納米納米復(fù)合材料的應(yīng)用

納米納米復(fù)合材料的應(yīng)用

“納米”這個(gè)名字出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。它特別添加了直徑為1-100納米（1納米10-9米）的顆粒。納米技術(shù)包括納米材料的制備技術(shù)、納米顆粒表面的控制、改性和修飾技術(shù),以及把納米材料應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域和各種產(chǎn)品上的關(guān)鍵技術(shù)。事實(shí)上,世界上早就有納米顆粒存在,只是到80年代,科學(xué)家才驚奇地發(fā)現(xiàn),由幾個(gè)到幾千個(gè)原子組成的納米顆粒既不同于宏觀的大塊物體,也不同于單個(gè)的原子和分子,而是一個(gè)頗具“個(gè)性”的奇特的群體。此后,關(guān)于納米材料的制備方法、性能及應(yīng)用研究逐漸引起了各國(guó)科學(xué)家和政府的高度重視。在世紀(jì)交替之際,有人預(yù)言,納米技術(shù)可能成為下一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),美國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)則把“啟動(dòng)納米技術(shù)的計(jì)劃看作是下一次的工業(yè)革命的核心”。之所以受到如此的重視,是因?yàn)榧{米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用幾乎涉及現(xiàn)代化工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。納米材料是由納米顆粒組成的。納米顆粒中的電子被局限在一個(gè)十分微小的納米空間里,電子運(yùn)輸受到限制,電子的平均自由程短,使電子的局域性和相干性增強(qiáng)。與宏觀物體相比,納米顆粒所包含的原子數(shù)大大減少,因此宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失,能級(jí)分裂,呈現(xiàn)量子化。這些實(shí)質(zhì)性變化,使得納米材料在光、電、熱、磁等物理性質(zhì)方面和宏觀材料有很大的不同,并展現(xiàn)出十分廣泛的應(yīng)用前景。以計(jì)算機(jī)為例:科學(xué)家及時(shí)把納米材料引入到計(jì)算機(jī)工業(yè),已成功地制備出各種元件。1988年,法國(guó)科學(xué)家在研究Fe/Cr多層膜時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng),即:在一定的磁場(chǎng)下物質(zhì)(金屬或合金)電阻急劇減小的現(xiàn)象。Fe/Cu、Fe/Al等納米結(jié)構(gòu)的多層膜有顯著的巨磁阻效應(yīng)。1994年IBM公司研制出的巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,使磁盤記錄密度提高了17倍。1997年,以巨磁阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件在美國(guó)研制成功,它將應(yīng)用于計(jì)算機(jī)讀出磁頭、磁存儲(chǔ)、磁記憶等方面。巨磁阻材料在不同磁化狀態(tài)下具有不同的電阻值,利用這一特性制成隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM),在無(wú)電源的情況下可以繼續(xù)保留信息。1998年,美國(guó)首次研制出由磁性納米棒組成的“量子磁盤”。該磁盤記錄密度預(yù)計(jì)可達(dá)400Gb/in2,相當(dāng)于每平方英寸可存儲(chǔ)20萬(wàn)部紅樓夢(mèng),其極限磁記錄的理論值可達(dá)6000Gb/in2、。1999年,100nm的芯片又在美國(guó)誕生了。由此可見(jiàn),納米材料的引入將引起計(jì)算機(jī)革命。隨著納米技術(shù)對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域的迅速滲透,醫(yī)學(xué)以至人類的生活方式將出現(xiàn)革命性的變革,這一點(diǎn)在了解細(xì)胞的生命過(guò)程以及納米技術(shù)的特征后是不難理解的。