納米材料的概念、納米效應(yīng)及前沿進展

納米材料的概念、納米效應(yīng)及其前沿進展主要內(nèi)容：第一部分納米材料的概念第二部分納米效應(yīng)第三部分納米技術(shù)的應(yīng)用第四部分納米材料的熱點研究領(lǐng)域第五部分納米技術(shù)的安全性評估第一部分納米材料的概念納米材料是指顆粒/晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。一般為100~102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子；二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。材料的某一維、二維或三維方向上的尺度達到納米范圍（1－100nm）尺寸，可將此類材料稱為納米材料：三維尺寸達到納米級的，稱為零維材料，如納米顆粒；二維尺寸達到納米級的稱為一維納米材料，如納米管、線、納米條帶；一維尺寸達到納米級的稱為二維納米材料，如superlattice(quantumwell),thinfilms

。另外還有納米孔洞材料1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。第二部分納米效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長，德布羅意波長，超導(dǎo)態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變，金屬熔點降低，增強微波吸收等。舉例：利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱型飛機等。應(yīng)用：體積效應(yīng)（數(shù)量巨大）高密度磁記錄吸波材料磁流體……

舉例：熔點、硬度、顏色等Ag：熔點670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色

量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，使得能隙變寬的現(xiàn)象，被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。不同的半導(dǎo)體材料，其量子尺寸是不同的，CdS：5-6nm，PbS：18nm，TiO2：10nm。

量子尺寸效應(yīng)：能帶從連續(xù)變?yōu)殡x散，Eg能隙變寬現(xiàn)象Eg尺寸幾個納米(<5nm)納米材料的表面效應(yīng)：是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。納米材料的比表面大，相比于塊狀材料，納米材料表面排列的原子數(shù)目與內(nèi)部原子數(shù)目之比明顯增高。由于表面原子的鍵合狀態(tài)與內(nèi)部原子不同，鍵態(tài)失配，因而出現(xiàn)非化學(xué)平衡，故納米材料的化學(xué)活性較強。粒徑/nm原子數(shù)/個表面原子所占比例/%202.5×10510103×1042054×1034022.5×1028013099納米粒子的粒徑與表面原子的關(guān)系應(yīng)用：利用表面的領(lǐng)域高效催化劑精密光學(xué)器件拋光材料高效阻燃劑……

量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)對納米半導(dǎo)體粒子的光學(xué)特性有很大的影響，而且導(dǎo)致納米半導(dǎo)體粒子擁有一些新的光學(xué)性質(zhì)（下面將分別討論4種情況）。寬頻帶強吸收。如ZnO、TiO2、Fe2O3等納米半導(dǎo)體化合物粒子，對紫外光有強吸收作用。而微米級的對紫外光幾乎不吸收。這些納米氧化物對紫外光的吸收主要因為它們的半導(dǎo)體性質(zhì)，在紫外光的照射下，電子被激發(fā)，由價帶向?qū)кS遷而引起的。吸收帶邊的移動現(xiàn)象。與塊體材料相比，納米粒子的吸收邊普遍有“藍移”現(xiàn)象，即吸收帶向短波方向移動。例如：銳鈦型TiO2的紫外光區(qū)的吸收邊為393nm，而粒徑為30nm的，其紫外光區(qū)吸收邊為385nm，吸收邊藍移了8nm。吸收帶邊藍移的解釋：通常半導(dǎo)體粒子尺寸效應(yīng)與其激子波爾半徑相近時，隨著粒子尺寸的減少，半導(dǎo)體粒子的有效帶隙增加，其相應(yīng)的吸收光譜和熒光光譜發(fā)生藍移，從而在能帶中形成一系列分離的能級。一些納米粒子如CdS、ZnO、Cd3As2等的量子尺寸效應(yīng)可以用下式描述：E（r）：納米半導(dǎo)體粒子的吸收帶隙Eg（r=∞）：體相半導(dǎo)體粒子的吸收帶隙，r粒子半徑h：Plank常數(shù)，e：電子所帶電荷量：粒子的折合質(zhì)量電子的有效質(zhì)量空穴的有效質(zhì)量有限的里德伯量量子限域能（藍移）電子-空穴對庫侖的作用能（紅移）納米材料的體積效應(yīng)：由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡并電子態(tài)，并進一步假設(shè)它們的能級為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級，并認(rèn)為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：δ=4EF/3N∝V-1∝1/d3

