納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

1、納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 摘要：納米技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，其特殊的性能引起了全世界科學(xué)家的濃厚研究興趣，而由納米技術(shù)生產(chǎn)的納米材料的廣泛應(yīng)用也為各國(guó)所關(guān)注。根據(jù)收集到的資料，本文就納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域做較為詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵詞：納米技術(shù);應(yīng)用領(lǐng)域引言納米（nm）是長(zhǎng)度單位，相當(dāng)于45個(gè)原子串起來(lái)的長(zhǎng)度。納米結(jié)構(gòu)是指尺度在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)是指在0.1100nm尺度范圍內(nèi)研究原子、分子的結(jié)構(gòu)、特性及其原理，并按人們的需要和要求，在納米尺度上直接操縱物質(zhì)表面的分子、原子乃至電子來(lái)制造特定產(chǎn)品或進(jìn)行納米級(jí)加工工藝的一門(mén)技術(shù)1。1納米歷史 1959年美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出通過(guò)控制物質(zhì)微

2、小規(guī)模的排序來(lái)獲得具有奇異性能的物質(zhì)的設(shè)想2。20世紀(jì)60年代中期，人們開(kāi)始真正有效地對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究，70年代末,德雷克斯勒成立了NST(Nanoscale Science and Technology)研究組。1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院的學(xué)者將理查德·費(fèi)曼的設(shè)想定義為納米技術(shù)(nanotechnology)，1981年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的科學(xué)家格萊特(Gleiter)第一次提出了納米材料的概念，1984年德國(guó)科學(xué)家格萊特制造出納米材料。1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)第一屆國(guó)際NST會(huì)議，這標(biāo)志著這一全新的科學(xué)技術(shù)一納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1994年l0月,第二屆國(guó)際NST會(huì)

3、議在德國(guó)舉行,這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為眾多學(xué)科領(lǐng)域的焦點(diǎn)。 納米技術(shù)以其新穎性、獨(dú)特的思路和研究成果,在科學(xué)技術(shù)界和軍事界引起巨大的反響,受到廣泛的關(guān)注?？萍及l(fā)達(dá)國(guó)家都競(jìng)相將納米技術(shù)列為面向21世紀(jì)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)研究的優(yōu)先項(xiàng)目并給予很大的投資。 我國(guó)于1994年l1月召開(kāi)了第一屆全國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,l997年9月北京大學(xué)成立“北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)中心”。此后,部分重點(diǎn)大學(xué)也相繼成立納米科學(xué)與技術(shù)中心,開(kāi)展納米技術(shù)的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)把納米科技確定為優(yōu)先資助項(xiàng)目,我國(guó)的“863計(jì)劃”和“九五計(jì)劃”都將其列入重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的課題3。 2.納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，納米技

4、術(shù)已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)中最為優(yōu)先發(fā)展的主要領(lǐng)域之一。納米材料由于自身產(chǎn)生的特殊效應(yīng)，使其具有常規(guī)材料所不具備的性能。而納米技術(shù)的發(fā)展不僅能夠進(jìn)一步揭示物質(zhì)新的原理與現(xiàn)象，也使得其在各方面的潛在應(yīng)用極為廣泛，甚至極有可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的工業(yè)革命。 2.1材料方面 2.1.1陶瓷材料 陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的陶瓷材料是通過(guò)高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的，通過(guò)這種工藝制成的陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，因而應(yīng)用受到了較大的限制。納米材料粒徑小，表面積大,擴(kuò)散速度快,熔點(diǎn)低，相變溫度低，添加納米顆?？墒固沾傻木C合性能得到很大的改善。納米陶瓷具有優(yōu)

