什么是纳米材料和纳米技术

近年来在科技报刊上经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是纳米材料呢？说通俗一些，就是用尺寸只有几个纳米的极微小颗粒组成的材料。一个纳米是多大呢？只有一米的10亿分之一，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料具有许多特异性能。因此，科学家们又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪的新材料”。

但纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之一：墨。据考古发现，中国的甲骨文就是先用墨写，然后雕刻成文的。墨中的重要成分是烟，实际上烟是由许多超微粒炭黑形成的。烟那么轻，那么细，能在空气中袅袅升起，又可以在空气中消散。古人就是用桐油或优质松油在密不透风的情况下使其不完全燃烧而气化，然后冷凝成烟，再伴以牛皮胶等粘结剂和其他添加物而制成墨。制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。

中国的墨虽然算不上现代所说的纯纳米材料，但的确开创了纳米材料的先河。现代的纳米材料是近一二十年才发展起来的，它的起源来自一个科学家在国外旅游中的联想。

那是1980年的一天，德国的物理学家格莱特到澳大利亚去旅游。当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料研究，知道晶体中的晶粒大小对材料性能有极大影响，晶粒越小材料的强度越高。格莱特想，如果组成材料的晶粒细到只有几个纳米那么大，材料的性能又会是怎样的呢？回国后，他立即开始实验。1984年，他终于得到了只有几个纳米大的超细粉末。而且他发现，任何金属和无机或有机材料都可以制成纳米大小的超细粉末。更有趣的是，一旦变成纳米大小的粉末，无论是金属还是陶瓷，从颜色上看都是黑的，其性能也发生了“天翻地覆”的变化。

从此，由德国到美国再到其他国家，有一大批科学家开始迷上纳米材料的研究。比如美国的阿贡国家实验室用纳米大小的超细粉末制成的金属材料，其硬度竟比普通粗晶粒金属的硬度高2～4倍。在低温下，纳米金属竟变成了绝缘体，不再导电。一般的陶瓷很脆，但用纳米陶瓷粉末制成的陶瓷制品，却有良好的韧性。

更有趣的是，纳米材料的熔点会随粉末的直径减少而大大降低。金的熔点本是1064℃，但制成10纳米左右的粉末后，熔点降至了940℃，2纳米的金粉末，熔点只有33℃。这一特点对人们大有用处。如许多高熔点陶瓷很难用一般方法加工成耐高温的发动机零件。但只要事先制成纳米大小的陶瓷粉末，就可以在较低温度烧结出耐高温的零件。

纳米粉末和材料是怎样制造出来的呢？一般是把材料(如金属或陶瓷)放在一个密封室内，然后充满惰性气体氦，再用激光或电子束将它们加热变成蒸气，于是材料的原子就在氦气中冷却成烟雾，烟雾粘附在一个冷却棒上就成了炭黑一样的纳米粉末，将这些粉末收积起来就能模压成零件，或者通过一道烧结工序制成纳米材料零件。

纳米材料的用处很多。如可制成高密度磁带；有些新药在制成纳米颗粒并注射到血管内可顺利进入微血管；纳米大小的催化剂分散在汽油中可提高内燃机的效率；把纳米大小的铅粉末加入到固体燃料中，可使固体火箭的速度增加(这是因为越细的粉末，表面积越大，能使表面活性增强)。总之，纳米材料前途无量，用途会越来越广。

纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子.其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等,拥有一系列新颖的物理和化学特性,在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值.

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征,引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣.80年代初期纳米材料这一概念形成以后,世界各国对这种材料给予极大关注.它所具有的独特的物理和化学性质,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇.纳米材料的应用前景十分广阔.近年来,它在化工生产领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力.

1.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.

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.

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程.在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后,可以固定大量蛋白质特别是酶,从而控制生化反应.这在生化技术、酶工程中大有用处.使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释.

5.结语

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.21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性,设计出各种新型的材料和器件.通过纳米材料科学技术对传统产品的改性,增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品,目前已出现可喜的苗头,具备了形成21世纪经济新增长点的基础.纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域,发挥举足轻重的作用.随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用.