其中N為一個金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，V為納米粒子的體積；EF為費米能級

隨著納米粒子的直徑減小，能級間隔增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。

量子限域效應(yīng)：正常條件下，納米半導(dǎo)體材料界面的空穴濃度比常規(guī)材料高得多。當(dāng)納米粒子的粒徑小于激子波爾半徑時，電子運動的平均自由程縮短，并受粒徑的限制，空穴約束電子很容易形成激子。導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)的重疊，這就容易產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減少，重疊因子（在某處同時發(fā)現(xiàn)電子和空穴的概率）增加，也即是激子濃度越高。在能隙中靠近導(dǎo)帶底形成一些激子能級，就會產(chǎn)生激子發(fā)光帶。納米材料的激子發(fā)光很容易出現(xiàn)，而且激子發(fā)光帶的強度隨著粒徑的減少而增加并藍移，這就是量子限域效應(yīng)。納米粒子的光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)納米顆粒的粒徑小到一定值時，可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光。粒徑小于6nm的Si在室溫下可發(fā)射可見光。6001000800波長/nm不同粒徑的納米Si在室溫下的發(fā)光光譜d1d2d3粒徑：d1d2

d3納米半導(dǎo)體粒子表面經(jīng)過化學(xué)修飾后，粒子周圍的介質(zhì)可以強烈地影響其光學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為吸收光譜和熒光光譜的紅移。介電限域效應(yīng)：納米材料的介電限域效應(yīng)較少被注意到，實際樣品中，粒子被空氣、聚合物、玻璃或溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無機半導(dǎo)體低。光照射時，由于折射率不同而產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域、納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場強比輻照光的光強增大了。就稱為介電限域效應(yīng)。這種局部的場強增強效應(yīng)，對半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響，對于無機-有機雜化（hybrid）材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對反應(yīng)過程和動力學(xué)有重要的影響。庫侖阻塞效應(yīng)和隧穿效應(yīng)絕緣層電極電極00+e-e（a）（b）-e/2+e/2（c）+e/2-e/2（d）（a）表示兩個電極都未帶電荷，（b）表示有一個電子從一電極到了另一電極，電極兩邊分別帶一個正電荷和負電荷，系統(tǒng)能量增加了，如果沒有外加能量，不可能有一個電荷從一個電極穿過隧道到另一電極，這就是“庫侖阻塞”改變系統(tǒng)原始狀態(tài)（c）兩個電極分別各帶+e/2和-e/2的電荷，此時若有一個電子通過隧道從一個電極到另一個電極，系統(tǒng)就變?yōu)椋╠）的狀態(tài)，系統(tǒng)的總能量沒有變化，這就是“隧穿效應(yīng)”第三部分納米技術(shù)的應(yīng)用納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制，納米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國材料學(xué)家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的塑性形變。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等在納米量級的水平上。納米陶瓷的基本成分與傳統(tǒng)陶瓷無太大區(qū)別，但其宏觀性質(zhì)卻發(fā)生了很大變化，不僅保持了原來絕熱好的特點，而且致密化速度快、燒結(jié)溫度低，具有十分優(yōu)異的強度、硬度、韌性、彈性模量和抗高溫蠕變性能，使之可以機械加工、彎曲，而且耐高溫。據(jù)報道，納米級氧化鋯（ZrO2）粉料可以在1250℃的溫度下燒結(jié)成陶瓷，比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低400℃，密度可達到理論密度的98%以上，且具有400%的塑性形變。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。舉例：美國空軍正在研究將納米陶瓷用于制作飛機、火箭、導(dǎo)彈的發(fā)動機的技術(shù)途徑。這種發(fā)動機不僅能夠滿足在惡劣環(huán)境下正常工作的需求，而且具有功率大、安全性好、航速高，節(jié)省能源；在應(yīng)用納米技術(shù)研制的陶瓷基復(fù)合材料方面，已用碳纖維增強陶瓷基復(fù)合材料試制出燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室，而且熱力學(xué)性能極好，目前美國空軍正在研究將其用于液體火箭發(fā)動機的可行方案。同時，用納米陶瓷制作的航天器、飛機的防護層、坦克的防護裝甲，其抗穿甲能力可以提高4～5倍。納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。具體實例：清華大學(xué)的范守善教授利用碳納米管，將氣相反應(yīng)限制在納米管內(nèi)進行，從而生長出半導(dǎo)體納米線。從一種“超順排”碳納米管陣列中拔出一束碳納米管時，碳納米管可以自組織成一條連續(xù)的長線在抽絲的過程中，陣列中的碳納米管則通過范德耳爾力互相連接起構(gòu)成連續(xù)的純碳納米管線另外：在1997年，范守善項目組還制備出了GaN納米線。1998年該科研組與美國斯坦福大學(xué)合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。目前，利用納米電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。早在1989年，IBM公司的科學(xué)家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細量子線結(jié)構(gòu)技術(shù)，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關(guān)功能的量子點陣列。目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關(guān)特性的納米器件，由激光驅(qū)動，并且開、關(guān)速度很快。2007年8月IBM展示單原子存儲、分子開關(guān)美國威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。此外，若能將幾十億個量子點連結(jié)起來，每個量子點的功能相當(dāng)于大腦中的神經(jīng)細胞，再結(jié)合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學(xué)將成為對世紀(jì)信息時代的核心。目前納米電子學(xué)的幾大難題納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預(yù)測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計量子計算機。美國南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計算技術(shù)的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術(shù)有了進一步的認(rèn)識。雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當(dāng)今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個光循環(huán)過程中，細菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調(diào)諧激光束，將信息并行地寫入細菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供比二維光學(xué)存儲器大得多的存儲空間。目前的一些進展美國錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲器。此外，他們還利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲裝置。2005年2月惠普的一群研究人員公布了他們的研究成果：設(shè)計出一種“crossbarlatch”鎖存，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯運算這種現(xiàn)代計算機技術(shù)的基本操作。來自網(wǎng)站消息：/article/2005/0202/A20050202388330.shtml成功與挑戰(zhàn)在過去幾年分子計算機的概念已經(jīng)從一個科學(xué)上的幻想逐漸變成現(xiàn)實中的事實，自從10年前Adleman在science雜志上發(fā)表他開創(chuàng)性的工作以來，DNA分子計算機已經(jīng)成為一個有活力的，快速發(fā)展的領(lǐng)域。Science近期對這些做了簡短的回顧，并在同期發(fā)表一個關(guān)于DNA分子計算機的重要工作，下文是對該工作的評論。納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進的數(shù)字信息處理技術(shù)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，將光調(diào)制器和光探測器結(jié)合在一起的量子阱電光效應(yīng)器件，將為實現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運算提供可能。目前的一些進展美國桑迪亞國家實驗室的Paul等發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。除了能提高效率以外，無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實現(xiàn)瞬時開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關(guān)，適合用于光纖通信。由于納米技術(shù)的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實現(xiàn)將指日可待。2005年5月，位于美國紐約的IBM研究中心在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了其最新研究成果：在納米管的相關(guān)實驗中探測到了光。這就是說，使碳納米管發(fā)光的理想將變?yōu)楝F(xiàn)實。

