第一篇：材料物理性能论文纳米科技论文

材料物理性能论文纳米科技论文： 关于二维层状纳米材料性能的若干研究

摘要:纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征,引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后,世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来,它在化工生产领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。

关键词:纳米材料化工领域 应用

纳米材料的结构由表面(界面)结构组元构成,粒径介于原子团簇与常规粉体之间,一般不超过100nm,与电子的德布罗意波长相当。粒径越小的纳米材料,其界面组元的比值越高,低动量电子散射量越大。纳米材料的界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键。由于不同的纳米材料各具独特效应,如界面效应、小尺寸效应量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等,进而导致在声、光、电、磁、热、化学作用及力场下,呈现各自不同的特异性能,从而作为吸波材料(隐型材料)、高性能磁记录材料、磁性液体、复合材料、超导材料、新型高效催化剂、发光材料、特种涂料及新型医用材料等逐步应用于国民经济诸多领域。

一、纳米材料在化工行业中的应用

1、在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中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。大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂,特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒,可近似地看成是一个短路的微型电池,用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时,半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下,电子与空穴分离,分别迁移到粒子表面的不同位置,与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

2、在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性,具有一般材料难以获得的优异性能,显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇,使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可获得纳米复合体系涂层,实现功能的飞跃,使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性;功能涂层是赋予基体所不具备的性能,从而获得传统涂层没有的功能。

3、在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域,产品数量繁多,用途广泛,并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音,并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域,纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3,和SiO2,加入到普通橡胶中,可以提高橡胶的耐磨性和介电特性,而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料,可以提高塑料的强度和韧性,而且致密性和防水性也相应提高。

二、二维层状纳米材料的性能与特征

1、二维层状纳米材料的结构可控性

因纳米LDHS的特殊层状结构及组成、其在以下方面具有可调控性:

1)层板化学组成的可调控性

纳米LDHS的层板化学组成可根据应用需要进行调整。在一定范围内调变原料配比,层板化学组成则发生变化,进而导致层板化学性质、层板电荷密度等相应变化;

2)层间离子种类及数量的可调控性

根据应用需要,利用主体层板的分子识别能力,采用插层或离子交换的方式进行超分子组装,可改变其层间离子种类及数量,进而使纳米LDHS的整体性能发生较大幅度变化;

3)晶粒尺寸及其分布的可调控性

控制纳米LDHS的合成条件,可在20-60纳米范围内精准调整晶粒尺寸,同时使晶粒尺寸分布窄化,达到均匀分散。

2、层状纳米材料的结构与性能

充分利用以上各调控因素,可制备得到具有如下特征的层状结构纳米材料:

1)多功能性

不同客体插入纳米LDHS层间后,可组装得到具有不同应用性能的纳米层柱材料,如纳米选择性红外吸收剂、纳米选择性紫外阻隔剂、纳米杀菌防霉剂、纳米热稳定剂、环境友好纳米催化剂、安全型纳米阻燃剂、缓释型纳米除草剂、红外和雷达双功能纳米隐形材料等,可广泛应用于合成材料、建筑材料、石油化工、涂料、农药及军工等行业,产业关联度高,应用空间极为广阔。

2)低表面能

层状纳米材料因纳米LDHS层状结构的特殊性,表现出较低的表面能。这一特征使得制备时无需采用昂贵的辅助剂(如有机溶剂、偶联剂等)及高能耗的生产装备(如喷雾干燥等)便可得到具有纳米尺寸的层状材料LDHS,同时因其较低的表面能,在实际应用时易于均匀分散,不易聚集。

3)几何结构效应

LDHS层状材料主体二维层板结构及纳米尺寸,使其在应用时表现出独特的性能。因主体层板间的弱相互作用在外力条件下极易被打破,应用于涂料时表现出优异的触变性能;层状材料主体层板剥离后,可以纳米尺寸均匀分散至合成材料本体,这一特点在薄膜类产品中可得到充分体现,其结构是使复合膜的力学性能大幅度提高,同时具备对小分子迁移的阻隔能力(如PVC中的增塑剂、农膜中的防雾滴剂等);控制制备条件,可使层状材料具备规整的介孔结构(10-50nm),其在作为催化剂时,表现出对反应物、中间产物和产物的优异择形性能等等。

