成部分——氧化硅玻璃，由于其具有非常优越的物理和化学等性能，被广泛地应用在电子、光学等各个领域，可以说随处可见氧化硅玻璃的身影。氧化硅玻璃是经高温液态快速冷却所形成的一种有着非晶态结构的物质，将其加工制成的薄膜、玻璃纤维、玻璃微柱、小颗粒、玻璃悬臂梁等在微电子和纳电子机械系统中常作为元器件使用。但是，氧化硅玻璃有一个比较致命的弱点就是常温下且体材料状态下，表现为典型的脆性断裂[9-10]（氧化硅玻璃的玻璃转变温度高于1100oC[9,11]），导致脆性断裂主要是由其体材料内部存在的缺陷和微裂纹的扩展所致[12]。随着氧化硅玻璃制备的二维薄膜和其他小尺度材料广发应用在各个领域，氧化硅薄膜及维纳尺度氧化硅材料所表现出来的力学行为[13-14]就将影响以上述材料为基本单元的元器件的可靠性能及使用寿命。所以，构建微纳尺度的力学性能检测装置并系统考察该材料在微纳尺度的力学行为就显得尤为迫切，通过该项工作的开展期望对当前纳米器件的设计和开发提供必要且可靠的借鉴。本实验所采用的非晶SiO2纳米线是利用热蒸发一氧化硅粉获得的[15]。从图5a可以看出制备的SiO2纳米线的直径大都为15~50nm。纳米线的长度都在几十微米以上，甚至可以达到几百微米或毫米级别。图5b为TEM下单根SiO2纳米线的照片；图5c为图5b中纳米线的选区电子衍射图，从选区电子衍射图中可以看到，该纳米线为非晶结构特征，利用能谱分析进一步确定了纳米线的成分，如图5d所示。通过能谱分析可以断定该样品中的成分为硅和氧，从图5e给出的定量化分析上得到硅元素和氧元素的原子比大约为1:1.9（主要是由于纳米线内部存在的大量氧空位所致），非常接近1:2。
2.2氧化硅纳米线光学显微镜下的原位拉伸实验
将单根SiO2纳米线的两端分别搭载在纳米材料拉伸装置的样品固定端A、B两端，将拉伸装置放置在光学显微镜下，通过CCD系统实现原位观测，图6为从CCD录得的Movie中截取的系列拉伸照片。通过图6a~图6h，可以将悬臂梁偏转的角度计算出来，从而确定其所受到的力的大小，图6d中悬臂梁发生了角度最大的偏转，偏转角度达到了2.1°，此悬臂梁的总长度为453μm，纳米线搭载点到底端的长度为310μm，该悬臂梁的进度系数为2N/m，则根据公式（2）可计算出此时施加在纳米线上的力约为22.7μN，但是由于光学显微镜分辨率的限制，使得我们不能最终得到纳米线所发生的应变，因此无法给出应力—应变曲线，所以在更进一步的实验中将此纳米材料拉伸装置按照图4所示放入了扫描电镜中，利用扫描电镜高分辨率的成像实现了更高分辨率的原位实验。图7为一套扫描电镜中实现的氧化硅纳米线的拉伸变形实验，根据扫描电镜记录的悬臂梁的偏转角度，可以将每一步中施加在纳米线上的力计算出来，然后根据纳米线的直径及截面积可以将此单根纳米线的应力—应变曲线描绘出来。图8为此单根纳米线的应力—应变曲线图。
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W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。
（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。
（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。
（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。
2微乳反应器的形成及结构
和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。
2．1微乳液的形成机理
Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：
--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi
（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）
上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。
2．2微乳液的结构
RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。
目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。
3微乳反应器的应用――纳米颗粒材料的制备
3．1纳米催化材料的制备
利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备
Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。
3．2无机化合物纳粒的制备
利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。
又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。
3．3聚合物纳粒的制备
利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt――正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。
3．4金属单质和合金的制备
利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n―heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。
3．5磁性氧化物颗粒的制备
利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。
3．6高温超导体的制备
利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu―O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu―O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。
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第二阶段（1994年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。
第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，基保包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。
