第一篇：納米磁性材料論文

磁性納米材料的制備及其研究

班級：無機11—2 姓名：張彬

指導教師：李雪

摘要：應用溶液自蔓延高溫合成技術，制備系列磁性納米材料。通過對粉末進行X射線衍射測試并對測得的圖譜進行分析，從而得到使納米材料成晶較好的適宜溫度以及溫度和其他成分（Ce，Zr，La）對納米材料(CoFe2O4, NiFe2O4)的影響。

關鍵詞：納米材料，XRD，圖譜分析

1.引言

X射線照射到物質上將產生散射。晶態物質對X射線產生的相干散射表現為衍射現象，即入射光束出射時光束沒有被發散但方向被改變了而其波長保持不變的現象，這是晶態物質特有的現象。

絕大多數固態物質都是晶態或微晶態或準晶態物質，都能產生X射線衍射。晶體微觀結構的特征是具有周期性的長程的有序結構。晶體的X射線衍射圖是晶體微觀結構立體場景的一種物理變換，包含了晶體結構的全部信息。用少量固體粉末或小塊樣品便可得到其X射線衍射圖。XRD（X射線衍射）是目前研究晶體結構(如原子或離子及其基團的種類和位置分布，晶胞形狀和大小等)最有力的方法。XRD特別適用于晶態物質的物相分析。晶態物質組成元素或基團如不相同或其結構有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數目、角度位置、相對強度次序以至衍射峰的形狀上就顯現出差異。因此，通過樣品的X射線衍射圖與已知的晶態物質的X射線衍射譜圖的對比分析便可以完成樣品物相組成和結構的定性鑒定；通過對樣品衍射強度數據的分析計算，可以完成樣品物相組成的定量分析； XRD還可以測定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的織構）等等，應用面十分普遍、廣泛。目前XRD主要適用于無機物，對于有機物應用較少。

尖晶石鐵氧體是一類重要的非金屬磁性材料，又稱為“磁性陶瓷”（磁性陶瓷按晶格類型可分為尖晶石型、磁鉛石型和石榴石型三類）。CoFe2O4具有尖晶石型結構，突出的優點是電阻率極高，磁譜特性好，極適宜在高頻和超高頻下應用。實驗部分 2.1實驗儀器

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[1]

儀器名稱：X-射線衍射儀

儀器型號：D/max-ⅢC

產地：日本Rlgaku

銅靶

波長：1.5406nm 掃描速度：8°/min 2.2 試驗藥品

自制納米材料：CoFe2O4（600℃），CoFe2O4（950℃），CoFe2O4（1050℃），CoFe2O4（450℃），CoFe2O4（750℃），CoFe2O4，CoFe2O4（苯胺），CoFe2O4（磁性），NiFe2O4（750℃）, NiFe2O4（950℃）, NiFe2O4（1050℃）, NiFe2O4（450℃）, NiFe2O4（850℃）NiFe2O4（未燒）CoFe2O4（0.1%Ce 750℃）,CoFe2O4（0.5%Ce 未燒）CoFe2O（，CoFe2O（750℃），NiFe2O（，NiFe2O（750℃），41%Ce 未燒）41%Ce 40.1%Ce未燒）41%Ce NiFe2O4（0.5%Ce 750℃），NiFe2O4（0.1%Ce 750℃），NiFe2O4（0.5%Ce未燒）,CoFe2O4（0.1%La 未燒）CoFe2O4（0.5%La 未燒），CoFe2O4（0.5%La 750℃），CoFe2O4（1%La 750℃），N iFe2O4（0.1%La 750℃），CoFe2O4（0.1%La 未燒），CoFe2O4（0.5%La 未燒），CoFe2O（750℃），CoFe2O（750℃）CoFe2O4（0.1%Zr40.5%La 41%La 未燒），CoFe2O4（0.5%Zr未燒），CoFe2O4（1%Zr未燒），CoFe2O4（0.1%Zr 750℃），CoFe2O4（0.5%Zr 750℃），CoFe2O4（1%Zr 750℃），NiFe2O4（0.1%Zr 750℃），NiFe2O4（0.5%Zr 750℃），NiFe2O4（0.5%Zr 未燒），NiFe2O4（1%Zr 750℃），NiFe2O4（1%Zr 未燒），2.3 X射線衍射原理