我們知道,細(xì)胞是生命的最小單位,同時(shí)又是一個(gè)活的微型機(jī)器,其中的酶分子即是活的微型機(jī)器人。蛋白構(gòu)象的變化使酶分子中不同結(jié)構(gòu)域的動(dòng)作恰如微型機(jī)器人在搬動(dòng)和重新安排底物分子的原子排列順序。細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)單元是具有某種特定功能的微型機(jī)器。例如:核糖體是遵照基因密碼的指令安排氨基酸順序制造蛋白質(zhì)分子的機(jī)器;膜囊泡則按照信號(hào)肽的指令負(fù)責(zé)運(yùn)送蛋白質(zhì)到確定的部位;高爾基器負(fù)責(zé)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾;蛋白質(zhì)完成了功能使命后被貼上標(biāo)簽送去水解成氨基酸備用。細(xì)胞的生命過(guò)程就是這樣不斷交替更新的。納米技術(shù)是人工可以在分子的層次上進(jìn)行不同的組裝。因此,也就可以模擬生命過(guò)程中功能不同的活的微型機(jī)器人的特性,組裝出各種納米機(jī)器人,使其在生命過(guò)程中發(fā)揮同樣的作用。科學(xué)家設(shè)想制造出負(fù)責(zé)清掃血管的納米機(jī)器人,專門清掃血管壁上的膽固醇等沉積物,以預(yù)防心血管病,同時(shí)也可以制作出清掃體內(nèi)癌細(xì)胞等的機(jī)器人。在納米技術(shù)的參與下,生命將不再神秘。事實(shí)上,科學(xué)家通過(guò)顯微鏡操作技術(shù)已將果蠅的染色體基因進(jìn)行移動(dòng),結(jié)果培育出的果蠅多長(zhǎng)了一個(gè)胸脯和翅膀,甚至把果蠅的眼睛、翅膀挪動(dòng)位置。用納米技術(shù)去操縱基因排列將更加神奇,可以對(duì)錯(cuò)誤的基因進(jìn)行修正,從而治療各種疾病。瑞典科學(xué)家用黃金和多層聚合物制作的微型醫(yī)用機(jī)器人,可移動(dòng)并撿起肉眼看不見(jiàn)的玻璃珠,它將用于在人體內(nèi)移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞,成為微型手術(shù)器械。早在50年代,人們就已經(jīng)開(kāi)始研究金屬納米顆粒的催化性能,只不過(guò)在那時(shí),納米還沒(méi)有成為一個(gè)系統(tǒng)的概念。他們發(fā)現(xiàn),在一定的條件下,金屬納米顆粒催化斷裂H—H、C—C和C—O鍵的活性很強(qiáng)。這主要是因?yàn)榇呋磻?yīng)是在催化劑表面進(jìn)行的,而納米材料的表面原子所占的比例很大,同時(shí)表面原子數(shù)和總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而增大(一般占總原子數(shù)的50%左右),所以它具有很高的比表面積和表面能,表面的鍵態(tài)和電子態(tài)和顆粒內(nèi)部不同,表面原子配位不全等原因,導(dǎo)致活性點(diǎn)多,因此和傳統(tǒng)的催化劑相比,納米材料的催化活性和選擇性都大大提高。納米顆粒催化劑主要分為以下幾類:即金屬納米粒子催化劑和帶有襯底的金屬納米粒子催化劑,第三種是碳化鎢、γ-Al2O3、γ-Fe2O3等納米粒子聚合或者是分散在載體上。金屬納米粒子催化劑主要以貴金屬為主。如Pt\,Pd\,Rh等,此外還包括一些非貴金屬,如Ni、Fe、Co等。例如,以粒徑為30nm的Ni微粒來(lái)催化環(huán)辛二烯的加氫反應(yīng)時(shí),選擇性為210,而傳統(tǒng)的Ni催化劑的選擇性僅為24。又如,銀納米顆粒可以催化氧化乙烯,其活性要比傳統(tǒng)的催化劑要高許多。帶有襯底的金屬納米粒子催化劑主要是以氧化物為載體,把粒徑為1至10nm的金屬粒子分散到多孔的襯底上。例如將3至4nmPd微粒負(fù)載在TiO2上,在常溫常壓下催化1,2-二己烯加氫反應(yīng),轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到100%,而常用的工業(yè)Pd催化劑在相同的反應(yīng)時(shí)間里僅可得到29.17%的己烷。