如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。著名诺贝尔奖金获得者，美国物理学家费曼曾预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子…，那将创造什么样的奇迹”。就像目前用STM操纵原子一样，人工地把纳米微粒整齐排列就是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。美国加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室的科学家在《自然》杂志上，指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见，纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向。
二、纳米材料研究的特点
1、纳米材料研究的内涵不断扩大
第一阶段主要集中在纳米颗粒（纳米晶、纳米相、纳米非晶等）以及由它们组成的薄膜与块体，到第三阶段纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料（包括凝胶和气凝胶），例如气凝胶孔隙率高于90％，孔径大小为纳米级，这就导致孔隙间的材料实际上是纳米尺度的微粒或丝，这种纳米结构为嵌镶、组装纳米微粒提供一个三维空间。纳米管的出现，丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米材料提供了新的机遇。
2．纳米材料的概念不断拓宽
1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构的材料的含意还包括纳米组装体系，该体系除了包含纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，因此，纳米结构材料内涵变得丰富多彩。
3．纳米材料的应用成为人们关注的热点
经过第一阶段和第二阶段研究，人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性，对传统工业和常规产品会产生重要的影响。日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产，据不完全统计，国际上已有20多个纳米材料公司经营粉体生产线，其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的制备技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。纳米材料及其相关的产品从1994年开始已陆续进入市场，所创造的经济效益以20％速度增长。
三、纳米材料的发展趋势
1．加强控制工程的研究
在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究，这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用，它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分，是有利的作用，还是不利的作用更难以判断，这不但给某一现象的解释带来困难，同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响，如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响，这都是控制工程研究亟待解决的问题。国际上近一两年来，纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面：一是纳米颗粒的表面改性，通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度；二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态（连续分布还是孤立分布）来控制量子尺寸效应和渗流效应；三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系（包括有序阵列和无序阵列）来获得所需要的特性。
2．近年来引人注目的几具新动向
（1）纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头。日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅，发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍：多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光；含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光，比多孔Si的最强红光还高出1倍多，250nm波长光激发出极强的蓝光。
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催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来
检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
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磁性纳米材料通过生物学修饰，获得可以捕获食源性致病菌的能力，再利用外界磁场从而达到分离菌体目的。表2总结了近几年磁性纳米材料在分离不同食品基质中食源性致病菌的研究。磁性纳米材料表面使用的修饰物不同，捕获食源性致病菌的方式也不同。
2.1抗原-抗体
基于抗原抗体之间的特异性反应实现食源性致病菌捕获是最常用的方式，已被广泛应用于各种食源性致病菌的分离富集。食源性致病菌相应的抗体也是磁性纳米材料最常用的修饰物。将磁性纳米材料的表面包被相应抗体，利用抗体和细菌表面相应抗原间的特异性结合，将食源性致病菌和磁性纳米粒子连接，致病菌被“磁化”后，在外界磁场的作用下将目标菌从成份复杂的样品液中分离出来，便于后续检测。Varshney等通过生物素-链霉亲和素将抗大肠杆菌抗体包被到磁性纳米粒子的表面，用于捕获牛肉样本中大肠杆菌O157∶H7，捕获效率达94.5%。Yang等用相应抗体修饰氧化铁纳米粒子，结合实时定量聚合酶链式反应，检测牛奶样品中的单增李斯特菌，检测限达452CFU/mL。Ravindranath等分别制备了包被有抗大肠杆菌抗体和抗沙门氏菌抗体的功能化磁性纳米粒子，用于分离鸡尾酒和菠菜牛奶提取液中相应的食源性致病菌，结合红外光谱分析，检测限达104～105CFU/mL。Cheng等使用抗大肠杆菌O157∶H7抗体包被的磁性纳米粒子分离牛奶中的大肠杆菌O157∶H7，结合三磷酸腺苷生物发光分析，检测限达20CFU/mL。Wang等制备了两种特异性抗体共修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于同时分离菠菜中的沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，结合表面增强拉曼散射分析，检测限达103CFU/mL。
2.2黏附素（凝集素）-受体（糖类）
