納米材料在現(xiàn)實(shí)生活中地應(yīng)用_第1頁
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文檔簡介

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)納米材料在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用提起“納米”這個(gè)詞,可能很多人都聽說過,但什么是納米,什么是納米技 術(shù),可能很多人并不一定清楚。著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在20世紀(jì)60 年代曾經(jīng)預(yù)言:如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所 說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。納米是英文namometer的譯音,是一個(gè)物理學(xué)上的度量單位,簡寫是 nm 1納米是1米的十億分之一;相當(dāng)于45個(gè)原子排列起來的長度。通俗一點(diǎn)說, 相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。就象毫米、微米一樣,納米是一個(gè)尺度概念,并沒 有物理內(nèi)涵。納米技術(shù),是指在

2、0.1100納米的尺度里,研究電子、原子和分子 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新技術(shù)。科學(xué)家們在研究物質(zhì)構(gòu)成的過程中,發(fā)現(xiàn) 在納米尺度下隔離出來的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)原子或分子,顯著地表現(xiàn)出許多新的 特性,而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù),就稱為納米技術(shù)。納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科,研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊 領(lǐng)域。納米科技現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械 學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技,人類正越來越向微觀世界深入,人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森也曾指出,納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技

3、發(fā)展 的一個(gè)重點(diǎn),會(huì)是一次技術(shù)革命,從而將引起 21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。然而我 們將就納米技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用來看看納米技術(shù)的應(yīng)用前景。關(guān)于納米技術(shù)在顯示生活中的應(yīng)用主要就是納米材料的應(yīng)用,關(guān)于納米材料有很多種,其在生活中的存在和應(yīng)用也很普遍。納米材料的蓮花效應(yīng)。蓮花雖生長于池塘的淤泥中,但它露在水面上的蓮花 荷葉卻出污泥而不染,美麗而潔凈,它可說是運(yùn)用自然的納米科技來達(dá)成自我潔 凈的最佳實(shí)例。照理說荷葉的基本化學(xué)成分 ?多醣類的碳水化合物,有許多的羥 基(-OH)、(-NH)等極性原子團(tuán),在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污垢。但灑 在荷葉葉面上的水卻會(huì)自動(dòng)聚集成水珠,且水珠的滾動(dòng)把落在葉面上的

4、塵埃污泥 粘吸滾出葉面,使葉面始終保持干凈。經(jīng)過科學(xué)家的觀察研究,在1990年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。經(jīng)過電子顯微鏡的分析,蓮花的葉面是由一層極細(xì)致的表面所 組成,并非想象中的光滑。而此細(xì)致的表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度??微米至納米尺寸的 大小。葉面上布滿細(xì)微的凸?fàn)钗镌偌由媳砻嫠嬖诘南炠|(zhì),這使得在尺寸上遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時(shí),只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)的接觸。 液滴在自身的表面張力作用下形成球狀, 藉由液滴在滾動(dòng)中吸附灰塵,并滾出葉 面,這樣的能力勝過人類的任何清潔科技。這就是蓮花納米表面自我潔凈的 奧妙所在。利用了蓮

5、花效應(yīng),中國是在世界上第一個(gè)做出仿荷葉結(jié)構(gòu)的防水納米 布的國家,是中科院化學(xué)所做出來的。用顆粒大小為 20納米左右的聚丙烯水分 散液,浸軋,光照。使顆粒粘結(jié)在纖維表面上,形成凸凹不平的表面結(jié)構(gòu),成為 雙疏材料,即疏水又疏油。用油或水往這種布上倒,都不會(huì)浸濕,也不會(huì)玷污。 我們用這種材料做成衣服,就會(huì)防水。如果用這種材料處理玻璃,做成表面凸凹 不平的結(jié)構(gòu),看起來沒有任何問題,但不會(huì)結(jié)霧,不會(huì)沾水??梢詮暮扇~超強(qiáng)的 疏水性,我們可以制作類似荷葉上有納米材料的雨傘,就像“荷葉面”雨傘,撐 雨疏水,抖水即干,不必?fù)?dān)心帶到室內(nèi)會(huì)滴水了。常見納米材料1、納米阻燃劑。納米阻燃劑可分為無機(jī)納米微粒阻燃劑和納米