IBM此次發(fā)表的科研成果，展示的光信號發(fā)射器是一個直徑為1.4納米的單納米管，實驗所探測到的是1.5微米的光，正好與目前光纖網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的光波一致。Avouris表示，如果使用體積較大或較小的納米管，還可以產(chǎn)生其他顏色（意味著不同波長）的光束。IBM獲得此項成果并非偶然，早在2001年，藍色巨人首家開發(fā)出能夠大量制造碳納米管晶體管的技術(shù)，而在這之前，雖然研究人員早就找到了將碳納米管裝配成晶體管的方法，但只能將碳納米管逐個處理，無法大量獲得。納米碳管在場發(fā)射特性方面最被平面顯示業(yè)界看好，一般都公認(rèn)這種新材料可以在傳統(tǒng)十分之一的電場下發(fā)射出過去千倍以上強度的電子束。目前的電視都是利用電子槍向屏幕發(fā)射電子來成像，如果使用具有高度定向性的單壁碳納米管作為電子發(fā)送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，還可以縮短電子到屏幕之間的距離，使得制造更薄的壁掛電視成為可能。在產(chǎn)業(yè)界，最早投入納米碳管CNT-FED的是韓國的三星電子與美國的Motorola，其中三星電子在1999年已經(jīng)展示了4.5吋彩色的CNT-FED。2001年，日本的伊勢電子工業(yè)成功試制了在發(fā)射極使用碳納米管（CNT）的14.5英寸大畫面彩色FED（FieldEmissionDisplay，場發(fā)射式顯示器）、其亮度高達1萬cd/m2；日本雙葉電子工業(yè)在2003年的"NanoTech2003"上，展示了由該公司開發(fā)的采用碳納米管（CNT）的FED面板。太陽能光電幕墻玻璃是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材目前，世界上最大的太陽能屋頂光電系統(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)易展覽中心。該系統(tǒng)由7812塊西門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率130W，總?cè)萘砍^IMW，所發(fā)電力與20KV電網(wǎng)相聯(lián)，每年能發(fā)電100萬KWH，足夠340戶德國家庭使用。我國于2002年開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品，并成功首次應(yīng)用在位于深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的方大集團科技中心大廈工程中，其采用的光電幕墻有效面積為93.8平方米，設(shè)計峰值發(fā)電功率10.3千瓦，建筑標(biāo)高97米，是我國第一幢光電幕墻建筑。納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粉體粒徑小，比表面積大，可以作為化工催化劑的載體。半導(dǎo)體光催化特性半導(dǎo)體光催化機理光催化原理及應(yīng)用TiO2光催化反應(yīng)過程如下：TiO2+hνe+h+h++H2OOH+H+e+O2