很多细菌会在其表面表达黏附素，它们能与宿主细胞表面相应受体结合，从而使细菌黏附在宿主细胞上。致病菌黏附宿主上皮细胞的机制与多种糖类有关。例如，大肠杆菌的表面可以表达产生多种黏附素，它们可以黏附宿主上皮细胞上的半乳糖、葡萄糖、果糖、岩藻糖、甘露糖和蔗糖等。利用黏附素与受体结合的性质，经凝集素或糖类修饰的磁性纳米粒子可特异性地结合相应的食源性致病菌。EI-Boubbou等用D-甘露糖修饰的磁性纳米粒子分离大肠杆菌，分离效率达88%以上。作者再结合X射线衍射、透射电镜、热重和红外光谱分析，在5min内即可完成检测，检测限达104个菌体/mL。Payne等用凝集素修饰的BioMag®粒子分离食品基质中的致病菌，结果显示，单增李斯特菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌最低分离起始浓度分别为大于等于10CFU/10g（卡蒙贝尔奶酪）、1CFU/10g（炖牛排）和小于10CFU/10g（生牛肉）。WangYixian等制备了基于凝集素的生物传感器，用于分离检测食品样品中的大肠杆菌O157∶H7，检测限达3×103CFU/mL。
2.3抗生素（万古霉素）
万古霉素是一种糖肽类抗生素，它可以与许多种革兰氏阳性菌形成紧密的连接，其机制是通过细胞壁上的端肽D-Ala-D-Ala的氢键与万古霉素联接。一般认为，由于革兰氏阴性菌外膜的存在，万古霉素不能接触到D-Ala-D-Ala端肽，因而不能识别革兰氏阴性菌。据报道，经万古霉素修饰过的磁性纳米粒子同样可以捕获革兰氏阴性菌，并由透射电子显微镜的照片猜想万古霉素与革兰氏阴性菌连接的机制为细菌外膜上存在缺陷区域，使部分D-Ala-D-Ala端肽暴露给万古霉素。Kell等随后验证了这一猜想。Gu等在FePt磁性纳米粒子表面修饰万古霉素（FePt-Van），从大肠杆菌菌液中分离出菌体后再用透射电镜观察，检测限达15CFU/mL。Kell等制备了万古霉素修饰的磁性纳米粒子用于同时分离水样中革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌，结果显示，不同的致病菌间捕获效率相差很大（7%～88%）。Wan等使用万古霉素修饰的磁性纳米粒子分离磷酸盐缓冲液中添加的海洋型硫还原型细菌（如，脱硫肠状菌属），结合生物传感器，检测限达1.8×104CFU/mL。Choi等在磁性氧化铁纳米粒子表面修饰万古霉素，并用其对临床样本中的细菌进行分离，实验结果发现，革兰氏阳性菌的捕获效率为（84.84±1.70）%，而革兰氏阴性菌的捕获效率为（48.48±1.79）%。Chen等用表面修饰有庆大霉素的磁性纳米粒子用于分离磷酸盐缓冲液中添加的金黄色葡萄球菌，最低分离的细菌浓度为0.5×103CFU/mL。
2.4DNA互补序列
任何细菌都有其特异性的基因片段，该基因片段的互补寡核苷酸片段可以识别样品中的该种细菌。将寡核苷酸片段修饰后的磁性纳米材料用于选择性的分离目标DNA或RNA，再结合PCR鉴定，不仅省去样品的预处理，灵敏度也比普通PCR提高近10倍。Amagliani等用与李斯特菌素O基因序列（hlyA）互补的寡核苷酸链修饰磁性氧化铁纳米粒子分离牛奶样品中的单增李斯特菌的DNA，结合PCR分析，检测限达10CFU/mL。笔者在2010年制备了分别针对单增李斯特菌和沙门氏菌的寡核苷酸修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于分离鱼中单增李斯特菌和沙门氏菌的DNA，结果发现，单增李斯特菌和沙门氏菌的捕获效率分别为（62.5±10.0）%和（70.6±7.0）%。结合多重PCR分析，检测限达1CFU/g。XuHongxia等研究了不同食源性致病菌寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子在致病菌分离中的应用，实验结果发现，该磁性纳米粒子可以快速富集相应致病菌（如，大肠杆菌O157、沙门氏菌等）。笔者进一步研究了同时使用食源性致病菌多个基因的互补寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子分离相应致病菌，结合传感器检测，检测限达6×102CFU/mL。
2.5螯合反应
脂多糖是革兰氏阴性菌外膜的重要组分，其中类脂A有大量的磷酸基团，用金属氧化物（氧化钛、氧化锆或氧化铝）包被磁性纳米粒子，通过金属氧化物与磷酸基团间的螯合反应，可与待测样品中革兰氏阴性菌形成复合物，在外界磁场的作用下可将食源性致病菌从成分复杂的待测液中非选择性分离出来，消除样品基质的干扰。Chen等在磁性氧化铁纳米粒子的表面包被二氧化钛，利用脂多糖和金属氧化物的螯合作用捕获尿样中的大肠杆菌、志贺氏菌和假单胞菌，磁分离富集菌体后经胰蛋白酶水解，再次磁分离除去磁性纳米粒子，最后用基质辅助激光解吸-电离质谱法鉴定蛋白序列，根据蛋白库中的信息确定细菌的种类。该方法是一种快速（耗时15min）、特异性强（可区分两株不同的大肠杆菌）、灵敏（检测限达104个细胞/mL）的分离检测方法。2010年，笔者使用表面修饰有二氧化钛的磁性氧化铁纳米粒子分离细菌混合液中的目标致病菌，随后分离到的致病菌在紫外灯照射下结合二氧化钛的灭菌作用，15min内可以抑制99.9%以上的目标菌的生长。
篇8
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的
精细化工是一个巨大的领域，产品数量繁多，用途广泛，并且到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向，已提到日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
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纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代，英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年，《NanostructuredMaterials》正式出版，标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时，其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来，一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”，我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响，因此，纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(Bui1dingBlocks)，纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法，并对其优劣进行了比较。
二、纳米材料的合成与制备方法
2.1物理制备方法
2.1.1机械法