5、良的室溫和高溫力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性均有顯著提高。因此在低溫低壓下就可作為原料制備質(zhì)地緊密、性能優(yōu)異的納米陶瓷,通過(guò)這種工藝制成的陶瓷材料具有堅(jiān)硬、耐磨、耐高溫及耐腐蝕的性能。例如納米陶瓷可變成韌性材料,在室溫下可以彎曲,塑性變形達(dá)100%。再如,美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室Siegel等人用惰性氣體蒸發(fā),原位加壓制備了納米陶瓷,致密度達(dá)到95%。在同樣的燒結(jié)溫度下,納米陶瓷的硬度比普通陶瓷高。而對(duì)應(yīng)相同的硬度,納米陶瓷的燒結(jié)溫度比普通陶瓷低幾百攝氏度4。2.1.2碳納米管碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”,內(nèi)部是空的,外部直徑只有幾到幾十納米;碳納米管具有重量輕，強(qiáng)

6、度高的特點(diǎn)。比重只有鋼的1/6,強(qiáng)度卻是鋼的100倍。輕柔又非常結(jié)實(shí)的碳納米管最適于制作防彈背心。碳納米管的細(xì)尖極易發(fā)射電子,如果用于電子槍,可做成幾厘米厚的壁掛式電子屏。2.1.3納米布人們一直希望衣服能一塵不染,現(xiàn)在這種夢(mèng)想已由中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)。2000年中科院化學(xué)所雷江教授等宣布,他們研制成功一種不粘油污、不沾水的新型納米材料超雙疏性界面材料。使用這種材料的紡織品和建材,不染油污、不用洗滌。它的誕生可使石油工人的工作服不再油漬斑斑,也使研制水陸兩用服成為可能。如果將其用于建筑物表面,還具有自清潔和防霧、防霜效果,可免除人工清洗。2.1.4油氣設(shè)備及管道材料高強(qiáng)度的碳納米管的發(fā)現(xiàn)，使石油業(yè)界

7、日益關(guān)注納米技術(shù)在油氣設(shè)備及管道上的應(yīng)用，其中以納米復(fù)合材料的應(yīng)用最受重視。納米復(fù)合材料是以樹(shù)脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續(xù)相，以納米尺寸的金屬、半導(dǎo)體、剛性粒子和其他無(wú)機(jī)粒子、纖維、納米碳管等改性劑為分散相，通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽浞椒▽⒏男詣┚鶆虻胤稚⒂诨w材料中，形成含有納米尺寸材料的復(fù)合體系。用納米復(fù)合材料制造的部件具有質(zhì)量輕、抗腐防腐、防火耐用、強(qiáng)度大等特性。其具體應(yīng)用領(lǐng)域有： （1）取代海洋石油平臺(tái)、高能效交通運(yùn)輸工具、鉆井，特別是深水、超深水鉆井工具原有的金屬部件配件等。 （2）用作密封材料。有的納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的界面作用和耐高溫高壓性能，可應(yīng)對(duì)井下爆發(fā)性減壓和密封失效。 （3）用于

8、涂料或潤(rùn)滑劑。在機(jī)械表面形成納米膜，可以提高其耐磨、抗腐蝕性。如在鉆頭上覆蓋一層納米結(jié)構(gòu)的陶瓷材料可以大幅度提高其硬度、減少摩擦，從而延長(zhǎng)使用壽命5。最值得一提的是納米氣凝膠隔溫層在海底管道上的應(yīng)用。納米氣凝膠材料可置于兩層管線中間作夾層，可大大節(jié)約外層管道鋼材，減輕重量，節(jié)約運(yùn)費(fèi)和加工費(fèi)用，并且隔溫效果還比常規(guī)管材高5倍。通過(guò)摻雜不同的材料，可以做出耐高溫系列和耐低溫系列的產(chǎn)品，特別適用于環(huán)境較苛刻、對(duì)重量要求高的海上作業(yè)等前沿領(lǐng)域6。2.1.5涂料涂料在當(dāng)今的生活生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。納米材料制備的涂層特有的優(yōu)異性能將使涂料在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到更為廣泛的應(yīng)用，起到更多更大的作用。 在涂料中