4)结构记忆效应

纳米LDHS旦有独特的“结构记忆效应”,即经一定途径改变其结构后,在一定条件下其又可逆地恢复至原有结构。利用这一特点,可在纳米LDHS层间插入满足设计要求的害体、进而组装得到所需的功能性层柱纳米材料;又可将组装得到的功能性层柱纳米材料置于某种有利于结构恢复的环境中,在外界条件的促进下,使其定时、定量释放出层间客体。如层柱型除草剂,便可在富含水、空气(主要利用其中的C02)的条件下,按作物生长要求缓慢释放除草剂,以避免除草剂流失所产生的污染及药害。

5)界面效应

采用有机分子对纳米LDHS进行插层后,一般有机分子链对主体层板具有一定程度的缠绕作用,这种作用实质上是对无机层状材料的有机化,而有机化程度可随插层客体种类及数量而定。因此,针对不同的应用目标,选择不同的插层客体,可获得理想的界面效应。

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代,为此,国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生,将对人类社会产生深远的影响,并有可能从根本上解决人类面临的许多问题,特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

第二篇：纳米科技论文

纳米科技

——基于老师的纳米科技课程

纳米技术，作为将来新产业革命的一门科学技术，现在已经得到了广泛关注。

简介

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21 世纪将是纳米技术的时代,随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在诸多领域将会得到日益广泛的应用,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。本文主要介绍纳米材料，纳米科技的基本概念，分类以及各种纳米科技在机械领域的应用。阐述纳米技术的发展趋势。

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术，即纳米材料。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米材料的用途很广，主要用途有：医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用为作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

纳米科技的发展

其发展历史可分为下面几个阶段。

纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”

70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

1990年，纳米技术有了关键突破。IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；

1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元； 我国纳米技术的研究始于80年代，纳米材料研究起步较早，其次是纳米材料和结构的表征，纳米器件以及纳米药物。在国家科技部、中国科学院、国家自然基金委员会和国家教育部等部门的大力支持下，起动了国家级重大项目10多项，地方政府和企业家的介入，纳米实用化技术和纳米材料应用技术得到了有效发展。目前已有几百家公司参与了纳米材料技术的研发，已有一些产品开始进入市场。过去的10多年，在纳米材料的制造技术取得了长足进步，在国际上有一定地位。

近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”，其间涌出了像“安然纳米”等一系列以纳米科技为代表的高科技企业。

纳米科技的应用

纳米科技的利用非常广泛，尤其在机械方面的应用，给机械的发展输入了心的血液！纳米技术在微机械领域中的应用及其广泛。随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所 需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路 等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其 技术路线可分为两种：一是通过微加工和 固态技术，不断将产品微型化；二是以原 子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行 设计和组装，从而构筑成具有特定功能的 产品。纳米技术在微机械领域中的应用主要分为两种：1；采用微加工技术制造纳米机械（1）微细加工。（2）微型机器人。（3）微型电机。；2 采用自组装技术制造纳米机械（1）生物器件。（2）纳米分子电动机。

纳米技术在包装机械领域中的应用也进入关键时期。采用纳米材科技术对包装机关键零部 件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的 强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装 和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐 磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和 沸腾干燥床关健部件的表面涂层。

纳米技术在机械行业中的发展前景非常广阔。

（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。

（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型模、拉丝模，套筒和热胶道，可有效减少积料碳化的产生几率。

（3）射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑，更是任何金属所无法表现的优异性。

（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱 模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。

（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动性大幅提升，特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚 光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。

纳米技术的高速发展对机械行业产生了巨大的影响，首先是纳米材料近10 年的迅速发展，为机械行业从宏观向微观制造发展提供了可能。目前纳米粉(即纳米颗粒)、纳米复合材料、纳米结构材料体系，创造了很多新材料，为电子、生物、能源、信息新产品的开发，提供了可能，这就给机械行业带来了广泛的市场前景，需要从事制造的科学工作者去研究如何发挥新材料的特性，根据市场需求，设计制造出新产品。特别是我国纳米材料的研究处于国际先进水平，在某些领域还处于前列，这更为我国在新的产业革命竞争中提供了制胜的机遇。其次，纳米技术还对制造方法，工艺与手段带来巨大冲击。以往的制造模式 是从大往小去做产品，以去除工艺为主。现在，有可能从小往大去做产品，可以从纳米尺度往上增加去做零件或产品。以往是以硬物质为主，现在软物质也占重要地位。软物质就是以微弱作用力就可改变其形状与特性的物质。随着纳米技术在各个领域的深入研究，将会有更多更新的制造方法工艺和手段的出现。