6、復(fù)合物阻燃劑兩種。無機(jī)阻燃劑是應(yīng)用最早的阻燃劑,它具有無毒、低煙、不產(chǎn)生腐蝕性氣 體、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)。無機(jī)阻燃劑通常通過填充方式添加到高分子材料中,制備成高分子阻燃材料。傳統(tǒng)的無機(jī)阻燃劑的粒徑較大,而且不均勻,直接影響其阻 燃性和其他性能,因此,為更好地發(fā)揮阻燃效果,無機(jī)阻燃劑的超細(xì)化將是今后的 發(fā)展方向。采用納米技術(shù)將無機(jī)阻燃劑微粒細(xì)化,使其粒徑在納米級(jí)范圍,使微粒 的大小和形態(tài)都更均勻,就能大大地減少阻燃劑的添加量,從而減輕對(duì)織物性能 的影響,克服無機(jī)阻燃劑的最大缺點(diǎn)。超細(xì)化的氫氧化鎂、二氧化二銻以及氫氧 化鋁、硼酸鋅等無機(jī)阻燃劑,均已廣泛應(yīng)用于阻燃材料中。用其做窗簾,墻紙,遇上著火,既

7、不會(huì)燃燒,也可以防患與未然。2、納米技術(shù)電池。所謂的納米技術(shù)電池,就是在電池的制造過程中,采用納米技術(shù)材料或者制造工藝,生產(chǎn)制造出具有特別高性能的電池產(chǎn)品。 隨著電子 技術(shù)的高速發(fā)展,人們對(duì)電池的需求量愈來愈多,人們總是希望得到一種容量大、 功率高、性能優(yōu)、價(jià)格廉的電池。但是,由于客觀實(shí)際的限制,在現(xiàn)實(shí)中的電池總是無法全面滿足人們的要求。電池界的專家學(xué)者在孜孜不倦的追求著電池性能 的提高,經(jīng)歷了一代又一代人的不懈努力。納米級(jí)的物質(zhì)被應(yīng)用在電池的制造中, 就會(huì)產(chǎn)生顯著的特性。強(qiáng)大的比表面活性能量和良好的導(dǎo)電性能, 在參與電化學(xué) 反應(yīng)的時(shí)候,納米顆粒物質(zhì)在極板內(nèi)部形成新的活性物基核, 改善和增強(qiáng)電

8、極結(jié) 構(gòu),極大地提高電極的電化學(xué)反應(yīng)表面,降低了電化學(xué)反應(yīng)的能壘。因此,納米 技術(shù)材料的應(yīng)用可以顯著的降低蓄電池的內(nèi)阻,抑制蓄電池在充放電過程中,因?yàn)闇囟群碗姌O極化等原因而導(dǎo)致的極板飩化, 從而有效的提高電池的性能,使得 蓄電池電化學(xué)反應(yīng)的可逆性更好、 充放電效率更高、功率更大、電池更加容易均 衡一致、低溫性能限制改善。因此,采用納米技術(shù)材料的蓄電池,其容量比常規(guī) 電池的容量高,壽命比常規(guī)電池壽命長,大電流工作能力比常規(guī)電池強(qiáng), 低溫性 能比常規(guī)電池優(yōu)。納米技術(shù)電池的顯著優(yōu)點(diǎn)更主要集中表現(xiàn)在電池使用的中后期。 一般情況,納米技術(shù)電池前期對(duì)容量及功率的改善效果只是常規(guī)電池的5%-15%中期對(duì)容量

9、及功率的改善效果比常規(guī)電池高出 20%-30%后期對(duì)容量及功率的改 善效果比常規(guī)電池高出可以達(dá)到 50%上。新太納米技術(shù)電池的種類有:納米技 術(shù)型免維護(hù)中低倍率鎘鎳蓄電池;納米技術(shù)型免維護(hù)燒結(jié)式超高倍率鎘鎳蓄電池; 納米技術(shù)型免維護(hù)閥控式密封鉛酸電池;納米技術(shù)型鋅鎳動(dòng)力電池。3、納米塑料。通用塑料指聚乙烯(PE、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC、聚苯乙烯(PS和丙烯酸類塑料等大塑料品種。 對(duì)于這類塑料的改性, 過去多是采用加入填充料的方式,首先是為了降低成本,后來是為了增加和增韌 以得到工程塑料,并進(jìn)一步向塑料功能化發(fā)展,通過添加料的方法得到具有導(dǎo)電、 抗靜電、熱塑磁性和壓敏等功能的塑料。納米