9、加入納米材料,可進(jìn)一步提高其防紫外線輻射、耐大氣侵害和抗降解、變色等能力。在衛(wèi)生用品上應(yīng)用也可起到殺菌保潔作用。已有美國(guó)的研究人員用納米級(jí)二氧化錫、二氧化鈦、三氧化二鉻等與樹(shù)脂復(fù)合,作為靜電屏蔽的涂層。利用其光學(xué)特性在標(biāo)牌上使用納米材料涂層能夠達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品中,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。納米是一種抗紫外線輻射材料,加入涂料中,可使其抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加4。 2.1.6樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)脂基復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),但硬度、耐磨性能、耐熱性能較差。通過(guò)超聲分散方法將納米添加到不

10、飽和聚酯樹(shù)脂中制得的復(fù)合材料可大幅提高其耐磨性、硬度、強(qiáng)度、耐熱和耐水性能7。 2.1.7磁性材料8磁性對(duì)顆粒尺寸的依賴性在體積效應(yīng)方面有最直觀的體現(xiàn),納米磁性粒子的矯頑力非常高,它的應(yīng)用主要有以下幾方面:(l)永磁材料納米晶粒屬單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子,它的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行,即使不磁化也是永久性磁體,因此可用它作永磁材料。(2) 磁記錄材料 磁性納米晶粒具有單磁疇結(jié)構(gòu),矯頑力很高,用它作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖象質(zhì)量。(3)磁流體當(dāng)磁性材料的粒徑小于臨界半徑時(shí),納米晶粒就變得有順磁性，稱之為超順磁性,這時(shí)的磁相互作用弱,利用這種超順磁性可作磁流體。磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁

11、性,它在工業(yè)廢液處理方面有廣闊的應(yīng)用前景。 （4）磁性液體通常靜態(tài)密封采用橡膠、塑料或金屬制成的圓環(huán)作為密封元件。旋轉(zhuǎn)條件下的動(dòng)態(tài)密封一直是較難解決的問(wèn)題,盡管人們采用了威爾遜密封法等,但無(wú)法在高速、高真空條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封。利用磁性液體可以被磁控的特性,借助環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部位產(chǎn)生一個(gè)環(huán)狀磁場(chǎng)分布,從而可將磁性液體約束在磁場(chǎng)之中而形成“O”形環(huán),且無(wú)磨損、無(wú)泄露,可以做到長(zhǎng)壽命的動(dòng)態(tài)密封。2.1.8光學(xué)材料9 納米材料在光學(xué)方面具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性,如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等。這些使得用納米材料制備的光學(xué)材料在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,

12、在現(xiàn)代通訊和光傳輸方面也占有極其重要的地位。用納米微粒做光纖材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗。納米微粒在紅外反射材料上的應(yīng)用主要是制成薄膜和多層膜,有的納米微粒制成的紅外膜有透明導(dǎo)電膜、多層干涉膜。 2.2微電子領(lǐng)域 微型化是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)，基于納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)并制造納米量子器件最終可以將集成電路進(jìn)一步縮小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的各種器件，從而實(shí)現(xiàn)微型化。目前,已經(jīng)研制成功的納米器件有:單電子晶體管、紅綠藍(lán)三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場(chǎng)探測(cè)器,其中具有奇特性能的碳納米管為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。美國(guó)威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個(gè)電

13、子的量子點(diǎn)，在一個(gè)針尖上可容這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)制成體積小、能耗少的單電子器件在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用10。日本的Hitachi公司通過(guò)控制單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成功地研制出具有多功能的器件。另外,日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細(xì)量子線結(jié)構(gòu)的技術(shù),并在GaAs襯底上成功地制作了具有開(kāi)關(guān)功能的量子點(diǎn)陣列。美國(guó)也已研制成功尺寸只有4nm、由激光驅(qū)動(dòng)的具有開(kāi)關(guān)特性的納米器件,并且開(kāi)、關(guān)速度很快11。日本豐田公司組裝成一輛只有米粒大小、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車,工程師們制成了直徑只有12 mm的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)。德國(guó)美因茲微技術(shù)研究所制成了一架只有黃峰那么大的直升飛機(jī),質(zhì)量不到0.5