机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能，通过球磨让物质使材料之间发生界面反应，使大晶粒变为小晶粒，得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉，尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度，使相间传质和微观混合得到极大的加强，从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料，应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。
2.1.2气相法
气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态，然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下，利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体，粒径在30nm—50nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发，使组分偏析最小，一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下，材料极大程度地发生塑性变形，而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道，Φ82mm的Ge在6GPa准静压力作用后，再经850℃热处理，纳米结构开始形成，材料由粒径100nm的等轴晶组成，而温度升至900℃时，晶粒尺寸迅速增大至400nm。
2.1.3磁控溅射法与等离子体法
溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变，化合物的成分不易发生变化。目前，溅射技术已经得到了较大的发展，常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，从而使原料溶液化合蒸发，蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高，能制备难熔的金属或化合物，产物纯度高，在惰性气氛中，等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。
以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法，这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应，因此，在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。
2.2化学制备方法
2.2.1溶胶—凝胶法
溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含N聚合物组成)在溶液中与H2S反应，生成的ZnS颗粒粒度分布窄，且被均匀包覆于聚合物基体中，粒径范围可控制在2nm-5nm之间。MarcusJones等以CdO为原料，通过加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子点，颗粒平均粒径为3.3nm，量子产率(quantumyield，QY)为13.8%。
2.2.2离子液法
离子液作为一种特殊的有机溶剂，具有独特的物理化学性质，如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下，离子液仍具有低挥发性，不易造成环境污染，是一类绿色溶剂。因此，离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺为原料，在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3μm—5μm的Bi2S3纳米花。他们认为溶液的pH值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实，这些纳米花由直径60nm—80nm的纳米线构成，随老化时间的增加，这些纳米线会从母花上坍塌，最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料，以离子液为反应介质，合成了单晶Bi2S3纳米棒。
2.2.3溶剂热法
溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中，通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热，使反应体系形成一个高温高压的环境，从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。Lou等采用单源前驱体Bi[S2P(OC8H17)2]3作反应物，用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi2S3纳米棒，且该方法适于大规模生产。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物为原料，甘油和水为溶剂，采用溶剂热法在高压釜中160℃反应24-72h制得了长达数毫米的Bi2S3纳米带。
2.2.4微乳法
微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域，具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年Hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合，可自发地形成一种热力学稳定体系，体系中的分散相由80nm-800nm的球形或圆柱形颗粒组成，并将这种体系定名微乳液。自那以后，微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982年，Boutonnet等人应用微乳法，制备出Pt、Pd等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料，由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置，在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。
三、结论
纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能，可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展，工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为止，开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分；纳米材料的收集、存放，尤其是纳米材料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发，而且将极大地丰富和发展材料科学领域的基础理论。
参考文献
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篇10
