奈米材料論文新版多篇

奈米材料論文 篇一

摘 要

奈米材料由於其自身特有的物理效應和化學性質，在不同領域具有廣泛的應用性，因此被譽為“21世紀最有前途的材料”。奈米材料的應用前景十分廣闊，它的發展給物理、化學、材料、生物、醫藥等學科的研究帶來了新的機遇。

通過對奈米材料及製備技術課程的學習，本文綜述了對奈米材料的認識，以及其特性、分類、製備方法和其應用領域。 關鍵詞：奈米材料；分類；特性；製備；應用 前言

1.1 奈米及奈米材料

奈米，實際上是一個長度計量單位，1 nm = 10-9 m，即一米的十億分之一。正是這神奇的十億分之一米，向我們開啟了一個嶄新的微觀物質世界。當物質到奈米尺度以後，大約是在1～100nm這個範圍空間，物質的效能就會發生突變，呈現出特殊效能。這種既具有不同於原來組成的原子、分子，也不同於巨集觀物質的特殊效能構成的材料，即為奈米材料。奈米材料的科學價值和應用前景已逐步被人們所認識，奈米科學與技術被認為是 21 世紀的三大科技之一。

1.2 奈米材料的發展簡介

近年來，世界各國對奈米材料給予了極大的關注，對奈米材料的結構與效能、製備技術以及應用前景進行了廣泛而深入的研究，並紛紛將其列入高科技開發專案。2005奈米科技研發預算已達到10億美元，而且在美國該預算的優先選擇領域中，奈米材料名列第二位。現在美國對奈米技術的投資約佔世界總量的二分之一。世界已開發國家均對奈米產業進行戰略性佈局，並紛紛投入巨資。

我國的奈米材料研究起步比較晚，始於20世紀80年代末，但在“八五”期間已將奈米材料科學列入國家攀登專案。之後在基礎研究和應用研究方面，我國在奈米技術研究方面也投入了大量的人力和物力。在《新材料產業“十二五”發展規劃》中，奈米材料被列入6大發展重點之一的“前沿新材料”中。在國家各項科技計劃的支援下，我國奈米材料及奈米科學技術也取得了比較突出的成果。 奈米材料的分類

在奈米材料發展初期，奈米材料是指奈米顆粒和由它們構成的奈米薄膜和固體。廣義而言，奈米材料是指在3維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍或由它們作為基本單元構成的材料。如果按維數，奈米材料的基本單元可以分為3類：① 0維，指在空間3維尺度均在奈米尺度，如奈米尺度顆粒，原子團簇等；②1維，指在空間有兩維處於奈米尺度，如奈米絲，奈米棒，奈米管等；③ 2維，指在3維空間中有1維在奈米尺寸，如超薄膜，多層膜，超晶格等。按化學組成可分為：奈米金屬，奈米晶體，奈米陶瓷，奈米玻璃，奈米高分子和奈米複合材料。按材料物性可分為：奈米半導體，奈米磁性材料，奈米非線性光學材料，奈米鐵電體，奈米超導材料，奈米熱電材料等。按應用可分為：奈米電子材料，奈米光電子材料，奈米生物醫用材料，奈米敏感材料，奈米儲能材料等。 奈米材料的特性

奈米材料具有尺寸小，表面積大，表面能高，表面原子比例大的四大特點，並且具有小尺寸效應，量子尺寸效應，巨集觀量子隧道效應，表面效應四大效應。奈米材料的特性主要取決於製備方法。

3.1 表面效應

球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積與直徑成反比，隨著顆粒直徑的變小比表面積將會顯著地增加。這主要是因為處於表面的原子數較多，表面原子的晶場環境和結合能與內部原子不同所引起的。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質，易與其它原子相結合而穩定下來，故具有很高的化學活性，晶體微粒化伴有這種活性表面原子的增多，其表面能大大增加。這種表面原子的活性不但引起奈米粒子表面原子輸運和構型變化，同時也引起表面電子自旋構像和電子能譜的變化。

3.2 小尺寸效應

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質：① 特殊的光學性質；② 特殊的熱血性質；③ 特殊的磁學性質；④ 特殊的力學性質。超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性，介電性，能聲學特性以及化學效能等方面。

3.3 量子尺寸效應

微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為分立能級，吸收光譜闕值向短波方向移動，這種現象稱為量子尺寸效應。量子尺寸效應產生最直接的影響就是奈米晶體吸收光譜的邊界藍移。這是由於在奈米尺度半導體微晶中，光照產生的電子和空穴不再是自由的。存在庫侖作用，此電子空穴對類似於大晶體中的激子。由於空間的強烈束縛導致激子吸收峰藍移，帶邊以及導帶中更高激發態均相應藍移。

3.4 巨集觀量子隧道效應

隧道效應是基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小於勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發現一些巨集觀量如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應，它們可以穿越巨集觀系統的勢阱而產生變化，故稱之為巨集觀量子隧道效應。

奈米材料的物理性質和化學性質既不同於巨集觀物體，也不同於微觀的原子和分子。當組成材料的尺寸達到奈米量級時，奈米材料表現出的性質與體材料有很大的不同。在奈米尺度範圍內原子及分子的相互作用，強烈地影響物質的巨集觀性

質。物質的機械、電學、光學等性質的改變，出現了構築它們的基石達到奈米尺度。奈米材料之所以能具備獨到的特性，是因為組成物質中的某一相的某一維的尺度縮小至奈米級，物質的物理效能將出現根本不是它的組分所能比擬的改變。 奈米材料的製備

奈米材料的製備主要有物理合成法和化學合成法，合成過程中將材料進行奈米結構化，主要包括以下幾個方面。

常見的物理合成方法有噴霧法、噴霧乾燥法、噴霧熱解法、冷凍—乾燥法、反應性球磨法、氣流粉碎技術等。其中氣流粉碎技術具有比較多的優點，它是採用高速的超音速氣流來加速固體物料，使物料互相撞擊或與靶撞擊使物料粉碎，氣流粉碎技術加工效率較高，尤其是對超硬的材料更能體現出該方法的優點，比較先進的氣流粉碎裝置，可以使物料在粉碎時不接觸其它物質，因而可以減小對粉料的汙染。

化學合成法主要有電漿體制備奈米粉末技術化學氣相沉澱法、共沉澱法、均勻沉澱法、溶劑熱合成法、溶膠—凝膠法、水熱法制備奈米粉末技術、微乳化技術等合成方法。其中化學氣相沉澱法形成的奈米材料較細，較均一，化學氣相沉澱法的原理是將一種或數種反應氣體通過熱、鐳射電漿體等而發生化學反 應，析出超微粉的奈米材料製備方法。由於存在於氣相中的粒子成核及生長的空間比較大，因此，該方法制得的粒子分散度較好，同時，又因為反應是在封閉容器中進行，使得化學氣相沉澱法形成的奈米粒子具有比較高的純度。 奈米材料的應用

奈米材料具有常規材料所不具備的物理特性，即具有高度的彌散性和大介面，使奈米材料具有高擴散率，蠕變和超塑性。為原子提供了短程擴散途徑，使有限固溶體的固溶性增強，燒結溫度降低，從而其化學活性增大。因此奈米材料的力、熱、聲、光、電磁等性質不同於該物質在粗晶狀態時所表現出的性質。奈米材料的高強度、高擴散性、高塑性、低密度、高電阻、高比熱、強軟磁性等特殊效能使奈米材料可廣泛地用於高力學效能環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特 殊導體、熱交換材料、敏感元件、潤滑劑等領域。以下綜述了奈米材料在幾個領域的應用。

5.1碳奈米管的應用

奈米碳管在電學、力學、熱學等方面具有特殊的性質，因此具有很好的應用前景。

奈米碳管的電學性質及應用，碳奈米管電極具有較大的電極表面積和較高的電子傳遞速率，因此可增大電流響應，使得碳奈米管電化學分析效能更為優異。另外在碳奈米管內，電子的量子限域所致電子只能在石墨片中沿著碳奈米管的軸向運動，電子是沿著石墨片層的單個平面進行傳導的，其電子傳輸通道隨碳管直徑的增加而增加，因此，奈米碳管具有獨特的發射傳導性質。改變奈米碳管格子的母體結構也可引起奈米碳管導電性的變化，因此碳奈米管的電學效能很獨特，它同時具有金屬性和半導體性，所以奈米碳管適宜於製備奈米電子原件。

力學性質及應用，C—C共價鍵使奈米碳管具有很高的強度和剛度。奈米碳管的彈性模量和相應的剛度值近似於或大於石墨的內平面值，同時奈米碳管還具備與其它碳物質不同的力學性質，比如軸向上的高彈性和徑向上高塑性，這些特 性可使奈米碳管承受40％的拉伸變形而不會斷裂。奈米碳管在受到壓力影響時能產生流動性導致直徑發生變化，其螺旋度也會隨之改變，從而影響其電子特徵。 利用奈米碳管的這種特性可用來製造探測機械壓力的奈米感測器。

熱學性質及應用，奈米碳管的熱傳導率體現的是石墨的內平面特性，故而它的熱傳導率非常高僅次於一定形式的摻雜金剛石。奈米碳管同時具有很高的長徑比，此特點可以用來改善分散不連續的纖維複合物的熱傳導率。奈米碳管優異的 導熱效能可使其發展為今後計算機晶片的導熱板，也可用作發動機、火箭等各種高溫部件的防護材料。奈米碳管具有高熱穩定性，同時兼具高耐磨性和耐腐蝕性，可以用其製造刀具和磨具。

另外，奈米碳管還具很多其它效能，例如它的儲氫特性，奈米碳管表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合，從而達到表觀上對金屬離子或有機物產生吸附 作用。奈米碳管粒子具有大的比表面積，也是奈米碳管具備吸附作用的重要原因。 奈米碳管還具有吸波特性，用奈米碳管做成的物體對微波雷達有好的隱身效能。

5.2 在催化方面的應用

用作高效催化劑是奈米顆粒材料的重要應用領域之一，奈米顆粒具有很高的比表面積，表面的鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子配位不全等特點，導致表面的活性位置增加，使得奈米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。有人預計奈米顆粒催化劑將成為本世紀催化劑的主角。光催化劑是一種具有應用潛力的特殊催化劑，奈米TiO2所具有的量子尺寸效應使其導電和介電能級變成分立的能級，能隙變寬，導電電位變得負移，而介電電位變得正移，這使其獲得了更強的氧化還原能力。

5.3 在電池中的應用

奈米材料已廣泛應用到化學電源中的活性材料中，並推動著電池科技發展，奈米活性材料所具有的比表面大，鋰離子嵌入脫出深度小，行程短的特性，使電

極在大電流下充放電極化程度小，可逆容量高，迴圈壽命長；奈米材料的高空隙率為有機溶劑分子的遷移提供了自由空間，使有機溶劑具有良好的相容性，同時，也給鋰離子的嵌入脫出提供了大量的空間。作為電極的活性材料奈米化後，它表面增大，致使它極化減小，而電容量增大。由此產生較強大的電化學活性特別是奈米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學貯能材料和高效能複合材料等方面的研究已取得了重大突破另外，由於奈米材料的研究目前大多處於實驗室階段，因此如何製得粒徑可控的奈米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運輸過程中的團聚問題，簡化合成方法，降低成本等，依然是以後還需要研究的重要問題。 總結

材料的結構決定材料的性質。奈米材料的特殊結構決定了奈米材料具有一系列的特性（如小尺寸效應、量子尺寸效應和巨集觀量子隧道效應等），因而出現常規材料所沒有的一些特別效能， 從而使奈米材料獲得和正在獲得廣泛的應用。通過奈米技術對傳統產品的改性，增加其高科技含量以及發展奈米結構的新型產品，已成為經濟新增長點的發展基礎。隨著其製備和改性技術不斷髮展，奈米材料將在諸多領域得到日益廣泛的應用。 5

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奈米論文 篇二

奈米技術在醫學上的應用

[摘要]奈米醫學是奈米技術與醫藥技術結合的產物，奈米醫學研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應用潛力。近幾年，奈米技術突飛猛進，作為奈米技術的重要領域的奈米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從奈米醫學、奈米生物技術和奈米生物材料三個方面，講述了奈米生物工程的重大進展。本文就奈米診斷技術、組織修復和再生醫學中的奈米材料、奈米藥物載體、奈米藥物等方面的研究現狀與進展進行綜述，並探討奈米醫學的發展前景。

[引言] 奈米技術的基本概念是用單個原子、分子製造和操作物質的技術，是現代高科技前沿技術。奈米技術應用前景廣闊，幾乎涉及現有科學技術的所有領域，世界各國都把奈米技術列為重點發展專案，投入巨資搶佔奈米技術戰略高地。 [關鍵詞]奈米醫學；奈米生物材料；診斷；治療

1、跨世紀的新學科——奈米科技

所謂/奈米科技，就是在0.1~100奈米的尺度上，研究和利用原子和分子的結構、特徵及相互作用的高新科學技術，它是現代科學和先進工程技術結合的產物。1990年7月，第一屆國際奈米科技會議的召開，標誌著奈米科技的正式誕生。時至今日，奈米科技涉及到幾乎現有的所有科學技術領域。它的誕生，使人類改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標，是人類按照自己的意志操縱單個原子，在奈米尺度上製造具有特定功能的產品，實現生產方式的飛 躍。目前，奈米科技已經取得一系列成果，正處於重大突破的前夜。研究者認為，這一興起於本世紀90年代的奈米科技，必將雄踞於21世紀，對人類社會產生重大而深遠的影響。