“展望”纳米新生活：我认为最具有发展前景的是纳米机器人。在发生战争是具有特殊使命的纳米间谍被散播到敌方或竞争对手中去，它们的任务是侦察敌情和搜集情报。当然，在治病时纳米机器人也会大显身手。这些机器人比血红细胞还要小，它们各司其职：有的负责监视病情，有的负责向特定的部位传输药物，有的则负责清除病毒、血栓、垃圾等有害物质。在制造某些精密的东西时，纳米机器人也会贡献自己的一份力量，把一切的不可能变为现实。

结束语

随着时间的发展，纳米技术在人类的生活会越来越广泛，人们在探索纳米世界的过程中也会发现各种各样的奇异事件，我相信，在纳米技术的帮助下，人类社会会因此变得更加美好，但是也会出现一系列的问题，只有各国互相理解，互相帮助，趋利避害，纳米科技才能真正的造福人类。

第三篇：纳米科技论文

纳米材料的制备和应用

名字：柯大黑

湖北文理学院化学工程与食品科学学院11应化班

摘要：纳米科学是一门新兴的而且很有发展前景的自然科学，纵观21世纪，凡是重视纳米科学的研究及发展的国家，现在都成为了发达国家，如美国、英国等发达国家。在21世纪，我们更应该重视纳米科学的研究在经济建设和国防建设中的作用。纳米技术的进步，不仅仅能提高我们国家的经济地位和国防地位，更能提高人民的生活水平和身体素质水平；因为纳米技术的应用非常广泛，覆盖了社会中的很多方面，如国防、医疗、化工、光电、微电子、电力、信息、陶瓷工艺、涂料、环境监测等方面。当今的世界竞争非常激烈，一个国家科学的进步能让这个国家处于有利的世界地位。从最近几年美国发动的伊拉克战争和阿富汗战争可以看出科学技术在军事中重要作用，所以被美国欺负的伊朗致力于核武器的研究。美国之所以成为世界霸主，是因为它科学技术非常先进，纳米技术的研究和应用也世界一流的。所以作为21世纪的青年，我们应该对此加以重视。

关键词：纳米科学产生背景 纳米尺度

特殊性质 制备 应用

在充满活力的21世纪，信息、生物、能源、环境、先进制造、国防等领域的高速发展对材料提出了新的需求和挑战，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小，而性能要求程度越来越高；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料的性能要求有时甚至高于材料本身。为了满足各个领域对材料的高度需求，纳米技术应运而生。而且很快作为一门新兴学科，得到全球范围的广泛关注。

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为“超级纤维”。这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度； 1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。2000年3月，美国政府向全世界公布了纳米技术的启动计划，至此，也表明纳米技术将引发21世纪新的工业革命。

纳米（nanometer）是一个长度单位，用nm表示。1纳米等于十亿分之一米即1nm=10^-9m。形象地说，一纳米的球体就相当于一个乒乓球跟地球比较，由此可见纳米有多小了。

纳米材料有如下这些特殊性质

力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

磁学性质 目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数

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量级。

电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

光学性质 纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。

纳米材料不仅性质特殊而且制备也很特殊，制备有如下这些方法： 1.物理方法：

1.1.真空冷凝法：

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后聚冷。其特点纯度高，结晶组织好,粒度可控，但技术设备要求高。

1.2.物理粉碎法：

通过机器粉碎，电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

1.3.机械球磨法：

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。2.化学方法：

2.1.气象沉积法：

利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料，其特点是产品纯度高，粒度分布窄。

2.2.沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

2.3.水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，在经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。

2.4.溶胶凝胶法

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和ＩＩ～VI族化合物的制备。

2.5.微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成

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核、聚集、团聚、热处理后得到纳米粒子。其特点是单分散和界面性较好。纳米材料的大量制备，当然是为了应用，以下是纳米材料在几个方面上的应用。

纳米材料在陶瓷方面的应用。

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出非常好的韧性与延展性。

通过纳米改性金属陶瓷成分与不改性的相同金属陶瓷成分的实验证明，在成分相同的情况下，改性金属陶瓷的机械物理性能均高于不改性的金属陶瓷，达到了纳米改性既提高强度又提高硬度的目的；金属陶瓷具有良好的耐磨耐高温的性能。