又如,將Au納米粒子固載在Fe2O3、CO3O4等上,在70℃時(shí)就表現(xiàn)出了較高的催化氧化活性。納米級(jí)催化劑還正處于實(shí)驗(yàn)室階段,例如:三效催化劑廣泛應(yīng)用于汽車尾氣處理,效果并不理想,但加入納米級(jí)的復(fù)合稀土氧化物后,對(duì)尾氣的凈化特別明顯,尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化了。同樣納米TiO2可以用來(lái)降解有機(jī)磷,催化降解毛紡染整廢水,還可以降解石油,從而解決了有關(guān)的污染問(wèn)題。納米技術(shù)及其應(yīng)用研究的發(fā)展,為陶瓷行業(yè)的發(fā)展增加了新的活力。納米粉體可用于陶瓷的改性,這是因?yàn)槲⑿〉募{米顆粒不僅比表面積大,而且擴(kuò)散速度快,因而進(jìn)行燒結(jié)時(shí)致密化的速度就快,燒結(jié)溫度也低。目前,這方面已經(jīng)有不少實(shí)驗(yàn)室成果。西歐、美國(guó)等國(guó)家的科學(xué)家正在做中間生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化工作。例如,在粗晶粉體中添加Al2O3的納米粉,可以提高氧化鋁的致密度和耐熱疲勞性;把Al2O3和ZrO2納米粉混合后,可得到高韌性的陶瓷材料,并且燒結(jié)溫度降低了100℃。長(zhǎng)期以來(lái),作為微電子工業(yè)的主要材料之一的氧化鋁基板材料,我國(guó)一直依靠進(jìn)口。最近,我國(guó)科技工作者制備了添加納米氧化鋁的基板材料,其光潔度、冷熱疲勞、斷裂韌性都大大提高,熱導(dǎo)系數(shù)也比常規(guī)材料提高了20%。高性能納米陶瓷的發(fā)展還在于保證納米粉體的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)微粒粒徑大小和分布、形狀的可控以及粉體的無(wú)團(tuán)聚,這些是發(fā)展新型陶瓷的可靠基礎(chǔ)。雖然納米材料的發(fā)展歷史很短暫,但它已經(jīng)慢慢從實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)入到尋常百姓中,滲透到了我們衣、食、住、行的各個(gè)方面。納米材料的運(yùn)用可使得許多傳統(tǒng)產(chǎn)品改頭換面。傳統(tǒng)的彩電等家用電器的外殼一般都是黑色的。這主要是由于需要利用樹(shù)脂加炭黑來(lái)進(jìn)行靜電屏蔽,而今,日本松下公司已經(jīng)研制出Fe2O3、TiO2等納米涂料,既有屏蔽作用,又具不同色彩,從而克服了用炭黑靜電屏蔽只有單一顏色的局限性,使得彩色電視機(jī)終于成為名副其實(shí)的“彩色”家電。又如,在化纖制品和紡織品中添加納米顆粒,可以起到除味殺菌的作用;而把納米顆粒加入到油墨中也可改善油墨的流動(dòng)性。在烈日炎炎的夏天,防曬成了人們所關(guān)注的一件事情。在防曬品中加入表面覆蓋力強(qiáng)、對(duì)身體無(wú)害的高聚物的納米顆粒,既可增強(qiáng)防曬品的防紫外線的能力,同時(shí)還改善了防曬品的性能,真可謂一舉兩得。由于微粒的粒徑極小,其比表面積大大增加,例如當(dāng)粒徑為5nm時(shí),表面原子占50%,而當(dāng)粒徑為2nm時(shí),表面原子增加到80%,這種鍵態(tài)的嚴(yán)重失配產(chǎn)生了許多活性中心,使得納米材料具有極強(qiáng)的吸附能力,因而可以輕松捕獲各種促使物質(zhì)腐敗變質(zhì)的氧原子、氧自由基,以及產(chǎn)生其他異味的烷烴類分子。根據(jù)納米材料的這一性質(zhì),把納米顆粒添加到纖維制品中,可以使纖維制品具有除味殺菌的作用,具有除臭功能的醫(yī)用紗布就是這個(gè)道理。無(wú)菌冰箱則是因?yàn)樵诒涞乃芰现刑砑恿思{米材料。納米材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。如在軍事領(lǐng)域中,可以將納米材料應(yīng)用于隱身技術(shù)。例如,美國(guó)F117A型飛機(jī)的隱身材料中就含有多種納米顆粒,它們對(duì)不同波段的電磁波有很強(qiáng)的吸收能力。此外,納米材料還可作