O2-+H+HO2HO2+HO2

H2O2+O2H2O2+O2-OH-+OH+O2在TiO2表面生成的OH和O2-基團的氧化能力較強，有機物和細菌有機物可被其氧化分解為CO2和H2O。納米TiO2光催化劑應(yīng)用納米TiO2光催化降解有機污染物納米TiO2光催化殺菌納米TiO2光催化自潔納米TiO2光催化室內(nèi)環(huán)境治理我們實驗室開發(fā)的TiO2光觸媒材料與國內(nèi)同類光觸媒噴霧劑場降解甲醛能力比較對比測試試樣日光燈照24小時甲醛降解率（甲醛初始濃度1.6-2ppm左右）CSC11.11%DAX53.01%盈喜38.02%項目組開發(fā)納米TiO2光催化劑49.47%德國P2543.37%納米材料紫外屏蔽特性含0.05%的金紅石納米TiO2粉體的紫外可見光吸收和透射譜圖紫外屏蔽織物純棉織物加入TiO2紫外屏蔽劑的織物化妝品—防曬納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線添加納米TiO2復(fù)合粉體納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15~20nm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。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，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微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，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)取得了突破性進展，現(xiàn)在已用于臨床動物實驗，估計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，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結(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)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。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)生一次革命第四部分納米材料的一些熱點研究領(lǐng)域納米組裝體系的設(shè)計和研究納米陣列體系介孔與納米顆粒復(fù)合體系和納米顆粒膜納米鑲嵌體系納米核殼結(jié)構(gòu)目的是根據(jù)需要設(shè)計新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標(biāo)是為納米器件的制作進行前期準(zhǔn)備。如高亮度固體電子顯示屏，納米晶二極管，真空紫外到近紅外特別是藍、綠、紅光控制的光致發(fā)電和電子發(fā)光管等都可以用納米晶作為主要的材料，國際上把這種材料稱為“量子”納米晶，目前在實驗室中已設(shè)計出的納米器件有Si-SiO2的發(fā)光二極管，Si摻Ni的納米顆粒發(fā)光二極管，用不同納米尺度的CdSe做成紅、綠、藍光可調(diào)諧的二極管等。納米陣列體系的研究目前主要集中在金屬納米結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在一個絕緣的襯底上整齊排列的二維體系。介孔與納米組裝體系和顆粒膜主要設(shè)計思想是利用小顆粒的量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)，根據(jù)需要對材料整體性能進行剪裁、調(diào)整和控制達到常規(guī)不具備的奇特性質(zhì)，這方面的研究是一個引人注目的前沿領(lǐng)域。納介孔復(fù)合體系特點：既有納米小顆粒本身的性質(zhì)，同時通過納米顆粒與基體的界面隅合，又會產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。整個體系的特性與基體的孔洞尺寸，比表面以及小顆粒的體積百分比數(shù)有密切的關(guān)系?？梢酝ㄟ^基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個體系表現(xiàn)為納米顆粒的特性；也可以通過空隙的連通，利用滲流效應(yīng)使體系的整體性質(zhì)表現(xiàn)為三維塊體的性質(zhì)。目前，這種體系按支撐體的種類可劃分為：無機介孔和高分子介孔復(fù)合體兩大類。小顆?？梢允牵航饘?、半導(dǎo)體、氧化物、氮化物、碳化物。按支撐體的狀態(tài)也可分為有序和無序介孔復(fù)合體。核殼結(jié)構(gòu)核心是金屬、半導(dǎo)體或者氧化物晶粒，殼的組成很廣泛，根據(jù)各種功能不同進行選擇。常用的半導(dǎo)體核殼結(jié)構(gòu)：CdSe@ZnS,