14、 g,能升空130 mm。美國(guó)波士頓大學(xué)的化學(xué)家制備出世界上最小的馬達(dá),該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成。自然雜志報(bào)道了由荷蘭和日本科學(xué)家研究的由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的一種分子馬達(dá),其在光照作用下,能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。分子馬達(dá)不但能夠?yàn)槲磥?lái)的分子機(jī)械提供動(dòng)力,而且還可以幫助我們更深入地了解一些具有相似結(jié)構(gòu)的生命有機(jī)體,例如肌肉纖維及推動(dòng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的紡織錐形鞭毛12。 2.3醫(yī)學(xué)領(lǐng)域2.3.1醫(yī)學(xué)診斷 （1）利用納米材料制成的極為靈敏的生物化學(xué)傳感器可以對(duì)癌癥、心血管疾病等進(jìn)行早期診斷。如今用納米技術(shù)制成的傳感器已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺癌、直腸癌等進(jìn)行早期診斷。具體做法是,將癌癥患者的血液滴在用納米材料

15、做成的傳感器上,當(dāng)傳感器中預(yù)置的某種癌細(xì)胞抗體遇到相應(yīng)的抗原時(shí),傳感器中的電信號(hào)會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)電信號(hào)的這種變化可以檢測(cè)血液中癌細(xì)胞的種類和濃度13。 （2）利用納米顆粒追蹤病毒在生物體內(nèi)的活動(dòng)也是目前研究的一個(gè)熱門(mén),這對(duì)于研究艾滋病病毒、癌細(xì)胞等在人體內(nèi)的活動(dòng)情況非常有用?？茖W(xué)家把某種納米顆粒“粘”在生物分子上,然后利用納米顆粒的發(fā)光特性研究生物分子的活動(dòng)情況。比人體細(xì)胞小得多的納米顆粒可以被送進(jìn)人的組織、器官內(nèi),用光線從人體外部向內(nèi)進(jìn)行照射,體內(nèi)的納米顆粒也會(huì)發(fā)光,這樣就可以達(dá)到追蹤病毒的目的。2.3.2醫(yī)學(xué)治療（1） 止血材料 日常生活中會(huì)不可避免的偶然性失血，對(duì)于失血患者首要的事情就是

16、如何才能迅速使血液凝集，以便能快速止血，降低患者的生命危險(xiǎn)。一般的方法是采用繃帶止血，對(duì)于那些失血較多的患者來(lái)說(shuō)如何進(jìn)行快速有效的止血無(wú)疑是最重要的。Roy等對(duì)二氧化鈦納米管對(duì)于血凝的效果影響進(jìn)行測(cè)試表明經(jīng)二氧化鈦納米管修飾后的繃帶能很明顯的促進(jìn)血液凝集速率，并且能提高最終形成的凝塊強(qiáng)度。（2） 血管支架材料 目前心血管疾病中的動(dòng)脈粥樣硬化已經(jīng)成為威脅人類生存的頭號(hào)殺手，對(duì)于這些疾病來(lái)說(shuō)，臨床可以采用血管移植的方法，但由于其來(lái)源有限而限制了它的推廣。組織工程化的血管將是一個(gè)很有前景的治療方案。對(duì)于組織工程化產(chǎn)品，如何制備出合適的支架材料直接關(guān)系到產(chǎn)品的成功與否。生物材料要能很好的和周圍組織相互