2、奈米醫學的提出

奈米醫學的形成除了奈米技術之外，其醫學本身也應具有可應用奈米技術的客觀基礎和必要條件。客觀基礎是指，像其他物質一樣，醫學研究的主體———人體本身是由分子和原子構成的。實現奈米醫學的必要條件是，要在分子水平上對人體有更為全面而詳盡的瞭解。 隨著現代生物學和現代醫學的不斷髮展，人類在生物學和醫學等領域的研究內容已開始從細胞、染色體等微米尺度的結構深入到更小的層次，進入到單個分子甚至分子內部的結構。這些極其微細的分子結構的特徵:尺度空間在0.1-100 nm,屬於奈米技術的尺度範圍。研究這些奈米尺度的分子結構和生命現象的學科，就是奈米生物學和奈米醫學。奈米醫學是一門涉及物理學、化學、量子學、材料學、電子學、計算機學、生物學以及醫學等眾多領域的綜合 性交叉學科。Freitas曾給奈米醫學下過一個較詳細的定義:他認為，奈米醫學是利用人體分子工具和分子知識，預防、診斷、治療疾病和創傷，劫除疼痛，保護和改善人體健康的科學和技術。目前的奈米醫學研究水平還處於初級階段，當然，由於各國科學工者的不懈努力，奈米醫學研究領域已初露曙光，有部分研究成果已開始接近臨床應用。

從定義來看，奈米醫學可以分為兩大類，一是在分子水平上的醫學研究，基因藥物和基因療法等就是典型體現；二是把其他領域的奈米研究成果引入醫學領域，如某種奈米裝置在醫療和診斷上的應用。奈米醫學的奧祕在於，可以從奈米量級的尺度來進行原來不可能達到的醫療操作和疾病防治。當生命物質的結構單元小到奈米量級的時候，其性質會有意想不到的變化。這種變化既包括物質的原有效能變得更好，還可能有我們所意想不到的效能和效益，從而用來治病防病。

3、奈米技術的醫學應用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應用奈米醫學技術手段，在診室內進行全面的基因檢查和特殊細菌塗層標記物的實時全身掃描；檢測腫瘤細胞抗原、礦質沉積物、可疑的毒素、源於遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間解析度製成所定目標三維圖譜的特定分子。在奈米醫學時代，這些強有力的手段將使醫務人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，並能以合理的費用，在數分鐘或數秒鐘內獲得所需的結果。 許多以往診斷比較困難或無法診斷的疾病，隨著奈米技術的介入，將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷，以往常採用價格昂貴並對人體有損害的羊水診斷技術。如今應用奈米技術，可簡便安全地達到目的。孕8周左右血液中開始出現非常少量的胎兒細胞，用奈米粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。目前美國已將此項技術應用於臨床診斷。肝癌患者由於早期沒有明顯症狀，一旦發現常已到晚期，難以治癒，因而早期診斷極為重要。中國醫科大學第二臨床學院把奈米粒應用於醫學研究，經過4年的努力，完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質體的研究。動物實驗證明，運用這項研究成果，可以發現直徑3mm以下的肝腫瘤。這對肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。 3. 2 奈米藥物和奈米藥物載體

這是奈米醫學中的一個非常活躍的領域，適時準確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學家正在為糖尿病人研製超小型的，模仿健康人體內的葡萄糖檢測系統。它能夠被植入皮下，監測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內的血糖和胰島素含量總是處於正常狀態。美國密西根大學的博士正在設計一種奈米/智慧炸彈，它可以識別出癌細胞的化學特徵。這種智慧炸彈很小，僅有20nm左右，能夠進入並摧毀單個的癌細胞。

德國醫生嘗試藉助磁性奈米微粒治療癌症，並在動物實驗中取得了較好療效。將一些極其細小的氧化鐵奈米微粒注入患者的腫瘤裡，然後將患者置於可變的磁場中，氧化鐵奈米微粒升溫到45~ 47度，這一溫度可慢慢熱死癌細胞。由於腫瘤附近的機體組織中不存在磁性微粒，因此這些健康組織的溫度不會升高，也不會受到傷害。科學家指出，將磁性奈米顆粒與藥物結合，注入到人體內，在外磁場作用下，藥物向病變部位集中，從而達到定向治療的目的，將大大提高腫瘤的藥物治療效果。

奈米藥物與傳統的分子藥物的根本區別在於它是顆粒藥物。廣義的奈米藥物可分為兩類:一類是奈米藥物載體，即指溶解或分散有分子藥物的各種奈米顆粒，如奈米球、奈米囊、奈米脂質體等。二是奈米藥物，即指直接將原料藥物加工成的奈米顆粒，或利用嶄新的奈米結構或奈米特性，發現基於新型奈米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對傳統藥物的改良，而後者強調的是把奈米材料本身作為藥物。

3.2.1 奈米藥物

直接以奈米顆粒作為藥物的應用之一是抗菌藥物。奈米抗菌藥物具有廣譜、親水、環保、遇水後殺菌力更強、不會誘導細菌耐藥性等多種效能。以這種抗菌顆粒為原料，成功地開發出了創傷貼、潰瘍貼等奈米醫藥類產品。例如，奈米二氧化鈦樹脂基託材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果，當樹脂基託中抗菌劑的濃度達到3%時，即可達到滿意的抗菌效果。

無機奈米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用Gd@C82(OH)22處理得肝癌的小鼠，在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長，同時對機體不產生任何毒性。其抑瘤效應不是通過奈米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用，而是可能通過啟用機體免疫來實現對腫瘤的抑制作用。奈米羥基磷灰石在體外對惡性腫瘤細胞產生明顯的抑制作用，而對正常細胞作用甚微，可望通過進一步的研究獲得一種區別於傳統的化療藥物的奈米無機抗癌藥物。此外，有的物質奈米化後出現新的治療作用，如二氧化鈦奈米粒子可抑制癌細胞增殖；二氧化鈰奈米顆粒可以清除眼中的電抗性分子並防治一些由於視網膜老化而帶來的疾病。

3.2.2 奈米藥物載體

實現細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智慧控制釋放，是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。奈米粒子介導的藥物輸送是奈米醫學領域的一個關鍵技術，在藥物輸送方面具有許多優越性。目前，用作藥物載體的材料有金屬奈米顆粒、生物降解性高分子奈米顆粒及生物活性奈米顆粒等。 理想的奈米藥物載體應具備以下性質:毒性較低或沒有毒性；具有適宜的製備及提純方法；具有合適的粒徑與形狀；具有較高的載藥量；具有較高的包封率；對藥物具有良好的釋放特性；具有良好的生物相容性，可生物降解或可被機體排出；具有較長的體內迴圈時間，並能在療效相 關部位持久存。 3.3 奈米生物技術

奈米生物技術是奈米技術和生物技術相結合的產物，它即可以用於生物醫學，也可以服務於其它社會需求。所包含的內容非常豐富，並以極快的速度增加和發展，難以概述。

3.3.1生物晶片技術

生物晶片是在很小几何尺度的表面積上，裝配一種或整合多種生物活性，僅用微量生理或生物取樣，即可以同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規律。生物晶片可以粗略地分為細胞晶片、蛋白質晶片（生物分子晶片）和基因晶片（即DNA晶片）等幾類，都有整合、並行和快速檢測的優點，已成為21世紀生物醫學工程的前沿科技。

近2年，已經通過微製作(MEMS)技術，製成了微米量級的機械手，能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞，進行細胞結構、功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學的教授領導的研究人員，發展了微電子工業普遍使用的光刻技術在生物學領域的應用，並研製出效果更好的軟光刻方法。以此，製出了可以捕捉和固定單個細胞的生物晶片，通過調節細胞間距等，研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞晶片還可以作細胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單，僅利用晶片表面微單元的幾何尺寸和表面特性，即可達到選擇和固定細胞及細胞面密度控制。

美國聖地亞國家實驗室的發現實現了奈米愛好者的預言。正像所預想的那樣，奈米技術可以在血流中進行巡航探測，即時發現諸如病毒和細菌型別的外來入侵者，並予以殲滅，從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個雛形裝置，發揮晶片實驗室的功能，它可以沿血流流動並跟蹤像鐮狀細胞血症和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被匯入一個發射鐳射的腔體表面，從而改變鐳射的形成。癌細胞會產生一種明亮的閃光；而健康細胞只發射一種標準波長的光，以此鑑別癌變。 3.3.2奈米探針

一種探測單個活細胞的奈米感測器，探頭尺寸僅為奈米量級，當它插入活細胞時，可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。

3、4組織修復和再生醫學中的奈米材料

將奈米技術與組織工程技術相結合，構建具有奈米拓撲結構的細胞生長支架正在形成一個嶄新的研究方向。相對於微米尺度，奈米尺度的拓撲結構與機體內細胞生長的自然環境更為相似。奈米拓撲結構的構建有可能從分子和細胞水平上控制生物材料與細胞間的相互作用，引發特異性細胞反應，對於組織再生與修復具有潛在的應用前景和重要意義。將奈米纖維水凝膠作為神經組織的支架，在其中生長的鼠神經前體細胞的生長速度明顯快於對照材料。向高分子材料中加入碳奈米管可以顯著改善原有聚合物的傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性，同時還可以改進基體材料的生物相容性。研究發現，隨著複合物中碳奈米管含量的增加，神經元細胞和成骨細胞在複合材料上的黏附與生長也越來越活躍，而星形細胞和成纖維細胞的活性則呈現同等程度的下降。研究人員設計的人造紅血球輸送氧的能力是同等體積天然紅血球的236倍，可應用於貧血症的區域性治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結構的奈米物質，該物質可取代目前骨科常用的合金材料，其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數匹配，不易骨折，且與正常骨組織連線緊密，顯示出明顯的正畸應用優勢。

奈米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質具有很高相似性，RADA16-I奈米支架可以作為一種臨時性的細胞培養人工支架，它能很好地支援功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化，因而有利於細胞抵達傷口縫隙，使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I奈米支架修復了倉鼠腦部的急性創傷，並且恢復了倉鼠的視覺功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡易止血劑，用於多種組織和多種不同型別傷口的止血。

4、我國發展奈米生物學和奈米醫學的現狀和發展策略

目前，我國在奈米生物和醫學領域內的研究基礎還比較薄弱，通過採取各種激勵措施和各種研究計劃的實施，特別是國家自然科學基金委的奈米技術重大研究計劃對奈米生物和奈米醫學專案的支援，我國在奈米生物和奈米醫學方面的研究狀況有了很大的改善，生物、醫學界的許多院、所相繼建立了有關奈米技術的研究室，如中國醫學科學院基礎醫學研究所、軍事醫學科學院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設立了奈米研究室，初步形成了一隻較強的研究隊伍。近年來，來自化學、物理、資訊、藥物、生物和醫學等領域的科學家通過幾次研討會進一步明確了奈米生物和奈米醫學領域的研究方向和內容，並建立了較密切的合作。我國在奈米生物和奈米醫學的研究領域也湧現了一批極具特色的研究成果，如在生物感測器、生物晶片、新型藥物載體和靶向藥物、新型奈米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機制、奈米材料的應用和生物安全性及重大疾病預防和早期診斷與治療技術等方面。但是，這些研究的水準與國際先進水平還有相當的差距，離國家、社會的需求也有相當遠的距離。

奈米醫學工程的建立不僅是因為有其迫切的需要，而且也因為有了實現的可能。如今，奈米科技在國際上已嶄露頭角，世界各已開發國家紛紛開展奈米科技的研究。在我國，科技界對奈米科技的重要性有了共識，奈米科技研究已取得引人注目的成果。學科發展和社會需要是推動社會發展的巨大動力，學科發展可以創造新的需求，社會需求可以促進學科向深度和廣度發展。奈米生物醫學工程正在出現，我們無力將它阻擋。雖然它的廣泛應用尚有待時日，並潛在危險，但若沒有它，我們現在面臨的許多生物醫學工程問題就不可能得到滿意的解決。

人類正在被歷史及自身推向一個嶄新的陌生世界，倘若人類能直接利用原子、分子進行生產活動，這將是一個質的飛躍，將改變人類的生產方式，並空前地提高生產能力，有可能從根本上解決人類面臨的諸多困難和危機。我們有必要把奈米科技和生物醫學工程概念進行拓展，把奈米科技的理論與方法引入生物醫學工程的相關研究領域，創立新的邊緣學科——奈米生物醫學工程。可以相信，奈米醫學工程將會成為奈米科技的重要分支，並開創生物醫學工程新紀元。科學家認為，奈米科技在生物醫學方面，甚至有可能超過資訊科技和基因工程，成為決勝未來的關鍵性技術。 [參 考 文 獻] [1]劉吉平，郝向陽。奈米科學與技術[M]。北京:科學出版社，2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍。21世紀嶄新的學科——奈米醫學[J]1世界新醫學資訊文摘，2003,1(3):208-210.[3]李會東。奈米技術在生物學與醫學領域中的應用[J]。湘潭師範學院學報（自然科學版），2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊，吳俊，袁直等。注射用生物可降解胰島素奈米微球的製備[J]1應用化學，2001,18(5):365-369.[5]常津。阿毒素免疫磁性毫微粒的體內磁靶向定位研究[J]。中國生物醫學工程學報，1996,15(4):216-221 。[6]張共清，樑屹。奈米技術在生物醫學的應用[J]1中國醫學科學院學報，2002,24(2):197-201.〔7〕中國社會科學院語言研究所詞典編輯室編。現代漢語詞典。北京:商務印書館2002年版:1711〔8〕奇雲。21世紀的奈米醫學。健康報，2001(4):12〔9〕紀小龍。奈米醫學怎樣診治疾病。健康報，2001,7,19[9]奇 雲。奈米醫學——21世紀的科技新領域[N]。中國醫藥報，1995年6月8日~1995年7月18日，第1160期-1178期，第7版。[10]奇 雲。奈米材料——21世紀的新材料[J]。科技導報，1992(10):28- 31.[11]奇 雲。奈米電子學研究進展[J]。現代物理知識，1994,6(5):24-25.[12]奇 雲。奈米生物學的誘人前景[N]。光明日報，1993年5月7日，第15864號第3版。[13]奇 雲。奈米化學研究進展[J]。自然雜誌，1993,16(