CdSe@ZnSe,

andCdSe@CdS，Core@shell金屬@金屬型核殼結(jié)構(gòu)，可以獲得具有不同光學(xué)性能的金屬納米晶，Au@Ag，Ag@Au，F(xiàn)e@Au，Au@Pd等金屬@氧化物型，或者氧化物@氧化物，氧化物@金屬XiangdongFeng,ZhongLinWang等，ConvertingCeriaPolyhedral

Nanoparticlesinto

Single-Crystal

Nanospheres，9JUNE2006VOL312

SCIENCE高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成對納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金重點放在大幅度提高材料的強度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無位錯或低位錯密度區(qū)域使其達到高硬度、高強度。納米結(jié)構(gòu)銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍，屈服強度高12倍；對納米陶瓷材料，著重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的復(fù)合材料，斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍，原因是這類納米陶瓷龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面提供了高擴散的通道，擴散蠕變大大改善了界面的脆性。納米添加使傳統(tǒng)材料改性三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm納米三氧化二鋁，熱穩(wěn)定性提高了2——3倍，熱導(dǎo)系數(shù)提高10％——15％。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強，壽命提高。添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性。納米材料添加到其他材料中都可以根據(jù)需要，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾吞砑恿窟_到材料改性的目的，應(yīng)用前景廣闊。納米涂層材料的設(shè)計與合成主要的研究聚集在功能涂層上，包括傳統(tǒng)材料表面的涂層、纖維涂層和顆粒涂層，在這一方面美國進展很快。80nm的二氧化錫及40nm的二氧化釹、20nm的三氧化二鉻與樹脂復(fù)合可以作為靜電屏蔽的涂層，80nm的BaTiO3可以作為高介電絕緣涂層，40nm的Fe3O4可以作為磁性涂層，80nm的Y2O3可以作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高，用于紅外窗口材料。近年來人們根據(jù)納米顆粒的特性又設(shè)計了紫外反射涂層，各種屏蔽的紅外吸收涂層、紅外涂層及紅外微波隱身涂層，在這個方面的研究逐有上升的趨勢；目前除了設(shè)計所需要的涂層性能外，主要的研究集中在噴涂的方法，大部分研究尚停留在實驗室階段，日本和美國在靜電屏蔽涂層、絕緣涂層工藝上有所突破，正在進入工業(yè)化生產(chǎn)的階段。納米顆粒表面修飾和包覆的研究主要是針對納米合成防止顆粒長大和解決團聚問題進行的，有明確的應(yīng)用背景。已成功地在ZrO2納米顆粒表面包覆了Al2O3，在納米Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有機包覆，TiO2表面的有機和無機包覆都已在實驗室完成。包覆的小顆粒不但消除了顆粒表面的帶電效應(yīng)，防止團聚，同時，形成了一個勢壘，使它們在合成燒結(jié)過程中（指無機包覆）顆粒不易長大。有機包覆使無機小顆粒能與有機物和有機試劑達到浸潤狀態(tài)。這為無機顆粒摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)研究工作，推動了納米復(fù)合材料的發(fā)展。第五部分納米技術(shù)的安全性評估問題由于納米結(jié)構(gòu)所具有的特殊物理、化學(xué)性質(zhì)，有關(guān)納米材料和納米技術(shù)的研究已成為當(dāng)今科學(xué)的前沿?zé)狳c。