17、匹配不僅要求材料有很好的力學(xué)性能，而且還要求其形態(tài)都要和周圍組織相互吻合。細(xì)胞對(duì)材料的反應(yīng)可以通過(guò)改變材料表面的粗糙度，以使細(xì)胞把其識(shí)別為體內(nèi)的細(xì)胞。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，研究人員在聚乳酸-乙醇酸共聚物表面通過(guò)腐蝕的方法形成了從微米到納米級(jí)別不同級(jí)別的粗糙度，并對(duì)其和血管內(nèi)皮細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞共培養(yǎng)，結(jié)果表明這些細(xì)胞的密度相比于微米級(jí)的表面而言，其表面能顯著提高細(xì)胞密度。其他研究結(jié)果也得到了相似的結(jié)論14。 （3）緩釋體系 納米粒子的尺寸較小，很容易透過(guò)小的毛細(xì)血管被細(xì)胞吸收，進(jìn)而在細(xì)胞內(nèi)將包裹的生物分子輸送到特定的部位。外包裝采用生物可降解材料來(lái)制備可以實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋效果。其疏水性的部分在外部溶液

18、中主動(dòng)聚集而形成明顯的殼核結(jié)構(gòu)，使其能作為一種很好的輸送水不溶性的藥物體系。藥物可以被包裹在內(nèi)部疏水性的核中間，外部親水性的殼可以在溶劑中穩(wěn)定擴(kuò)散，當(dāng)然這種體系也可以通過(guò)靜脈注射使其進(jìn)入體內(nèi)。與其他輸送體系相比，顆粒的納米級(jí)尺寸因?yàn)榭梢员苊饽I臟的重吸收，使其可以作為一種很好的藥物輸送體系。如果在顆粒的表面再連上特定的抗原抗體生物大分子，治療的效果可能更具有導(dǎo)向性。（4）關(guān)節(jié)移植材料 臨床上的關(guān)節(jié)移植等手術(shù)因?yàn)榉N種原因需要大量能適合骨骼特性的生物學(xué)材料。NiTi合金由于具有很好的形狀記憶效應(yīng)、超彈性等力學(xué)性能而在臨床得以廣泛應(yīng)用。然而，金屬合金材料在生理體液下很容易腐蝕，并且，Ni離子釋放所產(chǎn)生

19、的毒性也不容忽視。鑒于此，研究人員在NiTi合金表面制備一層大約200 nm厚的二氧化鈦薄膜。電化學(xué)腐蝕測(cè)試表明二氧化鈦薄膜相對(duì)于沒(méi)鍍上薄膜的合金抗腐蝕能力顯著增強(qiáng)。而且，實(shí)驗(yàn)也證明了經(jīng)這種修飾后的合金具有更強(qiáng)的生物相容性。（5） 角膜移植材料 角膜移植是治療因各種原因所致角膜混濁、視力障礙的有效方法。但供體角膜來(lái)源困難，而且研制開(kāi)發(fā)出的人工眼角膜的使用經(jīng)常伴隨著一系列的并發(fā)癥，大多數(shù)移植失敗的主要原因是其在與宿主角膜之間存在生物相容性。聚乙烯醇水凝膠poly (vinyl alcohol) hydrogel(PVA-H)因具有較好的強(qiáng)度、彈性以及水溶性因而被廣泛應(yīng)用于眼角膜的移植材料。但聚乙

20、烯醇水凝膠沒(méi)有生物活性，不能與角膜基質(zhì)生成生物性結(jié)合，無(wú)法在眼內(nèi)長(zhǎng)久地牢固固定。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)用納米羥基磷灰石與聚乙烯醇制備的一種新型人工角膜具有很好的生物相容性，人工角膜支架與宿主角膜組織之間的生物性愈合也較為良好。（6） 導(dǎo)尿管材料 醫(yī)用導(dǎo)尿管是臨床醫(yī)院非常常見(jiàn)的醫(yī)療用具，但其所導(dǎo)致的相關(guān)感染是臨床治療中非常棘手的問(wèn)題。納米銀具有較廣的抗菌譜，對(duì)易引起尿道炎癥的大腸桿菌、黃色葡萄球菌等具有抑制和殺滅作用，并且由于是物理抗菌，不會(huì)產(chǎn)生耐藥性，對(duì)皮膚黏膜等也無(wú)刺激作用，但其價(jià)格卻十分昂貴。陳春化等15將納米二氧化硅作為抗菌的載體，制備出對(duì)大腸桿菌有明顯抑菌作用的表面接枝載銀鋅納米二氧化硅抗菌劑的