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奈米論文 篇三

淺談奈米尺寸效應及其應用

奈米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性，如原本導電的銅到某一奈米級界限就不導電，原來絕緣的二氧化矽、晶體等，在某一奈米級界限時開始導電。這是由於奈米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所佔比例大等特點，以及其特有的三大效應：表面效應、小尺寸效應和巨集觀量子隧道效應。 小尺寸效應。現在從尺寸效應探討其特性和應用。

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。量子尺寸效應指當金屬或半導體從三維減小至零維時，載流子在各個方向上均受限，隨著粒子尺寸下降到接近或小於某一值（激子玻爾半徑）時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。金屬或半導體奈米微粒的電子態由體相材料的連續能帶過渡到分立結構的能級，表現在光學吸收譜上從沒有結構的寬吸收過渡到具有結構的特徵吸收。量子尺寸效應帶來的能級改變、能隙變寬，使微粒的發射能量增加，光學吸收向短波長方向移動（藍移），直觀上表現為樣品顏色的變化，如CdS微粒由黃色逐漸變為淺黃色，金的微粒失去金屬光澤而變為黑色等。同時，奈米微粒也由於能級改變而產生大的光學三階非線性響應，還原及氧化能力增強，從而具有更優異的光電催化活性[5,6]。

第頁 奈米材料與技術是在20世紀80年代末才逐步發展起來的前沿交叉性新興學科領域，它與住處技術和生物技術一起並稱為21世紀三大前沿高新技術，並可能引導下一場工業革命。

奈米技術是嚴謹的高新交叉技術，人類剛剛邁進門檻，就顯現出其強大的生命力。有些奈米材料（如奈米金剛石）經過表面改性和分散，可以均勻分佈到聚合物的熔融體中，經過噴絲、冷卻形成具有特殊功能的奈米纖維，新增比列很低，但每根短纖維上有成千上萬個奈米顆粒。可以作成高抗磨、自清潔、防雨、防紫外線、防靜電、殺菌、紅外隱形等功能布料，很有發展前景。

將人類帶入新的微觀世界。人類可以從新的奈米技術領域獲得很大好處。利用這項技術的目的是在奈米尺寸上操縱物質，以創造出具有全新分子組織形式的結構。這有可能改變未來材料和裝置的生產方式，並且給人類帶來巨大的經濟益處。

比如，利用精確控制形狀和成分的奈米“磚塊”，人類有可能合成出自然界沒有的材料。然後可以把這些材料組裝成更輕更硬的較大結構，而且這種結構還具有課設計性。例如，美國國家科學技術委員會曾經發布的一份研究報告就描述了這些設想的特種新奇材料的特性。這些材料具有多種功能，並能夠感知環境變化而且作出相應的反應。比如，預計會出現一種強度是鋼鐵10倍的材料，具有超導彈性，透明材料和具有更高熔點的材料。吧奈米技術用於儲存器，那麼可以是整個圖書館的資訊放入只有糖塊一樣大的小裝置中。也就是說，奈米技術不只是向小型化邁進了一步，而且是邁入了一個嶄新的微觀世

第頁 界。

傳統的解釋材料性質的理論，只是用於大於臨界長度100奈米的物質。如果一個結構的某個維度小於臨界長度，那麼物質的性質就常常無法用傳統的理論去解釋。而科學家正試圖在大哥分子或原子尺度到十萬個分子的尺度之內發現新奇的現象。

美國國奈米技術計劃初期研究的重點是，在分子尺度上具有新奇的特性並且系統、物理和化學效能有明顯提高的材料。比如，在奈米尺度上，電子和原子的互動作用受到變化因素的影響。這樣，在奈米尺寸上組織物質的結構就有可能使科學家在不改變材料化學成分的前提下，控制物質的基本特性，比如磁性、蓄電能力和催化能力等。又如在奈米尺度，生物系統具有一套成系統的組織，這使科學家能夠把人造元件和裝配系統放入細胞中，以製造出結構經過組織後的新材料，有可能使人類模擬自然的自行裝配。還有，奈米元件有很大的表面積，這能夠使它們成為理想的催化劑和吸收劑等，並且在放電能和向人體細胞施藥方面派上用場。利用奈米技術製造的材料與一般材料相比，在成分不變的情況下體積會大大縮小而且強度和韌性將得到提高。

美國西北大學開發的一種比色感測器，已經成功探測出結核桿菌。科學家把探測物件的DNA附加在奈米大小的黃金微粒上。當互補的微粒在溶液中存在時，黃金微粒會緊緊地結合在一起，改變懸浮液的顏色。

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由

第頁 於顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微粒而言，尺寸變小，同時其比表面積也顯著增加，從而產生如下的新奇的性質：特殊的光學性質、熱學性質、磁學性質和力學性質。具體的光學性質是當黃金被分割到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，尺寸越小，顏色愈是黑。由此可見，金屬超微顆粒對反光的反射率很低。熱學性質具有高矯頑力的特徵，已經作為高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用於磁帶。利用磁性，人們已經將磁性超微粒製成用途廣泛的磁性液體。力學性質是具有良好的任性。因為奈米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此變現出很好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報道氟化鈣奈米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是有磷酸鈣等奈米材料構成的。呈奈米晶粒的金屬比傳統的粗晶粒金屬硬3到5倍。

一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體，當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時，即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料製作成超微粒子或薄膜時，將成為優異的磁性材料。

我們對奈米材料的認識還遠遠不夠，還需要不斷的探索和研究。相信通過不斷的深入，一定會使奈米在更多的領域裡發揮作用，服務於生產和生活。

第頁

參考文獻：

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第頁

奈米材料 論文 篇四

TiO2奈米制備及其改性和應用研究進展

於琳楓（12化學1班）

摘 要： 二氧化鈦奈米管由於新奇的物理化學性質引起了廣泛的關注，本文就近年來在製備方法﹑反應機理﹑二級結構及摻雜和應用方面予以綜述，並討論了今後可能的研究發展方向。

關鍵詞: 二氧化鈦， 奈米管， 製備， 反應機理， 二級結構

0 引言

TiO2俗稱鈦白粉，無毒、無味、無刺激性、熱穩定性好，且原料來源廣泛易得。它有三種晶型：板鈦礦、銳鈦礦和金紅石型。TiO2最早用來做塗料。

自從1991年Iijima發現碳奈米管以來，已經用碳奈米管模板合成出各種不同的氧化物奈米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化鈦由於其化學惰性，良好的生物相容性，較強的氧化能力，以及抗化學腐蝕和光腐蝕的能力，價格低廉，在能量轉換﹑廢水處理﹑環境淨化﹑感測器﹑塗料﹑化妝品﹑催化劑﹑填充劑等諸多領域引起了人們極大的關注。研究結果表明：TiO2的晶粒大小，形狀，相組成或表面修飾以及其它成分的摻雜對其性質﹑功能有顯著的影響，奈米管的比表面積大，因而具有較高的吸附能力，有良好的選擇性，可望具有新奇的光電磁性質，具有很好的應用前景。本文對二氧化鈦奈米管的製備，形成機理的最新進展進行綜述，並對今後的發展方向予以展望。 TiO2奈米材料的製備

1.1 氣相法

TiO2奈米材料的氣相合成主要是在化學技術和物理技術上發展起來的。由於反應溫度高。氣相法具有成核速度快、產品結晶度高、純度高、生成粒子團聚少、粒徑易控制等優點。氣相法可以合成各種形貌的TiO2薄膜或粉體：奈米棒、奈米管、奈米帶等。最常使用的氣相法是高溫濺射沉積法(SPD)。Ahonen等用鈦醇鹽做前驅體。採用SPD法合成了TiO2奈米粉體和薄膜。其他的氣相製備技術 1

包括：直流電濺射法、高頻無線電濺射法、分子束取向生長法和電漿體法等。

1.2 液相法

目前製備TiO2奈米材料應用最廣泛的方法是各種前驅體的液相合成法。這種方法的優點是：原料來源廣泛、成本較低、裝置簡單、便於大規模生產。但是產品粒子的均勻性差，在乾燥和煅燒過程中易發生團聚。應用最普遍的液相製備方法包括液相沉積法和微乳液法等。

1.2.1 液相沉積法

液相沉積法是以無機鈦鹽作原料，通過直接沉積來製備功能TiO2粉體和薄膜的液相法。Deki等用（NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液為起始溶液，製備了TiO2薄膜。Imai等用添加了尿素的TiF4和Ti(SO4)2的水溶液製備了不同形貌的TiO2奈米材料。液相沉積法具有以下優點：對儀器要求比較低，溫度要求低(30～50℃），基片選擇比較廣等。

1.2.2 微乳液法

微乳液法制備奈米TiO2是近年來才發展起來的一種方法。微乳液是指熱力學穩定分散的互不相溶的液體組成的巨集觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物。該法的製備原理是在表面活性劑作用下使兩種互不相溶的溶劑形成一個均勻的乳液。利用這兩種微乳液間的反應可得到無定型的TiO2，經煅燒、晶化得到TiO2奈米晶體。賀進明等以TiCl4為原料、在十六烷基三甲基溴化銨、正己醇、水組成的微乳液體系中，在較低溫度下，製備了球形、花狀、捆綁絲和星形的金紅石型TiO2奈米顆粒。微乳液法得到的粒子純度高、粒度小而且分佈均勻，但穩定微乳液的製備較困難。因此，此法的關鍵在於製備穩定的微乳液。 TiO2奈米材料的反應機理

2.1氧化鈦奈米管形成的反應機理

目前，對二氧化鈦奈米管的形成機理和組成尚存在分歧。一般認為，銳鈦礦或者金紅石相以及無定形二氧化鈦在鹼性條件下轉換為奈米管都要經過單層的奈米片的捲曲，類似於多層碳奈米管形成的機理，即從1D到2D，再到 3D的組合過程。Sugimoto等研究證實了層狀的質子化的二氧化鈦奈米片的存在，Sun和Masaki各自報道了鈦酸鉀或者鈦酸鈉形成的奈米帶。在鹼性條件下，各種鈦酸鹽可以形成層狀的結構，再通過摺疊或捲曲形成奈米管，但摺疊或捲曲的順序

尚不確定。理論上鈦奈米帶摺疊或捲曲形成奈米管時，可形成下列3種形狀：（a）蛇形的，即單層奈米管的捲曲；（b） 洋蔥式的，即幾個有弱相互作用的奈米片的捲曲；（c）同心式的，通過捲曲或者摺疊成多層的奈米管。但實際上，（c）種形狀在合成時很難出現。Yao和Ma通過TEM研究分別證實了(a)和(b)構型鈦奈米管的存在。

樑建等則認為鈦奈米管的生長機理符合3-2-1D的生長模型，在水熱合成的過程中，在高壓高溫和強鹼作用下，二氧化鈦塊體沿著(110)晶面被剝落成碎片，在片的兩面有不飽和懸掛鍵，隨著反應的進行，不飽和懸掛鍵增多，使薄片的表面活性增強，開始捲曲成管狀，以減少體系的能量，這一點從反應中間產物中觀察到大量的片狀及捲曲態得的到證明。Dimitry V. Bavykin[19]等系統地研究了合成溫度以及TiO2/NaOH mol 比對製備二氧化鈦奈米管形貌的影響。認為 圖3-b 符合氧化鈦奈米管的形成機理，並給出了形成機理的原始驅動力的解釋。Dimitry V. Bavykin等進行了氧化鈦奈米管形成的熱力學和動力學研究。該模型見圖4 能夠很好的解釋實驗中增加TiO2/NaOH的摩爾比，氧化鈦奈米管的平均管徑也增大。同時也可以解釋反應溫度增加有利於奈米管的平均管徑增大。

2.2 奈米管的熱穩定性及氧化鈦奈米管的晶型

由於二氧化鈦奈米管為無定形結構，在熱力學上，屬於介穩態。因此研究溫度對其熱穩定性的影響頗有必要。王保玉等以TiO2為原料製備成TiO2奈米管，通過不同溫度焙燒得到不同的樣品，用TEM,XRD,FT-IR,BET等手段詳細的研究了溫度對晶型，比表面積的影響。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙燒存在著兩次比表面積的突降，用化學法合成的奈米管在400 ℃時，比表面積降到很小，管的結構嚴重被破壞。用化學法合成的奈米管是無定形的，而模板法制備的奈米管為銳鈦礦型的。這可能是因為化學法制備的奈米管為多層，層與層之間不能形成三維空間的點陣結構。而王芹等研究則發現鈦奈米管經過400 ℃熱處理後能保持其奈米管的形貌，600 ℃有奈米管間燒結的現象，800 ℃時管的形狀完全被破壞。可見合成方法的不同，氧化鈦奈米管的熱穩定性也有很大的差異。

Graham Armstrong等用水熱法合成的氧化鈦奈米管晶型為TiO2-B，具有竹子狀的二氧化鈦，是以TiO6八面體為基礎通過共用邊和共頂點形成的多晶，不同於銳鈦礦相，金紅石相和板鈦礦相，密度比上述三種晶型都稍低。但XRD的 3

結果表明，TiO2-B的結構中仍還有痕量的銳鈦礦相。樑建等用水熱法合成，控制溫度130 ℃，晶化時間2~3天，成功製備了多層的銳鈦礦和金紅石混晶的TiO2奈米管。王保玉等研究發現，氧化鈦奈米管為多層管，每個單層相當於 一個氧化鈦分子的厚度，層與層之間不在以化學鍵存在，Ti在奈米管中的配位和八面體結構未達到飽和，拉曼光譜表明，TiO2奈米管以無定型的形態存在。Tomoko Kasuga等用10 M NaOH溶液水熱條件下110 ℃處理20小時，得到具有針狀結構的奈米管，晶型為銳鈦礦型。可見奈米管的晶型，隨著水熱處理的溫度和時間變化而有所不同。 TiO2奈米材料的的二級結構