夏熙等利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γMnO2用作碱锰电池正极材料。发现纯度不佳,但与EMD以最佳配比混合,可大大提高第2电子当量的放电容量,也就是可出现混配效应。若制得的纳米γMnO2纯度高时,本身的放电容量即优于EMD。
12掺Bi改性纳米MnO2
夏熙等通过加入Bi2O3合成得到改性MnO2,采用纳米级和微米级改性掺BiMnO2混配的方法,放电容量都有不同程度的提高,并且存在一个最佳配比。通过掺Bi在充放电过程中形成一系列不同价态的BiMn复合物的共还原和共氧化,有效抑制Mn3O4的生成,可极大地改善电极的可充性。
13纳米级α-MnO2
采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米αMnO2,粒径小于50nm,其电化学活性较高,放电容量比常规粒径EMD更大,尤其适于重负荷放电,表现出良好的去极化性能,具有一定的开发和应用潜力。
14纳米级ZnO
碱锰电池中的电液要加入少量的ZnO,以抑制锌负极在电液中的自放电。ZnO在电液中的分散越均匀,越有利于控制自放电。纳米ZnO在我国已应用于医药等方面。由于碱锰电池朝着无汞化发展,采用纳米ZnO是可选择的方法之一。应用的关键是要注意纳米ZnO材料的表面改性问题。
15纳米级In2O3
In2O3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一,目前已开发并生产出无汞碱锰电池用高纯纳米In2O3,该材料具有比表面积大,分散性好,缓蚀效果更佳的特点,应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。
2在MH/Ni电池中的应用
21纳米级Ni(OH)2
周震等人用沉淀转化法制备了纳米级Ni(OH)2,并发现纳米级Ni(OH)2比微米级Ni(OH)2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小,充电效率高,活性物质利用更充分,而且显示出放电电位较高的特点。赵力等人用微乳液法制备纳米βNi(OH)2,粒径为40～70nm。该方法较易控制纳米颗粒粒径大小,并且所制得的纳米材料呈球型或椭球形,适用于某些对颗粒状有特殊要求的场合,如作为氢氧化镍电极的添加剂,按一定比例掺杂,可使Ni(OH)2的利用率显著提高,尤其当放电电流较大时,利用率可提高12%。22纳米晶贮氢合金
陈朝晖等利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶LaNi5[6],平均粒径约20nm,采用该材料制备的电极与粗晶LaNi5制备的电极相比,具有相当的放电容量,更好的活化特性,但其循环寿命较短。
3锂离子电池材料
31阴极材料———纳米LiCoO2
夏熙等用凝胶法制备的纳米LiCoO2,放电容量为103mAh/g,充电容量为109mAh/g,长平台在39V处,有明显提高放电平台的效果,循环稳定性也大为提高,但未见有混配效应。低热固相反应法合成纳米LiCoO2,发现了混配效应:以一定比例与常规LiCoO2进行混配,做成电池测试,充电容量可达132mAh/g,放电容量为125mAh/g,放电平台在39V,由于纳米颗粒增大了比表面积,令Li+更易嵌入和脱出,削弱了极化现象,循环性能比常规LiCoO2明显提高,显示出较好的性能。
32纳米阳极材料
中国科学院成都有机化学研究所“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作取得了阶段性成果。制得的碳纳米管层间距离为034nm,略大于石墨的层间距0335nm,这有利于Li+的嵌入和脱出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入,而且可防止因溶剂化Li+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。实验表明,用该材料作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性。中国科学院金属研究所等用有机物催化热解法制备出单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。他们的研究表明用纳米碳管作为电极,比容量可达到1100mAh/g,且循环性能稳定。香港科技大学用多孔的沸石晶体作载体,首次成功研制出尺寸最小,全球最细且排列规整的04nm单壁纳米碳管,继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。
4电容器材料
由可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统引起了人们的浓厚兴趣,特别是环保电动汽车研究的兴起,这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源,因而可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求,大大延长蓄电池循环使用寿命,从而提高电动汽车的实用性。近年来以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究和作为电极材料的应用,为更高性能的电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。清华大学用催化裂解丙烯和氢气混合气体制备碳纳米管原料,再采用添加粘结剂或高温热压的工艺手段制备碳纳米管固体电极,通过适当的表面处理,制得的碳纳米管电极具有极高的比表面积利用率。用纳米碳管和RuO2的复合电极制备双电层法拉第电容器,在纳米碳管比表面积为150m2/g时,电容量可达20F/g左右。清华大学已经制备出电容量达100F的实验室样品。在充分利用纳米材料的表面特性和中空结构上,纳米碳管是目前最理想的超级电容器材料。
5结束语
篇11
通常传统的涂料都存在悬浮稳定性差，耐老化、耐洗刷性差，光洁度不够等缺陷。而纳米涂料则能较好的解决这一问题，纳米涂料具有下述优越的性能:(1)具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用。(2)具有很好的防水性，抗异物粘附、沾污性能，抗碱、耐冲刷性。(3)具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。(4)纳米涂料的色泽鲜艳柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外观等。
虽然国内外对纳米涂料的研究还处在初步阶段，但是已在工程上得到了较广泛的应用，如北京纳美公司生产的纳米系列涂料已大量应用于北京建欣苑、建东苑等住宅区的外墙粉刷，效果良好。在首体改造工程中，使用纳米涂料1700吨，涂刷6万平方米。复旦大学教育部先进涂料工程研究中心的专家已研发出了“透明隔热玻璃涂料”。
二、纳米水泥的应用