21、抗菌導(dǎo)尿管16。 2.4生物工程納米生物學(xué)通過(guò)研究在納米尺度上的生物過(guò)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520nm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)17。將納米技術(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),使人們對(duì)生理及病理有更深的認(rèn)識(shí)。以納米尺寸去認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系,按造人類的意愿進(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)也會(huì)隨之發(fā)生重要變革,用納米生

22、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。 2.5環(huán)保領(lǐng)域 2.5.1處理廢棄物 污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、異味污染物、細(xì)菌、病毒等。傳統(tǒng)的水處理方法存在效率低、成本高、二次污染等問(wèn)題,納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以徹底解決這一問(wèn)題。納米吸附凈水劑的吸附、絮凝能力為三氯化鋁凈水劑的1020 倍。使用納米吸附凈水劑可將水中重金屬吸附截留下來(lái)，變害為寶。 由于納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和表面原子活性，它可被制成優(yōu)良的催化劑，其催化能力和選擇性將明顯高于現(xiàn)有催化劑，甚至能催化一些目前尚做不到的化學(xué)反應(yīng)。研究表明，納米催化劑對(duì)催化氧化、還原、分解有很高的反應(yīng)活性和選擇性，可用于處理廢氣18

23、。例如納米二氧化鈦制成的光催化劑具有很強(qiáng)的氧化還原能力，能分解有機(jī)廢水中的鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機(jī)酸類、酚類、硝基芳烴、取代苯胺，以及空氣中的諸如甲醇、甲醛、丙酮等有害污染物。 2.5.2控制噪音噪音以其強(qiáng)大的軟殺傷力困繞著人類的生活，極大的危害了人體健康。噪音的產(chǎn)生主要來(lái)源于機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相互摩擦、撞擊時(shí)產(chǎn)生的不規(guī)則震動(dòng)。當(dāng)納米技術(shù)將機(jī)械設(shè)備微型化后，機(jī)械耗將大幅度減少，其產(chǎn)生噪音的部份也隨之大幅減少，噪音也就可得到有效控制。對(duì)于當(dāng)前已有設(shè)備的改造，可考慮使用納米潤(rùn)滑劑，通過(guò)優(yōu)良的潤(rùn)滑效果達(dá)到控制噪音的目的。納米材料在摩擦?xí)r產(chǎn)生的局部高溫環(huán)境下可迅速熔化，燒結(jié)在摩擦表面形成納米膜。納米膜

24、將修復(fù)機(jī)械摩擦副表面上的磨損，產(chǎn)生一層光滑保護(hù)膜，而膜上的小顆粒又將發(fā)揮超微軸承的作用，降低摩擦系數(shù)，減小摩擦力，從而控制產(chǎn)生噪音所需的能量輸入，達(dá)到控制噪音的目的。2.5.3遮擋光、電磁輻射近年來(lái)，由于臭氧層被破壞、無(wú)線電通訊技術(shù)和核能發(fā)電的普及，紫外光線、電磁波、核輻射對(duì)人體健康的威脅日趨嚴(yán)重，使用對(duì)不同波長(zhǎng)光波、電磁波都具有很強(qiáng)吸收能力的納米材料遮擋輻射的必要性也日趨急迫。對(duì)于輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，將納米涂料覆蓋于建筑物、車輛外，可有效遮擋輻射；對(duì)于個(gè)人防護(hù)，可使用在化學(xué)纖維制造過(guò)程中摻入納米材料顆粒制成的防輻射纖維制品；在化學(xué)纖維制造工序中摻入銅、鎳等超微金屬顆粒，可以合成導(dǎo)電性的纖維，從而