在水熱處理的過程中，除了生成奈米管本身的一級結構外，還存在奈米管之間的聚集，因而產生了氧化鈦奈米管的二級結構。Dimitry V. Bavykin等研究發現，奈米管的二級結構取決於前驅體二氧化鈦的量和所用NaOH的體積，其比例越小，生成的氧化鈦奈米管越傾向聚整合球狀。這可能是由於在水熱條件下生成奈米管的過程是一個比較緩慢的過程，影響因素較複雜造成的。 TiO2奈米材料的改性

TiO2奈米材料的很多應用都是和其光學性質緊密相連的。但是，TiO2的帶隙在一定程度上限制了TiO2奈米材料的效率。金紅石型TiO2的帶隙是3.0eV，銳鈦礦型是3.2eV，只能吸收紫外光，而紫外光在太陽光中只佔很小的一部分（<10%）。因而，改善TiO2奈米材料效能的一個目的就是將其光響應範圍從紫外光區拓展到可見光區，從而增加光活性。目前經常採用的改性方法包括貴金屬沉積、離子摻雜、染料敏化和半導體複合等方法。

5.1 貴金屬沉積

半導體表面貴金屬（包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag）沉積可以通過浸漬還原、表面濺射等方法使貴金屬形成原子簇沉積附著在TiO2表面。由於貴金屬的費米能級比TiO2的更低，光激發電子能夠從導帶轉移到沉積在TiO2表面的貴金屬顆粒上，而光生價帶空穴仍然在TiO2上。這些行為大大降低了電子和空穴再結合的可能性，從而改善其光活性。Anpo和Takeuchi製備了Pt沉積TiO2用於光催化分解水制氫實驗，發現產氫效率得到了明顯提高。Sakthivel等研究了用Pt、Au和Pt沉積TiO2做光催化劑時對酸性綠16的光致氧化作用，發現與未沉積貴金屬的TiO2相比，光催化效率得到了不同程度的提高。 5.2 離子摻雜

TiO2半導體離子摻雜技術是用高溫焙燒或輔助沉積等手段，通過反應將金屬離子轉入TiO2晶格結構之中。離子的摻雜可能在半導體晶格中引入缺陷位置和改變結晶度等。影響了電子和空穴的複合或改變了半導體的激發波長，從而改變TiO2的光活性。但是，只有一些特定的金屬離子有利於提高光量子效率，其他金屬離子的摻雜反而是有害的。Choi等系統地研究了21種金屬離子摻雜對

TiO2光催化活性的影響，發現Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh離子摻雜可以把TiO2的光響應拓寬到可見光範圍，其中Fe離子摻雜效果最好，而摻雜Co和Al會降低其光催化活性。Wu等定性分析了過渡金屬(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)離子摻雜對TiO2的光催化活性的影響。Xu等比較了不同稀有金屬(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)離子摻雜對TiO2光催化活性的影響。

陰離子摻雜可以改善TiO2在可見光下的光催化活性、光化學活性和光電化學活性。在TiO2晶體中摻雜陰離子（N、F、C、S等）可以將光響應移動到可見光範圍。不像金屬陽離子，陰離子不大可能成為電子和空穴的再結合中心，因而能夠更有效地加強光催化劑的催化活性。Asahi等測定了取代銳鈦礦TiO2中O的C、N、F、P和S的摻雜比例。發現p態N和2p態O的混合能使價帶邊緣向上移動從而使得TiO2帶隙變窄。儘管S摻雜同樣能使TiO2帶隙變窄，但是由於S離子半徑太大很難進入TiO2晶格。研究表明C和P摻雜由於摻雜太深不利於光生電荷載體傳遞到催化劑表面，所以對光催化活性的影響不是很有效。Ihara等將硫酸鈦和氨水的水解產物在400℃的乾燥空氣中煅燒，得到了可見光激發的N摻雜TiO2光催化劑。

5.3 染料敏化

有機染料被廣泛地用作TiO2的光敏化劑來改善其光學性質。有機染料通常是具有低激發態的過渡金屬化合物，像吡啶化合物、苯二甲藍和金屬卟啉等。Yang等用聯吡啶、Carp等用苯二甲藍染料作為感光劑敏化TiO2,發現這些染料可以改善光生電子空穴對的電荷分離，從而改善了催化劑的可見光吸收。

5.4 半導體複合

半導體複合是提高TiO2光效率的有效手段。通過半導體的複合可以提高系統的電荷分離效率，擴充套件其光譜響應範圍。從本質上說，半導體複合可以看成是一種顆粒對另一種顆粒的修飾。Sukharev等將禁頻寬度與TiO2相近的半導體ZnO與TiO2複合，因複合半導體的能帶重疊使光譜響應得到發展。通過對ZnO/TiO2、TiO2/CdSe、TiO2/PbS、TiO2/WO3等體系的研究表明，複合半導體比單個半導體具有更高的光活性。GurunathanK等將CdS（帶隙2.4eV）和SnO2（帶隙3.5eV）複合在可見光下制氫得到了更高的產氫率。 總結與展望

針對TiO2奈米材料的性質、合成、改性和應用，人們已經做了廣泛的研究。隨著TiO2奈米材料的合成和改性方面的突破，其效能得到不斷地改善，新應用也不斷的被發現。但從目前的研究成果看，可見光催化或分解水效率還普遍很低。因此如何通過對奈米TiO2的改性，有效地利用太陽光中的可見光部分，降低TiO2光生電子空穴對的複合機率，提高其量子效率是今後的研究重點。

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課程論文 奈米陶瓷 篇五

課程論文

學生姓名：

王園園

學號：20130540

學院：材料科學與工程學院

專業年級：材料化學2013級

題目：奈米陶瓷的研究現狀及發展趨勢

指導教師：李萬千老師

評閱教師：

2015年5月

1

目錄

摘要 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 3 Abstract 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 錯誤！未定義書籤。 1. 前言 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 錯誤！未定義書籤。 2. 奈米陶瓷的概念及其發展 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 5 3. 奈米陶瓷的製備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 7 3．1奈米陶瓷粉體的物理法制備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 7 3．2奈米陶瓷粉體的化學法制備 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 8 4. 奈米陶瓷粉體的表徵 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 10 4．1化學成分表徵 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 10 4．2晶態表徵 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 11 4．3顆粒度表徵 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 11 4．4團聚體表徵 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 12 5. 奈米陶瓷的效能 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 12

5．1奈米陶瓷的緻密化 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 12 5．2奈米陶瓷的力學效能 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 13 6. 奈米陶瓷的應用及其展望 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 13 7. 參考文獻……………………………………………………… 12 摘要

20世紀80年代中期發展起來的奈米陶瓷，對陶瓷材料的效能產生了重要的影響，為陶瓷材料的利用開拓了一個新的領域，已成為材料科學研究的熱點之一。綜述了奈米陶瓷材料近年來的發展與應用，重點論述了奈米陶瓷的製備、效能及應用現狀，並對奈米陶瓷的未來發展進行了展望。

3 Abstract Nanometer ceramics which are developed in the mid-eighties of the twentieth century have an important affect on the properties of ceramic materials. They have formed promising fields for the utilization of materials which has been one of the most popular fields of material research. The preparation and characterization of nanometer ceramic powders and the properties and application of nanometer ceramics are summarized. The future developments of nanometer ceramics were discussed.

4 1. 前言

奈米陶瓷是一類顆粒直徑界於1到100nm之間的多晶體燒結體。每個單晶顆粒的直徑非常小，例如，當單晶顆粒直徑為5nm時，材料中的介面的體積約為總體積的50%，特就是說，組成材料的原子有一半左右分佈在介面上，這樣就減少了材料內部晶體和晶界的性質差異，使得奈米陶瓷具有許多特殊的性質[1]。奈米功能陶瓷是指通過有效的分散複合而使異質相奈米顆粒均勻彌散地保留於陶瓷基質結構中而得到的複合材料，當其具有某種特殊功能時便稱之為奈米功能陶瓷。奈米功能陶瓷的效能是和其特殊的微觀結構相對應的，它的效能不僅取決於奈米材料本身的特性，還取決於奈米材料的物質結構和顯微結構[2]。

奈米陶瓷是奈米科學技術的重要分支，是奈米材料科學的一個重要領域。奈米陶瓷的研究是當前陶瓷材料發展的重大課題之一。陶瓷是一種多晶體材料，是由晶粒和晶界所組成的燒結體，由於工藝上的原因，很難避免材料中存在氣孔和微小裂紋。決定陶瓷材料效能的主要因素有:組成和顯微結構，即晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合性狀，其中最主要的是晶粒尺寸問題，晶粒尺寸的減小將對陶瓷材料的力學效能產生重大影響。圖1是陶瓷晶粒尺寸強度的關係圖。

5

圖1中的實線部分是現在已經達到的，而延伸的虛線部分是希望達到的。從圖1中可見，晶粒尺寸的減小將使材料的力學效能有數量級的提高，同時由於晶界數量的大大增加，使可能分佈於晶界處的第二相物質的數量減小，晶界變薄使晶界物質對材料效能的負影響減少到最低程度；其次晶粒的細化使材料不易造成穿晶斷裂，有利於提高材料的斷裂韌性；再次，晶粒的細化將有助於晶粒間的滑移，使材料具有塑性行為。奈米材料的問世將使材料的強度、韌性和超塑性大大提高。奈米陶瓷由於是介於巨集觀和微觀原子、分子的中間研究領域，它的出現開拓了人們認識物質世界的新層次，將給傳統陶瓷工藝、效能及陶瓷學的研究帶來更多更新的科學內涵。

2、奈米陶瓷的概念及其發展

所謂奈米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有奈米級尺度的陶瓷材

6 料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分佈、缺陷尺寸等都是在奈米量級的水平上。陶瓷材料的脆性大、不耐熱衝擊、不均勻、強度差、可靠性低、加工困難等缺點大大地限制了陶瓷的應用。隨著奈米技術的廣泛應用，希望以奈米技術來克服陶瓷材料的這些缺點，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。因此奈米陶瓷被認為是解決陶瓷脆性的戰略途徑[3]。同時，奈米陶瓷也為改善陶瓷材料的燒結性和可加工性提供了一條嶄新的途徑。

正是由於奈米科學和陶瓷工藝學的發展與完善，使奈米陶瓷概念的提出有了理論基礎。再加之研究手段和裝置的進步，比如電子顯微鏡，透射電子顯微鏡以及高分辨電鏡和分析電鏡等現代表徵技術的發展，使奈米陶瓷的研究、分析成為可能。另外由於奈米材料的特殊效能，其與陶瓷材料結合不僅可以提高陶瓷本身一些重要的效能，而且也克服了陶瓷的缺點——脆性、熱衝低等，使奈米陶瓷有了發展的空間與必要。在這種情況下，科研工作者在20世紀80年代中期開始了奈米陶瓷的研究，並且逐步取得了一些重要得成果。1987年，德國的Karch等首次報道了所研製得奈米陶瓷具有高韌性與低溫超塑性行為。目前，各國都相繼加大了對奈米陶瓷研究的力度，以便能使傳統的效能優良的陶瓷材料與新興的奈米科技結合，從而產生“1+1>2”的效果，使奈米陶瓷具有更高的特殊的使用效能，將其應用到工業生產、國防保護等領域必然會取得巨大的經濟效益。雖然奈米陶瓷的研究時間還不長，許多理論尚未清楚，但經過各國工作者的辛勤努力，在奈米陶瓷研究方面還有許多成果，無論是對奈米陶瓷的製備工藝還是效能都有

7 很大的提高。例如，美國的“Morton International's Advanced Materials Group”公司開發了一條生產SiC陶瓷的革命性工藝——CVD原位一步合成奈米陶瓷工藝。我國的科研工作者對該工藝進行了研究，也取得了一些成果[4]。

3、奈米陶瓷的製備

3．1奈米陶瓷粉體的物理法制備

目前物理方法制備清潔介面的奈米粉體及固體的主要方法之一是惰性氣體冷凝法[5]。製備過程為:在真空蒸發室內充入低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發源，由此產生的原子霧與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚而成奈米尺寸的團簇並，在液氮冷卻棒上聚集起來，最後得到奈米粉體。其優點是可在體系中加置原位壓實裝置，即可直接得到奈米陶瓷材料。1987年美國Argonne實驗室的Siegles採用此方法成功地製備了TiO2奈米陶瓷粉體，粉體粒徑為5～20nm。此方法的缺點是裝備巨大，裝置投資昂貴不，能製備高熔點的氮化物和碳化物粉體，所得粉體粒徑分佈範圍寬[5，6]。

還有一種方法叫高能機械球磨法，就是通過無外部熱能供給，乾的高球磨過程製備奈米粉體。它除了可用來製備單質金屬奈米粉體外，還可通過顆粒間的固相反應直接合成化合物粉體，如金屬碳化物、氟化物、氮化物、金屬-氧化物複合粉體等。近年來通過對高能機械球磨過程中的氣氛控制和外部磁場的引入，使得這一技術有了進一步發

8 展。該方法操作簡單、成本低。中科院上海矽酸鹽研究所的姜繼森等報導了在高效能球磨的作用下，通過α-Fe2O3和ZnO及NiO粉體之間的機械化學反應合成Ni-Zn鐵氧體奈米晶的結果[7]。此外還有機械粉碎、火花爆炸等其它物理製備方法。

3．2奈米陶瓷粉體的化學法制備

溼化學法制備工藝主要適用於奈米氧化物粉體，它主要通過液相來合成粉體。這種方法具有苛刻的物理條件、易中試放大、產物組分含量可精確控制，可實現分子/原子尺度水平上的混合等特點，可製得粒度分佈窄、形貌規整的粉體。但採用液相法合成的粉體可能形成嚴重的團聚，直接從液相合成的粉體的化學組成和相組成往往不同於設計要求，因此需要採取一定形式的後處理。

