纳米材料的发现发展及应用(2)

等几个方面重点支持，力争实现技术的跨越发展，使我国在纳米技术领域的国际竞争中占据有利的战略地位。通过国家攻关计划、863 计划、973计划的实施，我国在纳米技术研究方面己投人了大量的人力和物力。自2001年到2002年间，共资助项目545项，其中50万以上的项目102项。在基础研究和应用研究方面，500万以上的项目26项，资助的总经费大约3.6亿元，加上社会资金对纳米材料产业化的投人，总投人约12亿元。

在国家各项科技计划的支持下，我国纳米材料及纳米科学技术已经取得了比较突出的成果，例如，在纳米电子方面，成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现6纳米宽的半导体量子线台面和6纳米宽的线条金属栅，制备出间隔仅为10纳米的多种“纳米电极对”，用CMB效应进行高灵敏度传感器和硬盘磁头原理的研制工作。

2001年我国开始了第一个“纳米标准”的制定工作，这是纳米产业发展加速的一个显著标志，而支撑纳米标准建立的是我国已经具备的纳米基础科学基础研究、应用研究和产业化的实力。2004年5月20日，中国实验室国家认可委员会纳米技术委员成立，又使我国纳米科技发展走上规范化管理的道路。目前，中国的纳米材料专利(包括三资企业在中国的纳米专利中请)占全世界该领域专利申请总数的20%以上，但我国专利质量和国外相比有一定的差距，尤其是纳米技术在电子信息与生物这些技术含量高的领域严重不足。

10年来，我国研究人员在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中发表在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上的论文共6篇，影响因子在6以上的学术论文近20篇，影响因子在3以上的31篇，被SCI和EI收录的文章占整个发表论文的59%。根据2003年APEC统计，我国近几年在ICA上发表的论文仅次于美国和日本，超过德国,位于第三位。如果把2001年和2004年初的论文包括在内，中国超过日本，位于第二位，占全世界发表论文总数的15.2%。经过几年来国家的政策引导、各部门的配合、科学界和企业界的努力，我国不但发展了纳米的基础研究，部分纳米技术已开始迈人产业化的阶段。据统计，我国有300多家公司在从事纳米材料和技术的研究及产业化，在纳米复合材料改造传统材料和产品方面，部分成果已经实现产业化，国家纳米技术产业化基地于2000年12月在天津经济技术开发区落成，促进了我国纳米产业化的迅速发展；上海在涂料、光催化材料、生物材

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料、电子材料和测试仪器、传统工业领域纳米应用等方面的产业化也取得突破，累计新增产值5亿元；“十五期间”北京队纳米产业化专项将投入2亿元。

四 纳米材料的应用

纳米材料具有常规材料所不具备的物理特性，即具有高度的弥散性和大界面，使纳米材料具有高扩散率，蠕变和超塑性。为原子提供了短程扩散途径，使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、从而其化学活性增大。因此纳米材料的力、热、声、光、电磁等性质不同于该物质在粗精状态时所表现出的性质（如下表）。纳米材料的高强度、高扩散性、高塑性、低密度、高电阻、高比热、强软磁性等特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、热交换材料、敏感元件、润滑剂等领域。

表：纳米材料的物理性质及用途

性能 力学性能 光学性能 用途 超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层 光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料 磁流体、磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁制冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物 导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽 催化剂 耐热材料、热变换材料、低温烧结材料 湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料 医学（细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒杀菌，药物载体）、能其他 源（电池材料，贮氢材料）、环保（污水处理，废物料处理，空气消毒）、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂 磁性 电学性能 催化性能 热学性能 敏感特性 6

4.1.天然纳米材料的应用

海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。

与此同时，生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。 4.2.纳米磁性材料的应用

近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性， 用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体（磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成）的防尘密封。纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。 4.3.纳米陶瓷材料的应用

纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。它具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。英国著名材料专家Gleiter 指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能

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够在低温下变为延展性的，能够发生100%的塑性形变。并且发现，纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。 4.4.纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用

生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置，用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物，是一种全新的检测技术，在生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和稳定性，且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。所以，纳米颗粒一般用作固定载体。憎水银- 金纳米颗粒可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度，金属纳米颗粒本身就具有催化活性，所以，在GOD 酶反应中纳米颗粒迅速地从被还原的GOD(FADH2)获取电子而使GOD 重新具有氧化性，这样就加速了酶的再生速度。而且它有不同于块体材料的特性，可使大量GOD 牢固吸附在纳米颗粒表面，在一定程度上钝化了酶的构型，使其不易发生进一步的变化而失活，增加了酶的稳定性和催化活性。纳米金可与巯基结合，形成牢固的共价键，增加了其固化GOD 的稳定性而不影响其活性；纳米颗粒增加了三维电极的有效固定面积，可以结合更多的GOD，使得检测下限延长；同时纳米金的存在加快了GOD活性中心FDA/FDAH2 与金电极表面的氧化还原反应，因此制成了高灵敏度的生物传感器。并且经研究分析， 在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD 制成的电极，纳米铜加入后对葡萄糖的检出线低2倍，最大响应电流高3 倍，灵敏度提高了2.5 倍。2 纳米材料在涂料方面的应用利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解作用。 4.5.纳米倾斜功能材料的应用

在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作，但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属

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和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 4.6.纳米半导体材料的应用

将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。

利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。 4.7.纳米催化材料的应用

在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间，提高反应效率和反应速度。但是，大多数的传统催化剂催化效率低，制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪费，而且对环境也造成污染。所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势，纳米材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性，它可大大提高反应效率，控制反应速度，对比一般的催化剂，用纳米微粒作催化剂的话，可以将反应速度提高10～15 倍。

目前在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中可直接用纳米态铂黑、银、氧化铝、氧化铁等做催化剂，利用纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。而且，纳米材料催化剂的催化反应选择性还表现出特异性，如用硅载体纳米镍催化剂对丙醛的氧化反应研究表明，镍粒径在5nm以下时，反应选择性发生急剧变化——醛分解得到控制，生成乙醇的选择性迅猛上升。在有机物制备方面，纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，分散

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