普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题，纳米混凝土，与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2、纳米级CaCO3)或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能，而且通过改变纳米材料的掺量还能配置出防水砂浆等。目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥，纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。
纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的，该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。
纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。
纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。
纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多)，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。
三、纳米玻璃的应用
普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物，形成难以清洗的有机污垢，同时，水在玻璃上易形成水雾，影响可见度和反光度。而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃，则能有效的解决上述缺陷，同时TiO2光催化剂在阳光作用下，可以分解甲醛、氨气等有害气体。此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。
四、纳米技术在陶瓷材料中的应用
陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖)，但是陶瓷易发生脆性破坏，因而在使用过程中也受到了一定的限制。使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能，能够吸收一定量的外来能量。在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度，同时具有良好的抗烧蚀性，火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质，具有非常广阔的应用。
五、纳米技术在防护材料中的应用
通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化，研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题，纳米防水材料能够很好满足上述要求，北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景，如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。
六、纳米保温材料
随着我国推行节能减排的方针，工程界也越来越注重建筑的保温节能性能，我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料，这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质，如石棉与纤维制品含有致癌物质，聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体，而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端，如以无机硅酸盐为基料，经高温高压纳米功能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果，同时对人体也无损害，是一种绿色环保保温材料。
七、纳米技术在其粘合剂以及密封材料和剂方面的应用
对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件，它们对结构的密封性的要求非常高，已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2等添加剂，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。其工作机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有永久性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构的胶体流动，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米材料制成的剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生根好的作用，大大降低噪声，又能延长装备使用寿命，具有非常好的应用前景。
八、结语
纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向，相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代—纳米材料时代。
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篇12
1.1.2梁海弋等一批科学家利用EAM原子势函数的相关原理模拟研究了纳米铜丝的拉伸性能.结果表明，截面的变化对直接影响纳米丝拉伸性能.这是由于表面原子松散,纳米丝的表面张应力等综合因素造成的.而且拉伸强度会随着纳米丝截面减小而提高，同时会推迟屈服和增加初始拉伸模量的软化程度.
1.2二维的研究历程在纳米薄膜的制备研究过程中,得出了很多薄膜生长现象,人们需要对其从理论计算上进行科学的解释.日本的Huang等一批科学家对Au原子在MgO表面（100）点缺陷处的团簇生长进行了模拟实验,同时也进行了Au原子扩散聚集对成膜的模拟研究;通过研究得出，原子的几何形状会随着扩散力的不同以及能量的不同而发生变化.我国知名科学家张庆瑜在分子动力学研究的基础上建立了气相沉积原子动力学模型,同时采用MonteCarlo方法对Au外延薄膜的初期生长过程也进行了模拟研究,指出了薄膜外延生长会随基体温度的变化而发生怎样的变化.刘祖黎等一批科学家采用MonteCarlo模型探索出了Pt/Pt（Ⅲ）薄膜生长初始阶段岛的形貌与基底温度之间的具体关系.模型中充分考虑了吸附原子扩散、原子沉积与蒸发等过程,与过去的模型不同的是采用Morse势来计算粒子之间的相互作用,并详细充分考虑了临近和次临近原子所产生的影响.研究结果表明,岛的形貌随基底温度的升高,从一个分形生长到凝聚生长的变化全过程.通过进一步的深入研究表明,岛的形貌和基底形貌两者之间的关系会随着基底温度的升高发生显著的变化,而基底温度低时,岛的形状与基底形貌没有任何关联.