它包括沉澱法。該法是在金屬鹽溶液中加入適當的沉澱劑來得到陶瓷前驅體沉澱物，再將此沉澱物煅燒成奈米陶瓷粉體。根據沉澱的方式可分為直接沉澱法、共沉澱法和均勻沉澱法。為了避免沉澱法製備粉體過程中形成嚴重的硬團聚，往往在其過程中引入冷凍乾燥、超臨界乾燥、共沸蒸餾等技術手段，取得了較好的效果。沉澱法操作簡單，成本低，但易引進雜質，難以製得粒徑小的奈米粉體。上海矽酸鹽研究所以共沉澱-共沸蒸餾法制得了奈米氧化鋯粉體，試驗中的共沸蒸餾技術有效地防止了硬團聚的形成，製得的氧化鋯粉體具有很高的燒結活性[8]。

溶膠-凝膠法。該法是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形

9 成配合物，通過控制pH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，歷經溶膠-凝膠途徑而形成一種空間骨架結構，經過脫水焙燒得到目的產物的一種方法。溶膠-凝膠工藝被廣泛應用於製備均勻高活性超細粉體，起始材料通常都是金屬醇鹽。圖2為溶膠-凝膠法的製備流程圖。

圖2 溶膠-凝膠法制備流程

圖2中用金屬醇鹽溶膠-凝膠製備PZT系列超微粉[9]。也有不用醇鹽的，哈爾濱工業大學以硝酸氧鋯代替鋯的醇鹽用溶膠-凝膠法同樣合成了PZT奈米粉[10]。另外，以廉價的無機鹽為原料，採用溶膠-凝膠法結合超臨界流體乾燥製備了奈米級的TiO2[11]。

噴霧熱解法。該法是將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中，此時立即引起溶劑的蒸發和金屬鹽的熱分解，隨後因過飽和而析出固相，從而直接得到氧化物奈米陶瓷粉體，或者是將溶液噴入高溫氣氛中乾燥，然後再進行熱處理形成粉體。形成的顆粒大小與噴霧工況引數有很大的關係。採用此方法制得的顆粒，通常情況下是空心的。通過仔

10 細選擇前驅物種類、溶液的濃度及加熱速度，也可製得實心顆粒。水熱法。該法是指在密閉的壓力視窗容器中，以水為溶劑製備材料的一種方法。近十幾年來在陶瓷粉體制備方面取得了相當好的成果[12]。同時，水熱法陶瓷粉體制備技術也有了新的改進和發展。如將微波技術引入水熱製備系統的微波水熱法。反應電極埋弧也是水熱法制備奈米陶瓷粉體的新技術，這種方法是將兩塊金屬電極浸入到能與金屬反應的電解質流體中，電解質一般採用去離子水，藉助低電壓、大電流在電極間產生電火花提供區域性區域內短暫的、極高的溫度和壓力，導致電級和周圍電解質流體的蒸發，並沉澱在周圍的電解質溶液中。此外，用有機溶劑代替水作為反應介質的溶劑熱反應，在陶瓷粉體制備中也表現出良好的前景。

此外，還有化學氣相法，它又包括化學氣相沉積法（CVD)，鐳射誘導氣相沉積法(LICVD)，電漿體氣相合成法(PCVD法）等方法，在此不一一介紹。

4、奈米陶瓷粉體的表徵

4．1化學成分表徵

化學組成是決定粉體及其製品性質的最基本因素，除了主要成分外，次要成分、新增劑、雜質等對其燒結及製品效能往往也有很大關係，因而對粉體化學組成的種類、含量，特別是微量新增劑、雜質的含量級別及分佈進行檢測，是十分重要和必要的。化學組成的表徵方

11 法有許多種，主要可分為化學反應分析法和儀器分析法。化學分析法具有足夠的準確性和可靠性。對於化學穩定性好的粉體材料來說，經典化學分析方法則受到限制。相比之下，儀器分析則顯示出獨特的優越性。如採用X射線熒光(XPFS)和電子探針微區分析法(EPMA) ，可對粉體的整體及微區的化學成分進行測試，而且還可與掃描電子光譜(AES)、原子發射光譜(AAS)結合對粉體的化學成分進行定性及定量分析；採用X光電子能譜法(XPS)分析粉體的化學組成並分析結構、原子價態等與化學鍵有關的性質[13]。

4．2晶態表徵

X射線衍射(XRD)仍是目前應用最廣、最為成熟的一種粉體晶態的測試方法。此外，電子衍射(ED)法還可用於粉體物相、粉體中個別顆粒直至顆粒中某一區域的結構分析；用高解析度電子顯微分析(HREM)、掃描隧道顯微鏡(STM)分析粉體的空間結構和表面微觀結構。

4．3顆粒度表徵

在奈米陶瓷粉體顆粒度測試中，透射電子顯微鏡是最常用、最直觀的手段。但是，如粉體顆粒不規則或選區受到侷限等，均會給測量造成較大的誤差。常見的粉體顆粒測試手段還有X射線離心沉降法（測量範圍為0.01～5μm）、氣體吸附法（測量範圍0.01～10μm）、X射線小角度散射法（測量範圍為0.001～0.2μm）、鐳射光散射法（測量範圍0.002～2μm）等[14]。

12 4．4團聚體表徵

團聚體的性質可分為團聚體的尺寸、形狀、分佈、含量，氣孔率、氣孔尺寸及分佈，密度，內部顯微結構，強度，團聚體內一次顆粒之間的鍵和性質等。目前常用的團聚體表徵方法主要有顯微結構觀察法、素坯密度-壓力法以及壓汞法等。

5、奈米陶瓷的效能

5．1奈米陶瓷的緻密化

超細粉末的應用引起了燒結過程中的新問題，奈米粉末的巨大表面積，使得材料的燒結驅動力亦隨之劇增，擴散速率的增加以及擴散路徑的縮短，大大加速了整個燒結過程，使得燒結溫度大幅度降低。例如:1nm的奈米顆粒與1μm的微米級顆粒相比，其緻密化速率將提高108。目前，上海矽酸鹽研究所通過對含Y2O3（3mol%）ZrO2奈米粉末的緻密化和晶粒生長這兩個高溫動力學過程的研究發現:對顆粒大小為10～15nm的細粉末，其燒結溫度僅需1200～1250℃，密度達理論密度的98.5%，比傳統的燒結溫度降低近400℃。進一步的研究表明:由於晶粒尺寸小，分佈窄，晶界與氣孔的分離區減小以及燒結溫度的降低使得燒結過程中不易出現晶粒的異常生長。控制燒結的條件，已能獲得晶粒分佈均勻，大小為120nm的Y-TZP陶瓷體。

用鐳射法所制的15～25nm Si3N4粉末比一般陶瓷燒結溫度降低了200～300℃，所得晶粒大小為150nm Si3N4陶瓷，其彎曲變形為微

13 米級陶瓷的2倍[15]。

5．2奈米陶瓷的力學效能

大量研究表明，奈米陶瓷材料具有超塑性效能，所謂超塑性是指材料在一定的應變速率下產生較大的拉伸應變。奈米TiO2陶瓷在室溫下就能發生塑性形變，在180℃下塑性變形可達100%。若試樣中存在微裂紋，在180℃下進行彎曲時，也不會發生裂紋擴充套件[16]。對晶粒尺寸為350nm的3Y-TZD陶瓷進行迴圈拉伸試驗發現，在室溫下就已出現形變現象。奈米Si3N4陶瓷在1300℃下即可產生200%以上的形變。關於奈米陶瓷生產超塑性的原因，一般認為是擴散蠕變引起晶界滑移所致。擴散蠕變速率與擴散係數成正比，與晶粒尺寸的三次方成反比，當奈米粒子尺寸減小時，擴散係數非常高，從而造成擴散蠕變異常。因此在較低溫度下，因材料具有很高的擴散蠕變速率，當受到外力後能迅速作出反應，造成晶界方向的平移，從而表現出超塑性，塑性的提高也使其韌性大為提高。奈米陶瓷的硬度和強度也明顯高於普通材料。在陶瓷基體中引入奈米分散相進行復合，對材料的斷裂強度、斷裂韌性會有大幅度的提高，還能提高材料的硬度、彈性模量、抗熱震性以及耐高溫效能。

6、奈米陶瓷的應用及其展望

奈米陶瓷在力學、化學、光吸收、磁性、燒結等方面具有很多優異的效能，因此，在今後的新材料與新技術方面將會起到重要的作用。

14 隨著奈米陶瓷製備技術的提高和精密技術對粉體微細化的要求，奈米陶瓷將在許多領域得到應用（如奈米陶瓷在結構陶瓷、功能陶瓷、電子陶瓷、生物陶瓷等領域）。不過從目前的研究來看，奈米陶瓷獲得應用的效能有以下幾個方面: 1)室溫超塑性是奈米陶瓷最具應用前景的效能之一。奈米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性，使陶瓷的鍛造、積壓、拉拔等加工工藝成為可能，從而能夠製得各種特殊的部件，應用到精密裝置中去。

2）高韌性是奈米陶瓷另一個具有很高應用的效能。陶瓷韌性的提高使得陶瓷的應用領域極度的擴大，因為今後奈米陶瓷就可以像鋼鐵、塑料等主流材料一樣的應用，而不是人們心目中的“易碎品”。

3)奈米陶瓷的應用還可以節約能源、減少環境汙染（傳統的陶瓷工業能耗高、汙染重）。奈米陶瓷的燒結溫度比普通陶瓷的低幾百度，而且還可能繼續下降，這樣不僅可節省大量能源，還有利於環境的淨化。

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16

“奈米材料與奈米技術”課程論文 篇六

課程名稱：奈米材料與奈米技術

論文題目：奈米材料與技術的發展現狀與趨勢

學院：材料與能源學院

姓名：夏國東

學好：3110006707

奈米材料與技術的反轉現狀與趨勢

21世紀前20年，是發展奈米技術的關鍵時期。由於奈米材料特殊的效能，將奈米科技和奈米材料應用到工業生產的各個領域都能帶來產品效能上的改變，或在效能上有較大程度的提高。利用奈米科技對傳統工業，特別是重工業進行改造，將會帶來新的機遇，其中存在很大的拓展空間，這已是國外大企業的技術祕密。英特爾、IBM、SONY、夏普、東芝、豐田、三菱、日立、富士等具有國際影響的大型企業集團紛紛投入巨資開發自己的奈米技術，併到得了令世人矚目的研究成果。奈米技術在經歷了從無到有的發展之後，已經初步形成了規模化的產業。歐盟、日本、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、中國、韓國、以色列、紐西蘭等國在奈米材料領域的投資較大。日本國會提出要把發展奈米技術作為今後數十年日本的立國之本，政府機構和大公司是其研究資金的主要來源，中小企業的作用很小。

中國在上世紀80年代，將奈米材料科學列入國家“863計劃”、和國家自然基金專案，投資上億元用於有關奈米材料和技術的研究專案。但我國的奈米技術水平與歐美等國的差距很大。目前我國有50 多個大學20多家研究機構和300多所企業從事奈米研究，已經建立了10多條奈米技術生產線，以奈米技術註冊的公司100多個，主要生產超細奈米粉末、生物化學奈米粉末等初級產品。

目前奈米材料與技術在各方面的應用越來越廣泛，小到日常使用的刀具，大到航空航天，都遍佈奈米材料的身影。

1、奈米技術在建築塗料中的應用

塗料是建築物的內衣（內牆塗料）和外衣（外牆塗料），國內傳統的塗料普遍存在懸浮穩定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光潔度不高等缺陷。奈米複合塗料就是將奈米粉體用於塗料中所得到的一類具有耐老化、抗輻射、剝離強度高或具有某些特殊功能的塗料。在建材（特別是建築塗料）方面的應用已經顯示出了它的獨特魅力。

2、奈米技術在混凝土材料中的應用

隨著社會工業化的深入發展和我國基礎建設的廣泛開展，水泥混凝土作為一種傳統的建材，其產量和用量都在不斷地增加，高效能混凝土已成為水泥基複合材料領域中的研究熱點。同時，許多特殊領域要求水泥混凝土具有一定的功能性，如希望其具有吸聲、防凍、高強且高韌性等功能。奈米材料由於具有小尺寸效應、量子效應、表面及介面效應等優異特性，因而能夠在結構或功能上賦予其所新增體系許多不同於傳統材料的效能。利用奈米技術開發新型的混凝土可大幅度提高混凝土的強度、施工效能和耐久效能。

3、奈米技術在陶瓷材料中的應用

二十世紀90年代初，日本Nihara首次報道了以奈米尺寸SiC顆粒為第二相的奈米復相陶瓷具有很高的力學效能，並具有很多獨特的效能。含有20%奈米鈷粉的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。氧化物奈米材料在這方面都優於同質傳統陶瓷材料，在陶瓷基中新增其他奈米微粒的效果也正在研究。利用奈米粒子特殊的光電磁特性製成太陽能陶瓷、遠紅外陶瓷等，用於建築物飾面，可開發太陽能，調節環境溫度，促進人們身體健康。奈米技術在陶瓷上的應用潛力不可估量。

4、在國防科技上的應用

奈米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：奈米電子器件將用於虛擬訓練系統和戰場上的實時聯絡；對化學、生物、核武器的奈米探測系統；新型奈米材料可以提高常規武器的打擊與防護能力；由奈米微機械系統制造的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；奈米衛星可用一枚小型運載火箭發射千百顆，按不同軌道組成衛星網，監視地球上的每一個角落，使戰場更加透明。而奈米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。 在雷達隱身技術中，超高頻段電磁波吸波材料的製備是關鍵。奈米材料正被作為新一代隱身材料加以研製。

5、奈米醫學和生物學

從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度範圍，從而奈米結構也是生命現象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執行某種功能的“奈米機械”，細胞就象一個個“奈米車間”，植物中的光合作用等都是“奈米工廠”的典型例子。奈米微粒的尺寸常常比生物體內的細胞、紅血球還要小，這就為醫學研究提供了新的契機。

經過幾十年對奈米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，奈米技術有了飛躍式的發展。奈米技術的應用研究正在半導體晶片、癌症診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發展。可以預測：不久的將來奈米金氧半導體場效電晶體、平面顯示用發光奈米粒子與奈米複合物、奈米光子晶體將應運而生；用於積體電路的單電子電晶體、記憶及邏輯元件、分子化學組裝計算機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、奈米機器人、整合生物化學感測器等將被研究製造出來。