10、材料的出現(xiàn),為天加型塑料提供了 廣闊的空間。通用塑料首當(dāng)其沖,納米技術(shù)最早就是用于通用塑料的改性。例如: 納米碳酸鈣對(duì)高密度聚乙烯的改性,在加入碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%以下時(shí),其耐沖擊強(qiáng)度隨加入碳酸鈣的增加而增加, 拉伸和彎曲強(qiáng)度也有所提高。在此,填 料有一個(gè)最大加入百分比,即有一個(gè)加入最大值,而且,該值和碳酸鈣的表修飾 類型有關(guān)。未經(jīng)地表面修飾處理的納米碳酸鈣填充體系的沖擊強(qiáng)度隨碳酸鈣用量 呈逐漸增加趨勢,碳酸鈣用量越多,材料沖吉加度越大。經(jīng)表面處理后,材料的 沖擊強(qiáng)度隨碳酸鈣用量變化規(guī)律已完全改變。材料在低納米碳酸鈣含量(約 4%6%時(shí)即實(shí)現(xiàn)增韌目的,沖擊強(qiáng)度提高接近一倍,增韌效果顯著;當(dāng)

11、碳酸鈣用量進(jìn)一步增加時(shí),材料的沖擊強(qiáng)度呈緩慢下降。幾種表面處理劑對(duì)拉伸彎曲性 能的影響基本相同;與處理體系相比,表面處理后材料的拉伸、彎曲性能并無明 顯改善。由處理和未經(jīng)處理的兩種試樣沖擊斷面和斷抽圖SEMW片可知,經(jīng)過處理體系的沖擊斷面上有較多牽伸結(jié)構(gòu), 拉絲較多;基體上無明顯可見裂紋,基體 發(fā)生明顯的塑性變形,吸收了大量能量。脆斷面的電鏡表明納米粒子分布均勻, 附聚團(tuán)粒小。未經(jīng)處理體系的沖擊斷面上出現(xiàn)有許多斷裂裂紋,是導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度 較低的原因;且未經(jīng)處理的試樣,粒子分布不均,附聚顆粒較大。4、可以抗紫外線的納米材料。研究和開發(fā)防紫外線的功能性織物, 是目 前國際化纖紡織業(yè)的重點(diǎn)。目前,傳統(tǒng)

12、的抗紫外線紡織品主要采用共混熔融紡絲 法,該方法將抗紫外添加劑與成纖聚合物共混并一同進(jìn)行熔融紡絲,抗紫外添加劑多為有機(jī)化合物,存在一定的毒性和刺激性,容易造成皮膚化學(xué)性過敏。近年 來無機(jī)紫外線遮蔽劑的研究突飛猛進(jìn),納米TiO2是其中優(yōu)秀代表。上海交大"納米氧化鈦(TiO2)抗紫外纖維"通過了上海市科委組織的專家鑒定,納米 TiO2 具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無味、無毒、無刺激性,使用安全,尤其是 吸收紫外線能力強(qiáng),對(duì) UVA區(qū)和UVB區(qū)紫外線都有屏蔽作用,可見光透過率 大。 采用該項(xiàng)目具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米氧化鈦與聚酯原位聚合方法,制備納米TiO2/聚酯復(fù)合材料,真正

13、實(shí)現(xiàn)了納米顆粒在高聚物中的納米級(jí)分散,不僅提 高了紡絲效率,而且使材料的力學(xué)、熱學(xué)性能得到了較大提高,織物的紫外線屏 蔽指數(shù)大于50,在280400納米波段紫外線屏蔽率大于95%紫外線透過率小于 3% 據(jù)悉,該項(xiàng)目成果可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)帳篷、遮陽傘、夏季女裝、野外工作 服、訓(xùn)練服、運(yùn)動(dòng)服、窗簾織物、廣告布等。采用本技術(shù)的抗紫外織物還具有防 暑、隔熱、觸感涼爽的性能,特別適宜織造高檔 T恤衫、運(yùn)動(dòng)服、訓(xùn)練服等夏季 涼爽面料。 據(jù)統(tǒng)計(jì),世界功能性紡織品的需求量超過 500億米,我國功能紡織 品的需求量近50億米。納米TiO2抗紫外纖維技術(shù)市場前景將非常廣闊。納米材料的應(yīng)用一、生物學(xué)中。納米生物學(xué)用來

14、研究在納米尺度上的生物過程,從而根據(jù)生 物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。如在金屬鐵的超細(xì)顆粒表面覆蓋一層厚為52 0 nm的聚合物后,可以固定大量蛋白質(zhì),特別是酶,從而控制生化反應(yīng)8。這在生化技 術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合,研究分子生物器件,利用納 米傳感器,可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息,從而了解機(jī)體狀態(tài),深化人們對(duì)生理及病 理的解釋。以納米尺寸去認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及功能的聯(lián)系,按人類的意愿進(jìn)一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于納 米技術(shù)的運(yùn)用而變得更加可控,人類可以自己控制所需要的生物產(chǎn)品,農(nóng)、林、牧、 副等行業(yè)以及人類的食品結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生重要變