纳米材料在皮革中的应用。

纳米复合材料由于具有优良的物理、力学和化学性能，所以应用到皮革中。丙烯酸树脂作为一种皮革鞣剂，有选择填充性好，增强作用强，成革柔软性好等优点。皮革制品不能经常洗涤，所以其自身的防霉性和抗菌性能就显得尤为重要。纳米抗菌剂主要分为金属抗菌剂和光催化型抗菌剂。其中金属抗菌剂可以防发霉。

纳米材料在医学上的应用。

医学上,纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。

现在医学中随着细菌耐药性和抗药性的不断增加和复杂化，使传统抗菌剂的弊端日益突出，这就需要研发新型的抗菌物质。抗菌纳米药物由于具有更大的比表面积和表面电荷密度，对细菌有较强的抗菌作用，因而成为许多药物的替代品。

纳米材料在环保方面的应用。

随着人们环保意识的增强，越来越多的新型材料被用于处理各种污染物。尤其是纳米技术的进步，使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用

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最多的就是Ti02纳米材料。利用Ti02纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解的物质，可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂，氯代物、氟里昂等废水的处理，还可用以处理无机废水等。纳米Ti02表面活性羟基等具有非常高的反应活性，它不但能矿化其表面附着的有机物，而且能与其表面附着的细菌的组成成分(也是有机物)进行剧烈的反应，从而具有杀菌能力。不但能杀死细菌，而且能彻底矿化细菌尸体，有效消除其残留(毒)物和细菌分泌物，本身又不夹带污染，无毒无害而且成本低[19]。纳米Ti02涂层还可以用于空气净化，[其在紫外线照射下可分解房问内的新建材、黏接剂等产生的甲醛，吸烟产生的乙醛，家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油污及其它有机物等。

小结：

2l世纪是纳米技术的时代，纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

参考文献：

1.张立德．纳米材料[M]．北京：化学工业出版社，2000．

2.薛增泉．纳米科技探索[M]．北京：清华大学出版社，2002.3.李道华，喻永红．纳米材料的合成技术及其研究进展 西昌学院学报[J]，2004，1:59-63．

4.朱敏，何海龙，马立超，等．纳米材料在反舰导弹隐身设计中5.的应用[J]．海军航空工程学院学报，2004,1:168-170．

6.白春礼，纳米科技发展趋势分析﹒纳米科技，2005 7.刘吉平，郝向阳，纳米科学与技术﹒北京：科学出版社，2002

8.肖建中．材料科学导论[M]．北京：中国电力出版社,2001，4 3～5 0.9.施周，张文辉，环境纳米技术﹒北京：化学工业出版社，2003，４ 10.朱屯，王福明，王习东，国外纳米材料技术进展与应用﹒北京：化学工业出版社，2002

11.魏方芳．纳米材料的研究及应用[J]．化学工程与装备，2007,3：38-40．

５

第四篇：纳米科技论文

纳米科技的发展及应用

摘 要：纳米科技是近期发展起来的新兴科学领域,它正在化学、物理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成,而且不断有新的发现和突破。本文论述了国内外纳米科技研究现状，阐释了纳米科技发展的过程，同时阐述了纳米科技在工业、医学、通信等方面的实际应用。关键词：纳米科技；纳米材料；纳米通信引言

纳米技术是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界定为1～100nm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。2 中国纳米科技的研究现状

中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20世纪80年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982年发明的扫描隧道显微镜和1986年发明的原子力显微镜(是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入到实质性研究阶段。纳米科技的技术优势

在纳米研究快速发展的基础上,纳米在工业、能源、医学和环境等传统产业中的应用研究也愈加广泛和深入,推动着纳米科技自身的 1 / 3

发展和相关领域的技术进步,主要表现在:(1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新;(2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池,成为未来太阳能电池的主导;(3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料;(4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能;(5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力;(6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探测活细胞中的致癌毒素或追踪癌症药物的效用,可用于化疗监测;(7)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路迈出重要一步。纳米科技的广泛应用

5〃2 纳米科技将在医学更广泛应用

通过纳米级微型探测器可以大幅提高医学诊断和疾病检测精度,同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治疗目前基于发现肿瘤标志物并快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前景。