新產物的出現總是伴隨著優點與缺點，奈米材料的發展也不是一帆風順的，隨著人們對奈米材料的認識不斷加深，一些存在的問題也不斷被髮掘出來。

1、職業暴露人群，包括奈米技術的研發人員和工人的健康安全問題。根據現有的毒理學研究，奈米粉塵和顆粒有可能通過呼吸和面板接觸進入人體。這就給長期暴露在奈米材料氛圍中的一線工人和研發人員的健康帶來潛在威脅。此外，奈米材料還有一個特點就是易燃易爆。萬一因為操作不當等帶來火災或者爆炸，後果不堪設想。因此，如何切實保護在奈米材料生產場所中暴露人員的健康，以及實驗室和工作場所奈米材料的管理、奈米材料運輸過程中的安全措施以及一旦發生危險的危機處理問題等應該成為勞動保護法和工業環境法研究和關注的物件。

2、消費者的權益問題。隨著奈米技術的產業化程度的提高，目前，在化妝品和食品中奈米技術的應用越來越多。市場上的化妝品和體育用品有許多是奈米材料產品，比如說防晒霜和口紅。食品包裝中的聚合物基奈米複合材料(PNMC)的應用、作為食品機械的潤滑劑、奈米磁致冷工質和食品機械原材料中橡膠和塑料的改性等等都用到奈米材料。毫無疑問這些材料具有獨特的優點。但是在安全上也具有不確定性。但目前進行標識的奈米材料還微乎其微。從知情同意的倫理原則出發，消費者和相關人員有權知道自己所接觸的材料的內容及其風險程度。

3、環境保護問題。研究證明，不僅在奈米技術的工作場所的環境問題關係到相關人員的健康，而且廢棄的奈米材料進入空氣、土壤、水體等環境後，可以產生一系列環境過程，最終對人和整個生物鏈產生負面影響。由於奈米材料具有強烈的吸附能力。在擴散、遷移過程中，還能吸附大氣、土壤中存在的一些常見化學汙染物如多環芳烴、農藥、重金屬離子等。因此，環境法應該研究奈米材料的環境問題，尤其必須加強廢棄奈米材料的管理。

4、隱私權的保護問題。隨著奈米器件的微型化，奈米技術在醫學、社會治安和國防方面具有廣泛的作用，但同時也構成對個人隱私的威脅。比如，通過將奈米裝置嵌入物件物（身體或者物件）中，可以監視和跟蹤目標，蒐集個人資訊和行為習慣。而可以儲存一個人的全部基因和疾病資訊的奈米晶片有可能成為被利用的工具，在勞資關係方面，成為企業用人歧視的理由或者成為保險公司限制患者自由的砝碼。面對高新技術的應用如何保護個人的隱私權，是擺在我們法律工作者面前的一個重要問題

在技術和經濟全球化的今天，奈米技術的許多前沿問題亦如能源問題、環境問題以及生物技術的問題一樣，不是基於一個國家的力量所能解決的。一旦國家之間與奈米技術相關的法律框架存在不同，就不可避免地會導致國際間合作研究的障礙，以及全球奈米技術風險與利益分配不公等問題，因此，有必要在一定的國際法體系下就奈米技術發展中的某些基本的標準、原理達成一致意見，實現各國相關法律體系的協調。在此基礎上，制定全球性的指導奈米技術發展的基本原則框架，促進成員國和公眾對於奈米技術的關注，真正推動奈米技術風險的“善治”。而如果沒有一個全球治理的框架協議，將導致奈米技術發展中的惡意競爭，從而最終阻礙奈米技術的健康發展。。

奈米材料作為一種新型高科技材料，毫無疑問會引起一系列強烈的變革，中國對與奈米材料的研究與重視程度仍然落後於西方國家，在未來，如何在奈米材料領域更進一步不單是前人的責任更是我們大學生的責任，只有不斷的自強不息，才能讓祖國在未來高科技時代中不落於人後！

關 鍵 詞：奈米材料，奈米科技，進展，應用，前景，問題

摘 要： 奈米材料是21世紀的新型發展領域，在各個方面都有重大的應用，帶來很多技術改革和創新，但是也存在一些不用忽視的問題，未來的發展需要靠我們的努力。

參考文獻：國家新材料行業生產力促進中心、國家新材料產業發展戰略諮詢委員會和北京麥肯資訊有限公司聯合編輯出版的《中國新材料發展報告》

倪星元 姚蘭芳 沈軍 周斌 編著 《奈米材料製備技術》 化學工業出版社 張立德，牟季美，奈米材料和奈米結構，科學出版社，2001

奈米材料課程論文 篇七

一維CeO2奈米材料的製備、表徵及其效能研究

0 引言

奈米技術是近幾年崛起的一門嶄新的高科技技術． 它是研究現代技術與科學的一門重要學科，也是當前物理、化學和材料科學的一個活躍的研究領域。它是在奈米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物質（包括分子和原子） 的特性和相互作用，奈米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和巨集觀量子隧道效應，在催化、光學、電磁、超導、化學和生物活性等方面呈現出優良的物理化學特性【1-2】等， 引起了各國科學家的廣泛關注。

在奈米材料製備和應用研究所產生的奈米技術成為本世紀主導技術的今天，對奈米材料的研究已從單分散奈米顆粒發展到了奈米管、奈米線、奈米棒和奈米膜的製備與應用研究[101]。它們在奈米尺度電子器件、敏感器件、生物器件、奈米醫藥膠囊、奈米化學、電極材料和儲氫能源材料等領域的潛在應用已成為國際研究的焦點[102, 103]。另外，奈米管、奈米線等一維結構的奈米材料既是研究其他低維材料的基礎，又與奈米電子器件及微型感測器件密切相關[104]，所以進行設計合成尺寸規則、形貌可控、結構穩定的奈米管、線等一維奈米材料及其相關物性的研究就有著重要的理論意義和學術價值。

作為新材料中的一員——稀土奈米材料的研究也成為世界各國科學家研究的熱點之一。奈米二氧化鈰具有晶型單一，電學效能和光學效能良好等優點，因此被廣泛應用於SOFCS電極、光催化劑、防腐塗層、氣體感測器、燃料電池、離子薄膜等方面【3-4】。近年來國內外研究者對奈米二氧化鈰的製備及效能等進行了大量研究。下面就近年來有關二氧化鈰奈米管和奈米線的製備方法及其性質和應用研究報道進行綜述。

[101] Yang R.， Guo L.， Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2004, 20, 152. [102] Philip G. C.， Zettl A.， Hiroshi B.， Andreas T.， Smalley R. E.， Science, 1997, 279, 100. [103] Hu J.， Ouyang M.， Yang P.， Lieber C. M.， Nature, 1999, 399, 48. [104] Huang Y.， Science, 2001, 294, 1313.

1、一維CeO2奈米材料的製備方法

一維奈米結構材料如奈米線(棒)、奈米管等的製備通常採用水熱合成法、模板法、非模板法等。 1.1聲波降解法

這種方法是近年來提出的一種較新穎的方法，方法簡單是其最大的特點。X i a等[401]以此法制得了硒的奈米線（見圖1）。他們首先採用過量的聯氨還原硒酸得到了球狀的無定形硒膠體（ 粒徑約在 0.1 -2um），然後進行乾燥、在醇中重新分散並對其施加超聲輻照。從圖中可以看出，開始時由於聲空化作用在膠體表面產生品種，隨後膠體不斷消耗，直至完全長成奈米線。此外Zhu等[402]將 Bi（ NO3）2， Na2S2O3和三乙醇胺（TEA）的水溶液在20kHz，60W·c m- 2 的高強度超聲下輻照2h，製得了直徑10-15nm，長度60-150nm的Bi2S3奈米棒。產品結晶度良好、形貌均一，且純度較高。

[401] Xia Y，Gates B, Mayers B，et a1．A sonochemical approach to the synthesis of crystalline

selenium nanowires in solutions and on solid supports [J] Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [402] Zhu J M，Yang K，Zhu J J，et a1．The mierostrueture studies of bismuth sulfide nanorods prep- ared by sonochemical method [J]．Optical Material，2003，23 （ 1-2 ）：89．

1.2水熱合成法

該法是指以水為分散溶劑，將反應物放入內含聚四氟乙烯襯底的不鏽鋼反應釜中，在高溫高壓條件下使之發生化學反應。先利用水熱反應得到不同形貌的前驅體，再於空氣中在一定溫度下灼燒前驅體而得到所需奈米材料。這是一種製備形貌各異的奈米氧化物的有效方法之一[307]。該法具有條件溫和、產物純度高、晶粒發育完整、粒徑小且分佈較均勻、無團聚、分散性好、形狀可控等優點，且其合成過程簡單、裝置簡易及促使反應物能夠在較低的溫度反應生長，是一個非常有應用前景的合成新型一維結構稀土化合物的方法。

Xu等〔308〕以Dy2O3粉末為前驅體用水熱法成功的合成了形貌獨特的Dy(OH)3奈米管。水熱合成法不僅可以製備出單一稀土氧化物 奈米線，而且可以製備出複合氧化物奈米線，Liu等[310]採用水熱合成法合成出了La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr，Mn)奈米線。水熱法過程簡單、原料價格低廉且容易得到形貌獨特的稀土材料，是一種可推廣到製備其它稀土化合物的方法。 1.3模板合成法

水熱合成法在製備一維奈米結構稀土化合物的優勢是簡單易行，但是不足之處在於粒子大小和形貌不易控制、粒子無序排列等。因此探索既能方便地製備出粒子的尺寸和形貌可控、粒子排列又有序的方法是奈米材料研究領域中的一個難點。近年來，隨著對奈米材料研究的不斷深人，模板合成方法越來越引起人們的關注。根據模板劑的結構可分為軟模板法和硬模板法。軟模板法是指利用表面活性劑液晶模板的原理誘導粒子的生長，硬模板法則是以含有有序多孔材料為模板，在孔內合成所要的各種微米和奈米有序陣列[315] 1.3.1軟模板合成法

氧化物奈米管、奈米線的軟模板法合成途徑是通過溶液中表面活性劑的自組裝或有機凝膠的誘導組裝而實現的。Yada等[316]以十二烷基硫酸鈉為軟模板、尿素為沉澱劑的均勻沉澱法通過分子自組裝方式合成出了稀土氧化物奈米管。 1.3.2硬模板合成法

硬模板合成法是利用硬模板劑的孔徑限制和誘導奈米線、奈米棒的生長而得到形貌各異的一維奈米材料，其最大特點是能真正實現對材料形貌、粒子大小的調變，從而成為應用最廣泛的可控制備方法之一。常用的硬模板有陽極氧化鋁(AAO)、聚碳酸酯及碳奈米管等。採 用硬模板法合成奈米材料時應考慮3個方面情況：(l)前驅體溶液必須能夠溼潤孔（即親水/疏水特性）；(2)沉積反應過程不宜太快，以免堵塞孔道；(3)在反應條件下，基體膜必須具備高的熱穩定性和化學穩定性。基於此，前驅物在模板孔內的沉積方式通常有電化學沉積法、化學鍍、化學聚合、化學氣相沉積、溶膠一凝膠沉積及模板在溶液中直接浸漬等6種方式，而最常用的則為最後兩種方式。所得奈米材料的形貌及粒徑大小除與所選硬模板劑有關外，還與其沉積方式、時間等有很大關係。 1.4非模板合成法

除了水熱法和模板法可合成出一維奈米結構材料外，Yada等[323]提出了無需利用模板劑的新合成方法，該法是新增無機物Na2SO4，NaHPO4等，通過共存離子自組裝進人反應物混合體系，進而形成氧化物空心奈米管。通過比較Yada的模板合成法和無模板合成法，可知無模板的合成法所得稀土氧化物奈米管的種類多於模板合成法的，且前者的奈米管直徑較大。

[307] Xu R R, Pang W Q. Inorganic Synthetic and Preparative Chemistry [M]。Beijing:Higher Education Press,2001. [308] Xu A W, Fang Y P, You L P, et al. A simple method to synthesize Dy2O3 and Dy(OH)3 nanotubes [J]。 J. Am. Chem. Soc.， 2003,125:1494. [310] Liu J B, Wang H, Zhu M K, et al. Synthesis of La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr,Mn) by a hydrothermal method at low temperature [J]。 Mater .，2003,38:817. [315] 包建春，徐 正。奈米有序體系的模板合成及其應用[J]。無機化學學報， 2002, 18(10): 965. [316] Yada M, Mihara M,Mouri S, et al. Rare earth oxide nanotubes templated by dodecylsulfate assemblies[J]。 Adv. Mater.， 2002,14(4):309. [323] Yada M, Taniguchi C,Torikai T, et al. Hierarchical two-and three-dimensional microstructures composed of rare-earth compound nano-tubes [J]。 Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [001]呂仁江，周志波，高曉輝。 CeO2 奈米線陣列的製備[J]。無機化學學報， 2002, 18(10): 965.