15、革,用納米生物工程、納米化 學(xué)工程合成的“食品”將極大豐富食品的數(shù)量和種類。(2)醫(yī)學(xué)中。研究人員發(fā)現(xiàn),生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體,其線度在1520nm之間,并且生物體內(nèi)的多 種病毒也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小,因而可以在血 管中自由流動(dòng)。如果將超微粒子注入到血液中,輸送到人體的各個(gè)部位,將可以作 為監(jiān)測和診斷疾病的手段??蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離,用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療,以減少副作用等。另外,利用納米顆粒作 為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展,現(xiàn)在已用于臨床動(dòng)物實(shí)驗(yàn),估計(jì)不 久的將來即可服務(wù)于人類。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

16、,可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,獲取生命信息??茖W(xué)家們設(shè) 想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人,在血液中循環(huán),對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測、診斷, 并實(shí)施特殊治療,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物,甚至可以用其 吞噬病毒,殺死癌細(xì)胞。這樣在不久的,將來被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、 高血 壓、癌癥等都將迎刃而解,從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命。二、納米材料在環(huán)保方面的應(yīng)用納米材料的控制污染源方面可起到關(guān)健性的作用。主要體現(xiàn)在它降低能源消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資深消耗;減少廢 物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染。(1)在污水治理方面。污水中通常含有 有毒有害物質(zhì)、異味污染

17、物、細(xì)菌、病毒等。傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、 存在二次污染等問題,納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以徹底解 決這一問題。納米材料 在環(huán)保中的應(yīng)用主要與納米粒子的化學(xué)催化和光催化特性有關(guān)。除已經(jīng)提到的光催化降解廢水的納米材料以外,另有許多納米材料可以用來治理有害氣體和廢水 , 并已走出實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)入實(shí)用階段。利用納米TiO2表面具有超親水性和超親油性的特點(diǎn),在玻璃表面涂覆納米TiO2可以制成自清潔外墻玻璃,具有防污、防霧、 易洗、易干、自清潔等功能。(2) 在大氣污染治理方面。大氣污染一直是各國 政府需要解決的難題。納米技術(shù)及材料的應(yīng)用將會(huì)為我們解決大氣污染問題提供 全新的途徑。工業(yè)生產(chǎn)和汽車使用的汽

18、油、柴油等,在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化硫氣體,這是二氧化硫最大的污染源。復(fù)合稀土化物的納米級(jí)粉體具有極強(qiáng)的氧化還 原性能,是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可徹底解決汽 車尾氣的污染問題。新裝修房間的空氣中有機(jī)物濃度高于室外,甚至高于工業(yè)區(qū), 目前已從空氣中鑒定出幾百種有機(jī)物質(zhì),其中有些是致癌物。研究表明,納米二氧 化鈦可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果幾乎可達(dá)到100%(3)城市固體垃圾處理方面。將納米技術(shù)及材料應(yīng)用與城市固體垃圾處理,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末,除去其中的異物,成為再生原料回收;另一方面,可以應(yīng)用納米二氧

19、化鈦加速城市 垃圾的降解,其降解速度是大顆粒二氧化鈦的10倍以上,從而可以緩解大量生活 垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。五、納米材料在其他方面的應(yīng)用利用先進(jìn)的納米技術(shù),在不久的將來,可制成含有納米電腦的可人-機(jī)對(duì)話并具有自我復(fù)制能力 的納米裝置,它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個(gè)操作動(dòng)作。在軍事方面,利用昆蟲作平 臺(tái),把分子機(jī)器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報(bào),使目標(biāo)喪失功能。 利用納米技術(shù)還可制成各種分子傳感器。 和探測器利用納米羥基磷酸 鈣為原料,可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中,并通過一定的機(jī)制來激發(fā)藥劑的釋放,則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。另外,還可利用碳納米管來制作儲(chǔ)氫材料,用作燃料汽車的燃料“儲(chǔ)備箱”。利用納米顆粒膜 的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器;利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合體 系來制備紅外隱身材料,都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。六、納米材料的前景 納米材料的研究,它使人類在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新的層次,即進(jìn) 入到原子、分子的納米層次。納米技術(shù)的核心是按人們的意志直接操縱單個(gè)原子、 分子或原子團(tuán)、分子團(tuán),制造具有特定功能的產(chǎn)品。

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