25、制成防電磁輻射的纖維制品或電熱纖維；將納米粉體按一定比例加入到化妝品中，可以有效地遮蔽紫外線。2.5.4環(huán)境監(jiān)測(cè)目前環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用的常用儀器往往只能分離或富集待測(cè)污染物，然后由人工試驗(yàn)方式檢測(cè)待測(cè)物，這樣不僅成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，而且不便于移動(dòng)和大量測(cè)量，在試驗(yàn)中又會(huì)使用大量有毒、有害化學(xué)藥品。因此在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域急需快速便攜的自動(dòng)探測(cè)器。據(jù)科學(xué)雜志介紹，斯坦福大學(xué)的研究員利用碳納米管制成了一種可在室溫下適時(shí)監(jiān)測(cè)和在大氣中濃度的探測(cè)器，該裝置的工作原理是利用碳納米管對(duì)氣體吸附的高選擇性和高活性19。 2.6能源方面20 2.6.1新能源的開(kāi)發(fā)對(duì)人類而言，絕大部分能源都可以歸結(jié)為太陽(yáng)的賜予，本世紀(jì)可大量

26、開(kāi)發(fā)的最清潔能源當(dāng)數(shù)太陽(yáng)能。從太陽(yáng)能的吸收來(lái)看，目前的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率并不高，納米技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)在提高太陽(yáng)能吸收效率上起到很大作用，而且將改善不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)光線的吸收效率，從而使總的吸收效率達(dá)到最高，進(jìn)而促進(jìn)太陽(yáng)能在光熱、光電方面的利用。而與太陽(yáng)能同性質(zhì)的電磁波目前廣泛分布于地球表面，將太陽(yáng)能的設(shè)備通過(guò)適當(dāng)改造也可以用于電磁波能源的利用。這一切都要?dú)w功于納米材料良好的吸收輻射的特性。2.6.2能源的儲(chǔ)存氫氣作為未來(lái)最方便使用的“綠色”能源，其儲(chǔ)存在目前存在許多問(wèn)題，如投入高昂、使用危險(xiǎn)等。研究表明碳納米材料可以提供一種有效而清潔的儲(chǔ)氫方式。經(jīng)美國(guó)能源部計(jì)算，碳納米材料只要能存儲(chǔ)其自重

27、6%的氫就可使氫氧燃料電池動(dòng)力車具有使用價(jià)值。這樣可避免使用化石燃料為能源的交通工具向大氣中排放有害氣體。若用于常規(guī)電池的改進(jìn)，由納米材料制成的電極將可提高電池效率，這將有利于現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)的改進(jìn)。2.6.3能源的節(jié)省納米技術(shù)在納米尺度由小到大制造物品，這樣所需資源少，在制造過(guò)程中能源消耗也少，對(duì)環(huán)境污染小，成本也低。由于納米技術(shù)使產(chǎn)品微型化，可使產(chǎn)品在使用過(guò)程節(jié)省大量能源。相信在不久的將來(lái)納米技術(shù)制造的低能耗，高性能的機(jī)械將會(huì)取代現(xiàn)有的這些能源消耗嚴(yán)重且效率低下的傳統(tǒng)機(jī)械，從而把能耗和污染降到最低限度。 2.7軍事領(lǐng)域納米技術(shù)在未來(lái)對(duì)軍事領(lǐng)域的影響有可能超過(guò)微電子技術(shù)的影響。通過(guò)納米技術(shù)，可以

