納米材料概述

柴利萍

(河南護理職業學院,河南安陽 455000)

納米材料概述

柴利萍

(河南護理職業學院,河南安陽 455000)

納米技術作為一種新興科學技術,廣泛應用于化工、電子、航空、軍事、醫學、環保工程和生物工程等領域。本文用簡單的語言闡述了納米材料的含義及性質,以及關于納米材料安全性的思考。

納米材料 特性 問題

在現代信息社會,每年都會出現很多新鮮詞匯,而“納米材料”一詞已提了頗有幾年。各種廣告的宣傳中,到處充斥著“納米”二字,納米材料顯然已經成為商家的重要賣點之一。但是,對大多數人而言,“納米材料”就是納米材料,即字面釋義,對其真正的概念含義很是模糊,鑒于此,本文用簡單的語言對納米材料、納米技術進行介紹。

1 何為納米材料

納米,是長度單位,用nm來表示。常用的長度單位是米,1nm=10-3μm=10-9m,可以看出納米是很小的長度單位。舉個例子,人的頭發絲的直徑一般都在7000—8000nm之間,人體紅細胞的直徑大約為3000-5000nm,而一般的病毒直徑在幾十到幾百納米之間。納米材料,簡單來說就是粒子尺寸很小在1-100nm之間的,和一般尺寸的材料性質不同的,具有自己特殊物理化學性質的材料。自1990年7月美國召開的第一屆國際納米科學技術學術會議后,納米材料被正式作為材料科學的一個新分支。現在用的納米材料大多是人工制備的,屬于人工材料,而自然界中也早就存在納米微粒和納米固體,如人和動物的牙齒、隕石碎片等都是由納米微粒構成的。

2 納米材料的特性

納米材料又稱為超微顆粒材料,顆粒尺度非常接近原子的大小,但又不是平常意義上的微觀系統,即納米材料既不屬于微觀系統又不屬于宏觀系統,而是一種介于兩者之間的介觀系統。由于其非常小的顆粒尺度,使納米材料具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應,在性質上表現出非常奇異的特性,如在光學、熱學、電學、磁學、力學及化學等方面都與傳統材料有著顯著的不同。被廣泛應用于化工、電子、航空、軍事、醫學、環保工程和生物工程等領域。舉例說明。

2.1 光學特性

量變引起質變。顆粒尺寸也一樣。當白金(鉑)被粉碎成納米級的尺寸時,就會失去其原有的光澤而呈黑色,顆粒越小,顏色越黑。因為綠色的樹葉表明它吸收了其他顏色的光而反射了綠色的光波。黃色的顏料表明吸收了其他顏色波長的光而反射了黃色的光波。而納米顆粒尺寸已經小于光波波長的尺寸,對光的反射率很低,甚至可以完全消光。利用此特性能達到隱身的效果,可用來制隱身衣、用于軍事戰略上使飛機隱形等。

2.2 熱學特性

正常尺寸的固體材料熔點是固定的,而細化后其熔點將顯著降低,10nm以下尤為顯著。如銀的熔點為670℃,而納米銀顆粒的熔點低于100℃。將納米銀顆粒加入導電漿料中,可進行低溫燒結,這樣就不必用耐高溫的材料基質,既可大大縮減成本,又能大大提高質量。

2.3 磁學特性

生物學家研究發現,鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物之所以從來不會迷失方向,是因為這些生物體內存在著納米磁性材料為它們準確無誤的導航。就像,海龜在美國弗羅里達州產卵,但出生后的幼小海龜卻要游到英國尋找食物,長大的海龜還要再回到弗羅里達州產卵。這個過程中海龜需要進行幾萬千米的長途跋涉,歷時5～6年,卻從不迷路,它們依靠的就是頭部內的納米磁性材料。可利用納米顆粒的強矯頑力作成高存儲密度的磁記錄磁粉,應用于磁帶、磁盤、磁卡等。

2.4 力學特性

我們知道,陶瓷通常情況下是非常脆的,但納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有很大的表面積,裸露的表面原子排列很混亂,原子在外力的條件下很容易發生遷移,從而表現出良好的韌性和一定的延展性。經研究,人的牙齒也是因為由磷酸鈣等納米材料構成才具有很高的強度。

2.5 化學特性

納米粒子是一種極好的催化劑。這是因為粒子細化后,有很高的比表面積和表面能,同時氧化還原勢(即催化反應的驅動力)增大,導致粒子的催化活性增高。所以納米粒子可以作為一種高效、高選擇性的催化劑,可用來代替其他昂貴的催化劑,也可以用來降低化學反應條件。比如納米鉑黑可以使乙烯的氧化溫度從600℃降低到室溫。

3 納米材料的利弊

由上可知,納米材料具有很多奇異的性質,可以應用于生產生活的很多方面,它完全有能力徹底改變人們的生活,但是,要想使其廣泛推廣,還需要解決一些很具挑戰性的問題。(1)技術問題。納米材料的性質和納米顆粒的尺寸、形狀及其微結構有很大的關系,這就對納米材料的合成提出嚴格的要求。雖然化學家對合成小分子已有很豐富的經驗,但要嚴格控制納米顆粒的尺寸范圍、形貌結構及分散穩定性,還是需要化學家在合成工藝、反應條件的優化上做大量的工作。現在化學家已經在原有物理方法和化學方法的基礎上,建立發展了一系列新的合成方法,如模板合成、超聲合成、激光誘導合成、微波合成、電化學合成等。(2)成本問題。如要廣泛推廣,就需要在解決技術上的問題后,還要盡可能的降低成本。關乎批量生產的最關鍵因素就是成本問題。現在的納米材料大多還處于實驗室階段,最根本的原因應該就是成本過高。(3)安全問題。事物都有兩面性。納米材料不僅帶來了巨大的經濟效益和科技創新,其安全性也逐漸被人們所關注。近兩年,大家不再很興奮的盲目追求納米材料帶來的優異性能,也開始考慮它可能有的安全隱患。比如,納米顆粒和納米材料已被越來越廣泛的應用于醫藥、涂料、染料、食品、化妝品和治理環境污染等行業,其在發揮優異特性的同時是否對人、畜、自然環境存在潛在威脅？它的毒理是怎樣的？

4 結語

著名的諾貝爾獎獲得者R．Feyneman在20世紀60年代就預言：如果對物體微小規模上的排列加以某種控制的話,物體就能得到大量的異乎尋常的特性。他所說的材料就是現在的納米材料。現在,納米材料已經成為人們討論的一個熱點,也已經被應用于越來越多的領域。人們不僅可以穿上防水防霉的隱身服,還能用除菌除臭的地磁磚,更可以用耐磨性、硬度都很好的納米骨質材料來作為關節或附件,甚至可以用納米殼來治療讓人談虎色變的癌癥。當然,科技是把雙刃劍,目前,大家正在呼吁重點關注納米材料的毒性研究領域以及綠色納米材料的課題研究。

[1]LIU Xiao- Heng , WANG Heng- Zhi, CHEN Dao- Yong , WANG Ying, LU Lu- De, WANG Xin. Pr operties of nano materials[ J].J.Appl. Po lym. Sci,1999,73:2569～2570.

[2]林冠發,王云芳,王曉玲.納米材料及技術在生物醫學領域中的應用.咸陽師范學報,2002,8:31～34.