2目前计算机模拟研究需要解决的问题
一般来说，纳米金属材料的计算模拟方法所采用的大多都是原子级模拟技术,它是将纳米金属材料作为数量较多的单个金属原子的集合体,并且将每个金属原子当作彼此独立的研究单元来进行模拟实验,然后通过统计力学和经典力学对其进行规律性的描述,并预测纳米金属材料的微观结构以及功能.但是由于纳米金属材料自身结构非常复杂，以及它对周围环境无法得到迅速的反应,所以目前还无法运用相关的模拟技术来得到理想的答案.本人建议可以从以下方面进行努力：
2.1选定模拟算法在进行纳米金属材料分子动力学的模拟实验中,应当是对包括金属、氧化物、金属氧化物等一系列的多原子体系实验.因为原子间的作用是一个多体效应,在这个效应当中所有的粒子会全部聚集到一起,是无法采用解析的方法进行求解的.这时我们可以选用有限差分方法来进行求解,目前运用的最多的包括：蛙跳法、预测-校正算法和Verlet算法三种类型.值得注意的是，虽然目前的计算机技术发展迅速,但是纯粹依赖提高单个CPU的计算速度根本就不能满足越来越繁琐的计算需要,鉴于此，我们可以考虑进行并行化进行计算，这样会更加有效.
2.2要充分考虑粒子间的相互作用微观粒子的运动本来是需要使用量子力学来进行描述的,但纳米金属材料的结构与性能往往会涉及到大量微观粒子而且还是多体作用,因此用量子力学第一性原理来对粒子间相互作用求解并非易事,而绝大多数模拟认为粒子的运动遵循牛顿力学规律,因此可以考虑采用半经验的原子间相互作用势来对粒子间的作用进行描述.一般来讲，势函数是否可靠决定了一个分子动力学模拟能否成功.原子或者离子间的相互作用势越复杂、拟合性质越多就越与实际的相互作用接近,不过越复杂的相互作用同时也会加大计算量和模拟量,因此在构建或使用原子间相互作用势的过程中,应根据所要研究的问题的具体情况,选择既能反映相互作用的本质,又可以在计算上切实可行的相互作用势.
2.3处理和分析模拟结果找到一种合适的分析模拟结果的方法对于计算机模拟来说是至关重要的.通常情况下，模拟的轨迹文件只包含了各个粒子的位置、速度和力的相关信息,因此一定要对这些信息进行有效的处理以后才能得到想要的物理量.而计算机模拟走向应用的关键之处在于，找到合适的方法处理结果,将宏观现象与微观轨迹进行有机联系.模拟结果的处理无疑会是一个非常复杂的过程,其重点问题是要从MD模拟的轨迹文件中讲可与实验直接比较的统计量提取出来.除此之外,轨迹中的坐标信息对于分析结构体系信息也十分重要,而这却是非常耗时的工作过程.
篇13
生物传感器（Biosensors）是一门集化学、生物学、医学、物理学、电子技术等诸多学科于一身的交叉学科[1]。近年来， 随着纳米技术（Nanotechnology）和功能纳米材料（Functional nano-materials）的迅速发展， 生物传感器的性能已提高到一个新的水平[2]。基于功能纳米材料的生物传感器呈现出体积更小、检测速度更快、灵敏度更高和可靠性更好等优异性能， 在临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境监测以及生物技术、生物芯片等诸多领域有着十分广阔的应用前景[3，4]。 因此， 21世纪的第一个十年被称之为“传感的十载” [5]。在这10年中， 该领域的发展非常迅猛， 平均每年约有2000篇相关论文在国际杂志发表， 2011年度在国际杂志刊载发表的相关论文已超过3000篇，其中包括Nature Communications， Journal of the American Chemical Society， Analytical Chemistry， Angewndte Chemie International Edition， Chemistry-A Europe Journal等知名期刊。国内相关领域的研究紧跟国际发展的步伐， 取得了较好的研究成果， 2011年度国内期刊刊载相关论文60余篇， 其中在《分析化学》和《中国科学：化学》（中英、文版）上近40篇， 在很大程度上推动了国内生命分析学科的发展。