奈米CeO2粉體及其固溶體的研究進展

摘要：本文綜述了奈米CeO2的幾種主要製備方法，以及CexZr1-xO2固溶體在汽車尾氣淨化催化劑中的作用、鈰鋯氧化物的體相結構及影響鈰鋯氧化物固溶體儲氧能力（ OSC）和織構熱穩定性的因素對其在催化劑中的應用作了簡要陳述。介紹了摻雜對CeO2 結構的影響及其在催化劑方面的應用研究，展望了摻雜對改進CeO2效能的研究方向。

關鍵詞：奈米CeO2；摻雜；CexZr1-xO2，三效催化劑；儲氧能力

0 引言

由於奈米材料具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和巨集觀量子隧道效應等， 使其呈現出許多獨特的性質， 在結構與功

能陶瓷， 塗層材料 ， 磁性材料 ， 氣敏材料， 催化材料 ， 醫藥材料等

領域具有廣闊的應用前景L 1 ] 。

奈米稀土氧化物粉末是奈米稀土材料的重要組成部分， 它

既是一種可實用的新材料， 同時又可為其它大塊新材料的製備

提供原料。其中， 奈米 C e O。 粉末由於具有獨特的立方螢石型結

構特徵L 2 ] ， 尤為引人關注。近年來， 國內外研究人員已用多種方

法制備出了單一的和某些複雜 的奈米 C e O 粉末， 並詳細研究

了它們的物性及在多種領域的應用。

奈米CeO2具有比表面積大， 儲氧效能好， 負載金屬分散度高等許多優良特性， 摻雜對CeO2的結構及效能又有進一步改善， 因而是目前研究的熱點。

CexZr1-xO2固溶體（簡稱CZ）具有高的儲氧能力（ OSC）[111-112]和良好的熱穩定性[113]，用作汽車尾氣淨化催化劑載體受到了廣泛的關注，是目前催化劑領域的研究熱點之一。研究工作主要集中於CZ的結構表徵，結構與熱穩定性、OSC的關係以及CZ基催化劑的催化作用等。本文主要介紹近年來國內外有關CZ在上述方面的研究進展 。

0 引言

奈米技術是近幾年崛起的一門嶄新的高科技技術． 它是研究現代技術與科學的一門重要學科，也是當前物理、化學和材料科學的一個活躍的研究領域。它是在奈米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物質（包括分子和原子） 的特性和相互作用，奈米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和巨集觀量子隧道效應，在催化、光學、電磁、超導、化學和生物活性等方面呈現出優良的物理化學特性【1-2】等， 引起了各國科學家的廣泛關注。利用這些特性所開發出來的多學科的高新科技，成為特殊功能材料發展的基礎。奈米氧化物作為奈米材料中的重要一員，在精密陶瓷、光電池、磁記錄和感測器、催化劑、發光材料等方面有著重要的應用。因此，人們對奈米氧化物的製備和效能進行了廣泛的研究 。

作為新材料中的一員——稀土奈米材料的研究也成為世界各國科學家研究的熱點之一。奈米二氧化鈰具有晶型單一，電學效能和光學效能良好等優點，因此被廣泛應用於SOFCS電極、光催化劑、防腐塗層、氣體感測器、燃料電池、離子薄膜等方面【3-4】。近年來國內外研究者對奈米二氧化鈰的製備及效能等進行了大量研究。奈米技術簡介【5】

奈米技術(nanometer technology)主要針對 1～100 nm之間的尺寸，該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和巨集觀物體交界的過渡區域 ，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的巨集觀系統 ， 突出表現為四大效應: 表面效應:指奈米粒子的表面原子數與總體積原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大 ，從而引起的性質上的突變。粒徑到達 10 nm 以下 ，表面原子之比迅速增大。當粒徑降至 1 nm時 ，表面原子數之比超過 90 %以上，原子幾乎全部集中到粒子的表面，表面懸空鍵增多 ，化學活性增強。

體積效應:由於奈米粒子體積極小 ，包含極少的原子 ，相應的質量也很小。因此 ，呈現出與通常由無限個原子構成的塊狀物質不同的性質 ，這種特殊的現象通常稱之為體積效應。

量子效應:當奈米粒子的尺寸下降到一定程度 ，金屬粒子費米麵附近電子能級由準連續變為離散；奈米半導體微粒存在不連續的最高被佔據的分子軌道能級和最低未被佔據的分子軌道能級 ，從而使得能隙變寬 ，這種現象 ，稱為量子尺寸效應。

巨集觀量子隧道效應:奈米粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近來年 ，人們發現一些巨集觀量 ，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應 ，它們可以穿越巨集觀系統的勢壘。

研究表明，奈米材料的顆粒尺寸小，表面的鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子配位不全，導致表面活性位置增加，而且隨著粒徑的減小，表面光滑度變差，形成了凹凸不平的原子臺階，從而增加了化學反應的接觸面，具有很強的催化效能。因此，奈米催化材料是奈米材料研究的一個重要方向。奈米稀土材料是奈米催化材料的一個重要組成部分，它既具有奈米材料的優點，又具備稀土材料化學活性高、氧化還原能力強和配位數多變的特點，集兩種材料的優勢於一身，是比純粹的奈米材料和稀土材料更優良的的新型複合材料；廣泛應用於稀土化合物奈米粉體、稀土奈米複合材料、稀土奈米環保材料、稀土奈米催化劑等方面，具有廣闊的市場前景。氧化鈰是稀土族中一個重要的化合物，是一種用途非常廣泛的材料，在玻璃、陶瓷、熒光粉、催化劑等領域中有廣泛的應用，特別是在機動車尾氣淨化催化劑中，氧化鈰作為一種重要的助劑，對改進催化劑的效能起著舉足輕重的作用 ［6-7］ 。

c e ( ) 2 將在高薪技術領域發揮更大的潛力

二氧化鈰的資源狀況

我國稀土資源具有分佈廣， 品種多， 質量好的特點I 5 ] 。

據公佈資料顯示， 我 國稀土工業儲量為 4 3 0 0萬噸( 以 R E O

計) ， 遠景儲量為 4 8 0 0萬噸， 佔全球儲量 9 1 0 0萬噸的 4 3 ． 4

％左右， 居全球之首。鈰在地殼中的丰度佔第 2 5位， 與銅的丰度相當。

鈰與其它稀土元素一樣性質活躍， 為親石元素。鈰的主

要資源來 自氟碳鈰礦和獨居石。工業開採的鈰的稀土礦物

主要有包頭混合型稀土礦（ 氟碳鈰礦和獨居石混合的礦物 ） 、獨居石、氟碳鈰礦及離子型吸附礦， 山東微山和四川冕寧地

區的單一氟碳鈰礦床。這些礦物中氟碳鈰礦、獨居石 、氟碳

鈣鈰礦含鈰量（ 以C e 2 o 3 計） 都超過 5 0％， 如： 氟碳鈰礦中已

達 7 4％， 獨居石含鈰量約 6 O％， 氟碳鈣鈰礦含鈰量為 5 3 ～

6 2％。這為我國大力發展稀土鈰工業提供了必要的物質基

礎和優勢。

目前我國c a 3 2 產品的原料包括下列幾種_ 6

J ： （ 1 ） 混合型

氧氧化稀土[ R E （ OH）

] 。它是由混合型稀土精礦( 包頭稀土

礦) 及氟碳鈰礦精礦經處理後而製成的。R E（ OH） 中含

R E O 6 0％， C e O 2 5 0％。（ 2 ） 稀土精礦 ( R E O>~5 0％， C e O 2 4 8

％～5 0％) 。它可用包頭稀土礦或 四川氟碳鈰礦精礦處理

後而制 成。（ 3 ） 硫酸 稀土 和氯化稀 土 [ R E 2 （ S （ ） 4 ） 3中含

R E O 5 0％， C e O 2 5 0％； 在 RE C l 中含 R E o≥4 5％， C e C h ≥ 5％] 。均可由稀土精礦處理後而獲得。上述三種原料 為

我國目前生產二氧化鈰提供充足的原料。 國內外應用研究現狀

目前舊內外正在開發和研究應用的領域

（ 1 ） 紫外線吸收劑方面的應用

目前大量使用的是有機紫外線吸收劑， 有飢物的最大缺

點足穩定性差， 容易分解 ， 分解產物還會加速其它高分子材

料老化， 最終影響產品的長期使用效果。此外有機吸收劑本

身或其分解產物具有一定的毒性， 符合綠色環保要求， 影

響產品出口和使用範圍。

普通氧化鈰用於紫外戰吸收0 已在玻璃行業得到應用。 奈米 C e 的4

f

電子結卡 勾， 塒光吸收非常敏感， 而且吸收波 0 3 1 3 2 左右 段大多在紫外區（ 如圖( 3 ） 示 ， 實驗室自制粒度在 的（ 的紫外吸收網） ， 岡此所得的奈米複合抗紫外線劑，n m) ， 高效長久( 比

具有吸收效率高、吸收波段寬（ 2 0 0 ～4 0 0 有機抗紫外線劑要長數倍） ， 防止高分子材料老化的功能將

更強， 綠色環保， 而且綜合成本低。粒徑 8

n m的) 2 超微

粉對紫外線吸收能力和遮斷效果顯著， 可用於基材塗料提高

耐候性。目前我國許多公司

在開發將其應用於塗料 ， 防止

坦克 、汽車 、儲油灌等的紫外老化； 日本無機化學公司在該方

面也研製成功 了一種名為 C e f i g u a ~的紫外線遮斷劑， 並建

立 鈰防護劑生產線， 該產品與同類產品比較， 紫外線遮斷

效果相同， 但透明性較其它產品優 良。今後， 隨著鈰防護劑[10]

奈米材料因其獨特 的表面效應、量子尺寸效應等而表現 出

不同於常規材料的特殊效能 ， 因而在各個領域得到了廣泛 的使

用。 我國擁有豐富的稀土資源 ， 由於稀土元素具有獨特的 f 電子

構型， 因此具有其獨特的光 、電、磁性質。 為了進一步研究和開發

新型奈米稀土材料 ， 奈米稀土材料 的合成及應用成為了世界各

國科學家研究的熱點之一。

C e Oz 屬於立方晶系 ， 具有螢石結構。 C e 0。 作為一種典型的稀土氧化物有著多方面的功能特性 ， 被廣泛用於 電子陶瓷、玻璃

拋光、耐輻射玻璃 、發光材料等。最新研究表明， 由於Ce O。 獨特 的儲放氧功能及高溫快速氧空位擴散能力 ， 因此可以被應用於

氧化還原反應 中， 成為極具應用前景的催化材料n ] 、高溫氧敏

材料[ ‘ ] 、p H感測材料n ] 、電化學池中膜反應器材料n 3 、燃料 電

池的中間材料 ] 、中溫固體氧化物燃料 電池（ S OF C） 用電極 材

料[ g

0 ] 以及化學機械拋光 （ C MP ） 漿料[ ， 在現代高新技術領域

有 著巨大的發展潛力。而高科技的發展對 C e O。 的要求越來越高 ， 因此 C e O。 納 米粉體的製備技 術也已成為必須迫切解決的問題。本文即根據最新 資料文獻 ， 重點介紹了奈米 C e O。 在高新

技術領域中的應用 以及國內外有關奈米 C e O。 製備方法的研究

進展 ， 同時對奈米 C e O。 研 究的發展趨勢提 出了新的展望 ， 以期

為進一步深入研究和開發高效能新型 C e O。 功能奈米材料提供

參考和借鑑 。

奈米氧化鈰在高新技術領域的應用． 1

在汽車尾氣探測及淨化催化中的應用 隨著汽車用量的增加， 環境汙染越來越嚴重 。 由於環保法規

日趨嚴格 ， 汽車尾氣探測和淨化用催化劑的消費量大幅度增加 ， 這不僅是因為汽車尾氣淨化已經普及， 而且環保標準逐步提高 。

表 1 所示為美國聯邦政府 、加利福尼亞州和歐盟制定的汽車尾

氣排放標準[ 】

。

顯然 ， 如此嚴格的標準單靠汽車工業本身的努力遠遠不夠 ， 必須開發新型材料來限制汽車尾氣的排放以控制 日益嚴重的環

境汙染 。C e 02 於還原氣氛中很容易被還原為低價氧化物 ， 轉化為缺氧型非化學計量氧化物 C e O

… 儘管在晶格上失去相當數

量的氧而形成大量氧空位 ， 但 C e O

一

仍然能保持螢石型晶體結

構。 這種亞穩氧化物暴露在氧化環境中， 又極 易被氧化為 C e O 。

由於 Ce 0 具有這種獨特的儲放氧功能 以及高溫化學穩定性和

快速氧空位擴散能力（ 1 2 4 3 K時的擴散係數為 1 0 c m ／ s ） ， 而成

為效能優越的高溫氧敏材料， 最適合作 為探測汽車尾氣氧濃度

和控制發動機空燃 比的探頭(

一探頭) ， 以及探測低 氧分壓的氧

敏感測器

] 。 C e O 能夠改善催化劑中活性組分在載體上的分散

度， 因此也被廣泛應用於催化氧化還原反應 。 在控制汽車尾氣過

程中， C e O 是三效催化劑中最重要的助劑[ 1 。研究表明L 1

] ，利用奈米 C e 0 的 比表面積大 ， 化學活性高 ， 穩 定性好的特性 ，將 c e 0 作為助劑與添 加劑 ， 與貴金屬 （ P t ， P d， R u等 ） 聯用 ， 也

可將 C e O 作為載體或做成複合載體 ， 負載過渡金屬 ， 可很大程

度提高儲氧放氧能力 ， 明顯改善催化效能 。

1 ． 2 在化學機械拋光（ C MP） 中的應用

化學機械拋光 （ C MP ） 是整合 電路 （ I C） 生產中矽晶圓片整

個沉積和蝕刻工藝的重要組成部分。它藉助 C MP漿料 中超微

研磨粒子的機械研磨作用以及漿料的化學腐蝕作用 ， 用專用拋

光碟在 已製作 電路 圖形的矽 晶圓片上形成高度平整的表面， 是

目前能夠提供超大規模積體電路製造過程中全域性平坦化的一種

新技術n 。其中應用最廣泛的是層間介電層 （ I L D） 的拋光， S i O2

則是最常用的層間介電層材料 。 要獲得最佳的拋光效果， 需要制

備高效、高質、高選擇性的 C MP漿料。

由於奈米 C e O 具有強氧化作用 ， 作為層 間 S i O 介 電層拋

光的研磨粒子， 具有平整質量高、拋光速率快、選擇性好的優點 。

C e 0 粒子 比 s i 0 粒子柔軟[ 1 ， 因此在拋光過程中 ， 不容易刮 S i O 拋光面。儘管 C e O 粒子硬度小， 卻具有拋光速率快 的 點， 這主要在於 C e O 粒子在拋光過程中所起的化學作用。 C 粒 子拋 光 S i 0 介 電層 的機 理 如下