5〃4 纳米科技在未来通信技术上的应用

通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作用。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。

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参考文献

[1]赵玉芳，杨伯君，张茹，纳米技术在光通信中的应用[J].光通信技术，2007，2，55-56.[2]周治平、郜定山、汪毅等，硅基集成电子器件的新进展[J].激光与光电子学进展，2007，2（44）,31-38.[2]运银霞,张清.从现代科技革命的特点看高新技术开发区的建设[J].天津大学学报,2001(9).[4]曾祥基.新科技革命的特点与经济全球化趋势[J].成都大学学报,2000(3).[5]王占国，陈永海，叶小玲等．纳米半导体技术．化学工业出版社，2006：

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第五篇：纳米科技论文

纳米科技课程论文

题

目 姓

名 专业

碳纳米管性质及其应用研究进展

学

2008306202143 郑亚莉

会计0803

号

二○一零 年 五 月

碳纳米管性质及其应用研究进展

碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素最大的特点之一是存在着众多的同素异形体，形成许许多多结构和性质完全不同的物质。长期以来，人们一直认为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60，从此开启人类对碳认识的新阶段。1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家S.Lijima在用电子显微镜观察石墨电弧法制备富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构--碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带人了纳米科技的新时代。

碳纳米管的结构，形象地讲是由含六边形网格的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳帽”由五边形或七边形参与封闭，根据石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁管和多壁管。由于其结构上的特殊性(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米，甚至毫米量级)，它表现为典型的一维量子材料，并具有许多异常的力学、电学、光学、热学和化学性能。碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面引起了物理学、化学和材料学等科学家的极大兴趣，均取得了重大的成果。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景也不断显现出来。

1碳纳米管的结构和性能

碳纳米管可以看作是石墨片绕中心轴按一定的螺旋角度卷绕而成的无缝圆筒，碳原子间是sp2杂化，它具有典型的层状中空结构特征，管径在0.7-30nm之间，长度为微米量级，管身是由六边形碳环组成的多边形结构，两端由富勒烯半球形端帽封口。

碳纳米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其数值等于碳纳米管的周长，其中n，m为整数，a1、a2是石墨晶格的基矢(图1)。在二维石墨晶片上，给定一组(n，m)便确定了一个矢量Ch。另一个重要参量是Ch与a1，间夹角θ，称为手性角。当n=m，θ=30°时，称其为扶手椅形碳纳米管；当m=0，θ=0°时，称其为锯齿形碳纳米管；而当0°<θ<30°时形成的所有其他类型均是手性碳纳米管(图2)。因此碳纳米管的结构参数都可以由(n，m)这对整数来表示，同时随着直径和螺旋角的不同可以表现出金属性或半导体性。

碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态，却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学等性能。碳纳米管的碳原子之间以自然界最强C-C化学键相结合，它的强度是钢的100倍，而密度仅仅是钢的1/6，具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量，杨氏模量与金刚石相当，约为1TPa，弹性应变最高可达12%。碳纳米管和石墨一样具有良好的导电性能，随着螺旋矢量(n，m)的不同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相等，导电性能介于导体和半导体之间。由于电子的量子限域所致，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能。碳纳米管尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射出大量的电子，因此碳纳米管呈现出优良的场致发射特性。碳纳米管轴向导热系数高达6 600W/(m·K)，为自然界已知材料中最高，是电子设备中最高效的散热材料。另外，碳纳米管具有独特的辉光效应、电致发光特性和光致发光效应等性能。碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。

3碳纳米管的应用

碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子特性及化学性能，必然决定了它在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域均具有广阔的应用前景。

3.1碳纳米管复合材料

碳纳米管全部由碳原子组成，缺陷少、密度低，具有很高的轴向强度和刚度，其性能优于通用级炭纤维，被看作是理想的复合材料增强相。利用碳纳米管具有极好的导电特性、电致发光和长径比值达104等其他性能，可制备导电聚合物复合材料。碳纳米管复合材料广泛应用于汽车(刹车片、保险杠)、航空、航天、船舶、文体用品(钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍)、土木建筑(水泥复合材料、轻量材)、机械(弹簧、螺旋杆等)等方面。此外，添加碳纳米管可提高聚合物的导电性。由于碳纳米管直径小且导电，在纺织品中添加微量碳纳米管，既可以防止静电的产生，同时又不会影响纺织品的舒适性；经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高的强度和模量，该类复合纤维制造的防弹衣可以有效保护整个人体，而不仅仅是前胸和后背；同时还能制作重量很轻的防辐射和抗冲击太空服。