2 基于功能纳米材料的生物传感器的研究现状
不同纳米结构材料的生物功能化是生物传感器研究的主要亮点和重点[6]。国内在该领域的研究发展也十分迅速， 在2011年度中国期刊刊载发表基于功能纳米材料的生物传感器的论文中， 纳米材料结构涉及二维纳米膜[7～18]、一维纳米管[19～31]和零维纳米粒子[32～46]， 其中研究工作以零维纳米粒子和二维纳米膜居多；分析对象广泛， 包括DNA、大肠杆菌内毒素、癌胚抗原、氨基酸、葡萄糖、酶、唾液分泌性免疫球蛋白 A、IgG、细胞＼， 基因、谷胱甘肽、过氧化氢等；传感器类型有电化学传感器、表面等离子共振（SPR）传感器、石英晶体微天平（QCM）传感器和光学传感器， 其中多数为电化学传感器， 在其它类型传感器方面的探索研究还有待进一步加强。
2.1 二维纳米膜
二维纳米材料中最具代表性的是纳米超薄膜。国内研究利用不同的制备技术（如自组装、电化学聚合及滴涂法），制得不同的纳米超薄膜，建立各种生物传感器。如Zhang等[7]通过静电组装的方式将双链 DNA 膜组装到纳米 SnO2半导体电极上， 然后使用一种DNA双链嵌入剂， 即Ru（bpy）2（dppz）2+作为光电信号分子， 根据电极的光电信号的变化， 研究光电传感器中纳米材料对DNA的损伤， 为纳米材料的毒理学研究奠定了理论基础。刘艳等[9]利用阳离子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和功能化的带负电荷的多壁碳纳米管（MWCNTs）及石墨烯（GR）之间的静电吸附， 通过层层自组装的方法在GCE的表面制备了均一、稳定的（PDDA/GR/PDDA/MWNTs）5 多层膜。由于GR和MWCNTs均具有良好的导电性能， 可以提高H2O2的氧化反应中电子传递的能力。该电极对H2O2的氧化显示出较好的电催化活性， 对H2O2响应灵敏度高， 检测范围宽。在此基础上可进一步对膜进行修饰， 如对生物分子的固定， 有望研制出灵敏度更高， 抗干扰性更好的生物传感器。
电化学聚合法在二维膜的制备中因其简单、快速的特性得到广泛应用。张志军等[10]以电化学聚合苯胺（ANI）/邻氨基苯甲酸（OAA）， 制得在中性溶液中具有导电性的聚（苯胺-邻氨基苯甲酸）（PAOAA）共聚物膜， 随后负载Cu2+通过配位作用固定过氧化氢酶， 实现了蛋白的有效固定， 并保留了蛋白质的活性， 为传感器表面生物分子的有效固定提供了新途径。张玉雪等[11]利用循环伏安法将新蒸单体吡咯和羧基化WMCNTs聚合到电极表面， 通过生物素-亲和素体系固定探针， 制备了一种电化学DNA 生物传感器， 成功实现了对沙门氏菌毒力基因invA 的特异性基因片段的快速检测， 在食品与环境安全、临床基因诊断、药物筛选分析等领域有很广泛的应用前景。Zhang等[12]在玻碳电极（GCE）表面电聚合了一层邻氨基苯甲酸， 通过共价方法将抗-CEA（Ab1）捕获在聚合物膜表面。固定有Ab1的电极和结合有碱基磷酸酶标记的抗-CEA（Ab1）的金纳米粒子（AuNPs）复合物， 实现了对CEA的双催化信号放大的夹层检测法， 分析灵敏度提高了近百倍， 实现了CEA的高灵敏度电化学检测。
滴涂法也是二维膜材料制备过程中常见的方法之一。汪红梅等[15]依据慢性粒细胞白血病BCR/ABL融合基因的碱基序列， 设计了一种新型发夹结构锁核酸（LNA） 探针， 将该探针滴涂在金电极表面形成一超薄LNA探针膜层， 对慢性粒细胞白血病基因片段表现出良好的电化学响应信号， 有望在临床慢性粒细胞白血病基因的早起诊断中得到应用。
在2011年度国内基于二维功能纳米膜作为分子识别元件在生物传感器中的应用的研究工作中， 二维纳米膜的制备方法多以电聚合和滴涂法为主， 只有很少一部分工作使用自组装的方法制备二维纳米膜。然而， 自组装是目前制造纳米材料最方便、最普遍的途径之一， 特别对于制造结构规则的功能纳米材料， 自组装已经显示出独一无二的优越性。因此， 今后应加强研究自组装功能纳米材料在生物传感器领域中的应用研究。