：

一 一

中的介面氧原子將與細胞色素 C中賴氨酸殘基上的質子化氨基

相互作用並形成細胞色素 C與電極之 間的電子傳遞通道 ， 可以

獲得細胞色素 C的快速傳遞反應 。C e 0 粒子越小， 比表面積越

大， 介面的氧原子數就越多， 因而可在電極表面產生越多的電化

學活 性 點 ， 得到 更好 的反應 促進 效 果L 2 。

1 ． 4 在燃料電池 電極 中的應用

電極在燃料 電池電化學 中有著十分重要的作用 ， 以 YS Z為

電解 質， 陰陽兩極分別 為 L a （ S t ） Mn O。和 Ni — YS Z的 S OF C一

度 佔據統治地位 ， 但是 C H。 在 Ni 上快速積炭 ， 阻礙 了 s 0F c甲

烷的直接氧化反應路徑的開發 ， 而且以 Ni 為陽極催化劑存在著

抗硫能力差 ， 長時間操作會引起 Ni 燒結 。 C e O 作為一種新型材

料， 有著以下幾個優點 ： （ 1 ） C e O 是一種混合 型導體 。可 以將陽

極氧化反應面擴大到 TP B面 （ 氣相一 電極催化劑一 電解質三者的 介面） ； （ 2 ） C e O 的離子電導大於 YS Z， 可 以協助 01從 電解質

向陽極傳遞 ； （ 3 ） C e O 易於儲氧、傳輸氧 ， 奈米級 C e 0 比表面積

大， 增加了儲氧的能力。 因此 C e 0 能夠在陽極上應用 ， 解決 C Ht

直接應用於固體氧化物燃料電池的積炭問題L 2 。

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奈米材料論文 篇八

奈米磁性材料在醫藥中的應用

姓名：周逸紅 學號：6003109083 班級：水電092 摘要：磁性奈米生物材料因其獨特的效能而具有廣泛的應用價值， 尤其在腫瘤治療， 細胞及生物分子的分離純化， 臨床診斷和組織工程領域， 給人類疾病的治療帶來了新的契機和希望。本文從靶向藥物載體技術， 腫瘤治療， 細胞分離技術， 免疫分析， 酶的吸附與固定作用和基因治療幾個方面簡要分析磁性奈米材料在生物醫學領域的應用及其發展過程中有待解決的問題。

關鍵詞：磁性奈米材料； 生物醫學； 奈米生物技術；磁性載體腫瘤應用 引言

奈米科學技術是20 世紀80 年代發展起來的一門多學科交叉融合的技術科學，其最終目標是直接以原子、分子及物質在奈米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學特性來製造具有特定功能的產品。

磁性奈米粒子由於具有小尺寸效應、磁導向效能、低毒性、生物相溶性、可注射性等， 越來越受到生物醫學工作者的肯定和關注。近十幾年來， 科學工作者對磁性奈米粒子進行各種化學的、物理的、生物的表面修飾， 製備出各種各樣的不同用途的具生物活性功能基團的奈米磁粒， 極大地拓寬了奈米磁粒在醫學上的應用範圍。本文擬就奈米磁粒在醫學研究領域的主要進展概述如下。

1磁性奈米粒子在腫瘤治療中的應用 1.1 磁性奈米材料作為載藥系統的型別

目前常見的奈米載藥系統的型別【1】：1.微乳 2.生物可降解奈米粒3.脂質體4.固體脂質奈米粒5.磁性奈米粒6.基因轉導奈米粒。其中磁性奈米粒是一種廣泛應用於癌症治療及診斷的磁性材料，醫用磁 性奈米載體主要由鐵微粒和其他活性成分構成的奈米微球【2】，其粒子本身具有生物相容性，並可在體內完全代謝。這些奈米微球具有較強的藥物承載能力，抗癌 藥物以及抗體、活性蛋白和小分子多肽等物質通過一定的物理吸附或化學鍵與其相連並配合載液形成磁靶向載體系統。

1.2 磁性奈米材料介導靶向化學藥物治療

傳統化學治療的最大弊端就是其相對非特異性，服用的治療藥物廣泛分佈到全身各個系統結果導致 了顯著的副作用：藥物不僅攻擊腫瘤細胞而且也攻擊正常的組織細胞【3-4】。這些副作用導致長時間服用此類藥物的困難，但如果這些藥物的作用位點能夠被定 位，那麼此類藥物在人體的長期應用將變得可能。 目前認為滲漏、組織結構缺陷和淋巴系統受損是腫瘤組織快速的血管化的主要原因，但這些原因同 樣是使腫瘤具有了上皮通透與重吸收特性（EPR effect）【5】，這一特點導致了磁性奈米材料在腫瘤部位的濃集。經過表面修飾使其逃避RES吞噬作用成了研究的重點，研究表明奈米材料粒徑小於 100 nm並且表面被親水性基團修飾是避免被RES清除的有效途徑，有實驗證明經過PEG、帕洛沙敏、環糊精修飾過的奈米粒能明顯單核巨噬細胞系統（MPS）的 吞噬作用，研究表明由於這些表面修飾的存在，改變的奈米載體表面構型和電荷分佈，導致調理蛋白不易附著，從而減低了MPS的吞噬作用。而與親水基團共價交 聯兩性分子如聚乙酸內酯，聚乳酸等這樣可以避免團聚效應與血細胞受體結合【6】。 最近Pankhurst 等【7】首先在老鼠骨肉瘤 (osteosarcoma)部位植入一塊永久磁鐵 ， 然後通過磁性阿黴素脂質體釋放細胞毒素藥物 （ cytotoxicdrugs） 治療腫瘤 ， 結果表明骨肉瘤部位的藥物濃度是非磁控區藥物濃度的 4 倍，而且藥物的抗腫瘤活性也大大提高。

1.3 腫瘤的熱療

腫瘤熱療是腫瘤治療技術中的一個非常重要的方法。磁粒用於腫瘤熱療（磁致熱療）治療癌症是因 為磁粒在磁場的引導下， 可靶向病變部位， 同時在交變磁場的作用下，磁滯後效應(magnetic hysteresiseffects) 而產生熱量將富有磁粒的腫瘤部位加熱到43～48℃之間， 選擇性殺死癌細胞同時又不傷害正常細胞。該方面有所進展的例子是an 博士領導的研究團隊發現用糖衣包裹氧化鐵粒子偽裝後， 可以成功逃過人體免疫細胞的攻擊而安然進入腫瘤組織內， 加上交換磁場， 在維持治療部位45～47℃的溫度下， 氧化鐵粒子便可殺死腫瘤細胞， 臨近的健康組織卻不受到明顯影響。Kouji Tanaka[1]結合細胞免疫技術採用磁性陽離子脂質體對小鼠的瘤灶進行熱療， 能使小鼠75%的瘤塊消退。ManfredJohannsen 等[2]把磁流體熱療與放療結合起來對移植性前列腺癌的哥本哈根Copenhagen 老鼠模型進行實驗， 發現在第一個療程， 熱療溫度可達到42.7℃～58.7℃兩個療程後， 與對照組比較， 抑制腫瘤增生87.5%～89.2%。顏士巖等【8】採用Fe2O3 奈米磁流體對荷瘤鼠熱療， 實驗顯示奈米磁流體【9】熱療對肝癌的體積和質量有明顯的抑制作用。

1.4腫瘤的基因治療

近年來， 腫瘤基因治療因其具有特異性、安全性、有效性的特點而受到越來越多的關注， 而且許多臨床研究取得了滿意的效果。建立有效靶向細胞轉移目的基因的載體系統是基因治療研究必不可少的一個重要方面。目前臨床試驗中所用的載體一般有兩 類: 病毒載體和非病毒載體。非病毒載體較病毒載體更為安全而成為較佳的選擇。腫瘤基因治療中用到的非病毒載體主要分為: 脂質體/脂質複合物、陽離子多聚物、磁性奈米粒子等。Norio Morishita[8]報道把經表面修飾的磁性奈米粒與日本血凝病毒殼蛋白（ hemagglutinating virus of Japanenvelope, HVJ-E） 結合， 可提高其轉染質粒DNA, 蛋白質、核苷酸入細胞的轉染效率。向娟娟等[9]探討了氧化鐵奈米顆粒(IONP)作為體外基因載體的可行性及其外加磁場對於其轉染效率的影響。IONP 可將外源基因轉染至多個細胞系並高效表達。不同細胞系的轉染效率和時間各不相同。外加磁場可使轉染效率提高5～10 倍。 1.5 腫瘤的化療

腫瘤化療也是腫瘤治療技術中的一個重要方面。但因大數多腫瘤藥物具有很大的毒副作用， 且存在明顯的療效一劑量依賴關係。因此， 為提高區域性的藥物濃度， 減少全身毒性反應， 人們開始考慮磁靶向給藥途徑。攝載藥物的磁奈米載體在外加磁場的作用下定向於特定部位， 再把藥物釋放出來。這就改變了藥物在腫瘤組織與非腫瘤組織的分佈， 使體內蓄積毒性降低， 使治療部位的藥物濃度明顯提高， 更大的發揮化療藥物殺傷癌細胞的作用。ChristophAlexioud 等【10】通過實驗發現米託蒽醌磁性奈米粒子靶向到兔子體內的病變部位後， 所釋 放的藥物分子濃度遠遠大於常規治療方案的藥物濃度。龔連生等【11】把磁性阿黴素白蛋白奈米粒注射入移植性肝癌模型的大鼠肝動脈， 並在肝腫瘤區外加磁場，實驗結果顯示大片腫瘤組織壞死， 說明磁性阿黴素白蛋白奈米粒具有強大的抗腫瘤作用。

2、細胞分離和免疫分析

細胞分離是生物細胞學研究中一種十分重要的技術，高效的細胞分離在臨床中是首要的、重要的步 驟。這種細胞分離技術在醫療臨床診斷上有廣範的應用， 例如治療癌症需在輻射治療前將骨髓抽出， 且要將癌細胞從骨髓液中分離出來。傳統的細胞分離技術主要採用離心法，利用密度梯度原理進行分離，時間長、效果差。隨著合成磁性粒子的發展， 免疫磁性粒子在分離細胞方面已經獲得了快速的發展經動物臨床試驗已獲成功。其中最重要的是選擇一種生物活性劑或者其他配體活性物質（如抗體、熒光物質、外 源凝結素等） ，根據細胞表面糖鏈的差異，使其僅對特定細胞有親和力，從而達到分離、分類以及對其種類、數量分佈進行研究的目的。磁性粒子用於細胞分離需要考慮以下幾個 因素: 不與非特定細胞結合、具有靈敏的磁響應性、在細胞分離介質中不凝結。

免疫分析在現代生物分析技術中是一種重要的方法，它對蛋白質、抗原、抗體及細胞的定量分析發 揮著巨大的作用。在免疫檢測中，經常利用一些具有特殊物理化學性質的標記物如放射性同位素、酶、膠體金和有機熒光染料分子等對抗體（或抗原）進行偶聯標 記，在抗體與抗原識別後， 通過對標記物的定性和定量檢測而達到對抗原（或抗體） 檢測的目的。由於磁性奈米顆粒效能穩定，較易製備， 可與多種分子複合使粒子表面功能化， 如果磁性顆粒表面引接具有生物活性的專一性抗體， 在外加磁場的作用下，利用抗體和細胞的特異性結合，就可以得到免疫磁性顆粒， 利用它們可快速有效地將細胞分離或進行免疫分析，具有特異性高、分離快、重現性好等特點， 同時磁性奈米顆粒具有超順磁性，為樣品的分離、富集和提純提供了很大方便， 因而磁性奈米顆粒在細胞分離和免疫檢測方面受到了廣泛關注。 磁性奈米顆粒對蛋白酶的吸附及固定化

生物高分子例如酶等都具有很多官能團， 可以通過物理吸附、交聯、共價偶合等方式將他們固定在磁性顆粒的表面。用磁性奈米顆粒固定化酶的優點是:易於將酶與底物和產物分離；可提高酶的生物相容性和免疫活性；能提高酶的穩定性，且操作簡單、成本較低。

製備吸附蛋白酶的磁性高分子顆粒的過程可以概括為:製備磁流體， 在對磁流體中的磁性奈米顆粒用大分子包覆或聯結， 所形成的磁性高分子載體可用作親和吸附的磁性親和載體。作為酶的固定化載體，磁性高分子顆粒有利於固定化酶從反應體系中分離和回收， 還可以利用外部磁場控制磁性材料固定化酶的運動和方向， 從而代替傳統的機械攪拌方式， 提高固定化酶的催化效率。磁性高分子顆粒作為酶的固定化載體還具有以下優點:固定化酶可重複使用，降低成本；可以提高酶的穩定性，改善酶的生物相容性、免 疫活性、親疏水性；分離及回收酶的操作簡單，適合大規模連續化操作。 結束語

Bosher 認為RNAi 將是未來十年生物學研究中最激動人心最有可能產生豐富成果的領域之一。尤其是對細胞中基因功能的分析和基因特異性的治療方面的突出優勢， 在未來的發展中將具有更加廣闊的發展前景。由於能夠快速而簡單地製備某個功能缺失表型， 使得更多的研究人員投身於RNAi 的研究之中。儘管目前對這項功能強大的技術已經有深入的瞭解， 但是幾乎每天都有新的結果不斷湧現， 可以毫不誇張地說， RNAi 正在功能基因組學領域掀起一場真正的革命。 磁性奈米材料在生物醫學領域已表現出獨特的優勢，具有潛在的應用前景。隨著高分子材料學、電磁學、醫學、生物工程學的進一步發展，必將加速推動對磁性奈米材料的基礎研究和在生物醫學領域應用研究工作， 使之進入一個新的發展階段。

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