3.2电子材料及器件

碳纳米管的电子结构可以是金属性质，也可以是半导体性质，取决于其直径和螺旋度。因此不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件，应用于微电子器件。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，据此，美国佐治亚理工学院王中林教授发明了精度在10-17kg的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。2004年，韦进全等发表了关于碳纳米管作为灯丝的初步研究结果，发现碳纳米管可以表现出显著的电致发光性能，并提出了碳纳米管灯泡的概念。2007年，美国加州大学伯克利分校成功研制出迄今为止世界上最小的碳纳米管收音机，它集天线、调谐器、放大器和解调器于一身。

碳纳米管的端部曲率半径小，在电场中具有很强的局部增强效应，可以用作场发射材料。作为场发射材料，碳纳米管放大因子高，阈值场强可达1-3V/μm，比传统的阴极阵列降低了3个数量级，用作场发射显示器件(FED)时工作电压低、功率小、亮度高、寿命长、稳定性高、具有更宽阔的视觉和更快的响应速度，大面积定向碳纳米管薄膜的成功制备使得它用于平板显示器件成为可能，具有CRT和LED难以全面实现的性能特点，并将在电视机、摄像机、可视电话、便携式计算机和航空电子设备等仪表显示屏方面获得广泛的应用。日本已制出应用该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其他技术所不可能达到的。

3.3医学应用

碳纳米管以其极高的稳定性、良好的生物相容性成为生物纳米材料中的佼佼者，在医学领域的应用前景也很令人期待。碳纳米管管道合成是有机合成、生物化学和制药化学的重点研究领域。碳纳米管可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形的渠道，输送肽、蛋白质、质粒DNA或寡核苷酸等物质。碳纳米管能促进骨组织的修复生长，促进神经再生，减：外申经组织瘢痕产生。碳纳米管声学传感器可以用作“纳米听诊器”，给医生提供更快更准确的诊断工具。此外，由碳纳米管制成的微型纳米钳，有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型手术的新工具。碳纳米管用于极微细毛细血管的医治或代替破损的毛细血管，可修复受损的毛细血管。碳纳米管具有优良的伸缩性，在较低电压下可产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化长度会发生规律性的伸展收缩，利用这种特性，制成人造肌肉纤维，不仅可用于人类肌纤维的移植和修复，还有望将来作为未来机器人的运动构件。

3.4其他方面的应用前景 从结构上看，碳纳米管具备作为理想的电容器电极材料的所有性能，即结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定范围内，可用于制备双层超级电容器。碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且筒状结构在多次充放电循环后不会塌缩，循环性好，可用于锂离子充电电池电极材料。碳纳米管独特的大比表面积、纳米孔隙结构，具有显著的吸附性能，使其可用作储氢材料。

最新的研究表明，碳纳米管已经被研究人员制成碳纳米管显微容器、纳米齿轮、微型天线等，美国《发现》月刊报道利用碳纳米管制作的“太空梯”将升向太空。碳纳米管独特的管状结构可为一维金属纳米材料的制备提供物理处理和化学反应限制的平台，是一种很好的模板。可利用碳纳米管的吸附性和尺寸效应，作高难度的微区、放射性清洁及同位素分离。碳纳米管具有纳米级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子(如NO，CO2等)，用作催化剂载体。碳纳米管具有一些与贵金属类似的催化功能，可望在一大批贵金属催化反应上得到应用，这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。

4展望

目前，国际上对碳纳米管的研究方兴未艾，发现了很多的科学现象，对它的物理、化学、热学和电子学等方面都有了较深刻的理解，在基础研究和应用领域都取得了重要进展。碳纳米管应用技术的发展将广泛冲击产业各界，在众多应用领域里的研究已在全球范围内广泛展开，例如：化妆品、医药品、消费电器、卫生、建筑、通信、安全以及空间探索等领域。当前对碳纳米管的研究仍处于基础性阶段，离大规模应用还有待时日，但是随着研究的不断深入，其应用正在加速朝商业化的方向迈进，它在带来深刻技术变革的同时，还给人类社会带来巨大的财富。