納米技術(shù)一旦滲入生物學(xué)領(lǐng)域?qū)⒀杆俑淖冝r(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的面貌，人類生活方式也將在納米技術(shù)與信息技術(shù)、認(rèn)知科學(xué)和生物技術(shù)的結(jié)合中迅速出現(xiàn)革命性的變革，同時，種種跡象已經(jīng)表明納米物質(zhì)具有與常規(guī)物質(zhì)完全不同的毒性，在人類健康、社會倫理、生態(tài)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等方面將會引發(fā)諸多問題，納米技術(shù)必將會取代基因技術(shù)成為最受爭議的應(yīng)用技術(shù)，影響遍及農(nóng)業(yè)發(fā)展、計算機、醫(yī)療、制藥、國防、服裝等很多方面。我國目前有29種納米材料在進行工業(yè)化生產(chǎn)，還有數(shù)種納米材料可在實驗室大規(guī)模合成，納米材料對環(huán)境及人民健康的影響已是一個現(xiàn)實問題。納米技術(shù)存在的安全性評估問題與疾病有關(guān)的納米顆粒污染早已存在大氣可吸入顆粒物污染已成為大氣環(huán)境污染的突出問題，并日益引起各國高度重視。除大氣環(huán)境污染外，局部的工作環(huán)境內(nèi)也存在納米顆粒污染，如由于吸收了電焊過程中產(chǎn)生的含金屬納米顆粒的廢氣，電焊工人患帕金森癥的幾率大大高于普通人。由吸入長時間吸入粉塵而造成的矽肺早已存在。在納米粉體的生產(chǎn)和制造過程中，同樣存在這樣的問題。若非濕法等生產(chǎn)方式，納米顆粒會在生產(chǎn)過程中飛散在空氣中，人長期吸入這些含有粉塵的空氣，就會有得矽肺的潛在可能性。納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中存在未知風(fēng)險科學(xué)家正努力將納米技術(shù)運用到仿生學(xué)，設(shè)想研制出僅由數(shù)千個原子組成、微小得幾乎看不見的納米機器人，它們可以非常靈活地在細胞之間工作，能撿起和移動肉眼看不見的顆粒?？茖W(xué)家希望納米機器人能在血液、尿液和細胞介質(zhì)中工作，不僅可以捕捉和移動單個細胞，而且能夠移動和重新安排人體細胞中的原子排列順序，使其按照新的指令發(fā)揮功能。納米技術(shù)甚至可能仿照生命過程的各個環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機器人，比如讓它們在血管中負責(zé)清除血管壁上沉積物，進入組織間隙清除癌細胞等。但是，由此是否會引發(fā)相應(yīng)的負反應(yīng)至今尚沒有任何機構(gòu)開展研究，存在諸多未知的風(fēng)險。納米技術(shù)在藥物中存在未知風(fēng)險近年來，出現(xiàn)了藥物納米化的趨勢，當(dāng)藥物到達納米級的時候，性質(zhì)會發(fā)生什么樣的變化，這是未知的。只是有報道說藥效提高了多少，吸收率有多好，但是大多沒有針對納米材料的特性深入開展安全性方面的研究，并提到可能的毒性有多少。另外，某些藥物納米化技術(shù)也可能存在潛在問題，如植物類藥物采用激光法粉碎，會把化學(xué)鍵打斷，然后生成自由基，下一步自由基重新組合，又生成其它的物質(zhì)，這種新生成的物質(zhì)是原本在藥物中不存在的，也許會是有毒的，需要我們通過大量的實驗，考察該方法是否會產(chǎn)生有毒的物質(zhì)，是否對人體有潛在的危害性。納米技術(shù)在日常生活用品中的潛在風(fēng)險添加納米材料的化妝品、聚酯類啤酒瓶等產(chǎn)品，直接與人體接觸，納米顆粒作用于人體，其長期使用存在的問題是未知的，有待深入的研究。拿防曬霜為例，2003年一項研究表明很多產(chǎn)品中使用的二氧化鈦納米微?？梢赃M入皮膚甚至細胞，并在細胞內(nèi)產(chǎn)生自由基，破壞原有的基因，其長期使用的安全性是值得我們進行評估的。又如加入納米顆粒的婦女衛(wèi)生巾，具有極強的抗殺細菌作用。但是，這些與人體接觸的材料有多少納米顆粒會脫落，而這些脫落的納米顆粒的粒徑是多少，有多少會進入人體，并且多大的粒徑是相對安全的，進入人體的納米顆粒是如何代謝的，它對人體會產(chǎn)生什么樣的作用，所有這一切的答案都需要進行深入的研究來解答。對于上面提到問題的一些研究進展幾組科學(xué)家在2003年3月美國化學(xué)會舉行的年會上報告了納米顆粒對生物可能存在的作用。其中，紐約羅切斯特大學(xué)（RochesterUniversity）醫(yī)學(xué)和牙科學(xué)院的毒物學(xué)家Oberdorster發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)在含有直徑為20納米的“特氟龍”塑料（聚四氟乙烯）顆粒的空氣中生活了15分鐘的實驗鼠會在隨后4小時內(nèi)死亡；而暴露在含直徑120納米顆粒（相當(dāng)于細菌的大小）的空氣中的對照組則安然無恙，并沒有致病效應(yīng)。在另一項研究中，該研究小組發(fā)現(xiàn)用碳13和錳制作的納米顆粒能夠進入