28、把軍事設(shè)備盡可能小型化，微型化。通過(guò)運(yùn)用納米技術(shù)，還可以克服現(xiàn)有軍事設(shè)備的不足。 （1）利用納米技術(shù)制造的化學(xué)傳感器不但在尺寸與價(jià)格方面存在很大的優(yōu)勢(shì)，而且還可以實(shí)現(xiàn)單兵使用，在戰(zhàn)場(chǎng)上能及時(shí)有效地探測(cè)有毒化學(xué)制品。納米技術(shù)制造的識(shí)別裝置不但能夠起到敵我識(shí)別作用，而且還能迅速擴(kuò)大車輛截面;從而可減少由泥土、塵埃等帶來(lái)的誤差，達(dá)到高自主，低功耗，快速響應(yīng)的效果21。 （2）通過(guò)采用納米技術(shù)，可使機(jī)器人小型化。比麻雀略大,重量不足0.1千克,各種部件全部用納米材料制造,采用最先進(jìn)的微機(jī)電一體化集成技術(shù)整合,具有可重組性和再生性,成本低、質(zhì)量好、可靠性強(qiáng)的“納米衛(wèi)星”將布滿天空。如同蒼蠅般大小的袖珍飛

29、行器,可攜帶各種探測(cè)設(shè)備,具有信息處理、導(dǎo)航和通信能力的“袖珍飛機(jī)”能秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近,監(jiān)視敵方情況。比螞蟻還要小的“螞蟻士兵”可以通過(guò)各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中,長(zhǎng)期潛伏下來(lái)，在接收到命令之后可快速破壞敵方通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)。 （3）由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng),因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少了波的反射率,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)很微弱,從而達(dá)到隱身的作用;同時(shí),納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粉體大34個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低,利用

30、納米材料制成的紅外與微波隱身材料,可以逃避雷達(dá)的監(jiān)視. 2.8航天航空納米技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,與其他領(lǐng)域相比,相對(duì)重要的應(yīng)用可能有低能耗、抗輻射的高性能計(jì)算機(jī);用于太空船的納米儀器;通過(guò)使用納米結(jié)構(gòu)傳感器和納米電子器件,改進(jìn)航空電子器件;阻熱和耐用的納米結(jié)構(gòu)涂層。納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用,不僅可增加有效載荷,更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)倍地降低。利用納米制造技術(shù)能設(shè)計(jì)和制造用于飛機(jī)、火箭、空間站、太陽(yáng)探測(cè)平臺(tái)的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定的材料;低引力、高真空空間環(huán)境也有助于開(kāi)發(fā)地球上不能制造的納米結(jié)構(gòu)和納米系統(tǒng)。由于納米粉末具有極強(qiáng)的儲(chǔ)能特性,將其作為添加劑加入燃料中可大大提高燃燒率。將一

31、些納米粉末加入火箭的固體燃料推進(jìn)劑,可大幅度提高燃料的燃燒熱和燃燒效率,改善燃燒穩(wěn)定性。研究表明,向火箭固體燃料中加入0.5%的納米鋁粉或鎳粉,可使燃燒效率提高10%25%,燃燒速度加快數(shù)十倍。3. 結(jié)束語(yǔ) 納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類的生活產(chǎn)生了巨大的影響，但我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到納米時(shí)代的到來(lái)還需要許多科學(xué)家的長(zhǎng)期努力。有人曾擔(dān)心納米時(shí)代的到來(lái)會(huì)影響人類的正常生活，不過(guò)正如掌握核能的利用一樣，當(dāng)人們掌握了納米技術(shù)，它就會(huì)按照人類的意愿服務(wù)于人類。參考文獻(xiàn)1.趙樹(shù)朋, et al., 納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006(02): p. 119-120.2.高仁喜, et al., 納米技術(shù)與納米材料研發(fā)現(xiàn)狀. 濕法冶金, 2003(02): p. 57-65.3.袁巨龍, 劉盛輝, and 邢彤, 納米技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000(03): p. 62-68.4.朱世東, et