1912年勞埃等人根據理論預見，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了X射線具有電磁波的性質，成為X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。

2.4 X射線衍射儀基本構造

高穩定度X射線源：提供測量所需的X射線，改變X射線管陽極靶材質可改變X射線波長，調節陽極電壓可控制X射線源的強度。

樣品及樣品位置取向的調整機構系統：樣品須是單晶，粉末，多晶或微晶的固體塊。

射線檢測器：檢測衍射強度或同時檢測衍射方向，通過儀器測量記錄系統或計算機處理系統可以得到多晶衍射圖譜數據。

衍射圖的處理和分析系統：現代X射線衍射儀都附帶安裝專用衍射處理分析軟件的計算機系統，他們的特點是自動化和智能化。

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3.圖譜分析

01400***01000824681010Intensity（a.u）******406080hg6f4edc2ba01002θ(°)

圖1 不同溫度下CoFe2O4的XRD圖譜

(a)CoFe2O4

600℃下煅燒2h(b)CoFe2O4 950 ℃下煅燒2h(c)CoFe2O4

1050℃下煅燒2h(d)CoFe2O4

450℃下煅燒2h(e)CoFe2O4

750℃下煅燒2h(f)CoFe2O4

850℃下煅燒2h(g)CoFe2O4

(h)CoFe2O4

苯胺

從圖1中可看出,(a)，(b)，(c)，(d)，(e),(f)在2θ為18.56°,30.04°,35.42°,37.06°,43.08°,53.52°,57.00°,62.58°處出現了尖晶石型CoFe2O4的特征衍射峰，而(g),(h)則沒有出現特征峰，所以(g),(h)為非晶態物質。而且隨著熱處理溫度的升高粉體的晶粒和顆粒長大，磁性增強。從圖中可已看出450 ℃時特征峰已經出現.此時的XRD峰較弱且寬,這是由于低溫時CoFe2O4的納米晶粒小且無序的間結構及納米晶體中的缺陷點陣間距連續變化所引起的.這說明在低溫燒結的目標產物晶粒細小,晶體生成不完整,且含有一定的非晶成分

[4, 5][3][2]

.通過不同溫度的XRD 譜圖比較可以看到,隨著溫度升高,產物CoFe2O4 射線衍射峰逐漸變窄,表明產物處于完整,晶粒長大。而且產物在750℃煅燒后出峰已經很明顯且比較窄，說明溫度在750℃時.此時成晶情況較好,顆粒較小。

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01400***01000246810108Intensity（a.u）******4060806gf4edc2ba01002θ(°)

圖2 不同溫度下NiFe2O4的XRD圖譜

(a)NiFe2O4

磁性

(b)NiFe2O4 750℃下煅燒2h(c)NiFe2O4 950℃下煅燒2h(d)NiFe2O4 1050℃下煅燒2h(e)NiFe2O4 450℃下煅燒2h(f)NiFe2O4 850℃下煅燒2h(g)NiFe2O4 未燒

從圖2中可看出,(a)，(b)，(c)，(d)，(e),(f)在2θ為18.32°,30.18°,35.58°,43.38°,53.84°,57.26°,62.96°,74.68°，90.40°處出現了尖晶石型NiFe2O4的特征衍射峰，而(g)則沒有出現特征峰，所以(g)為非晶態物質。而且隨著熱處理溫度的升高，NiFe2O4的出峰更加明顯，而且峰更高，說明隨著溫度升高粉體的晶粒和顆粒長大，磁性增強。通過不同溫度的XRD 譜圖比較可以看到,隨著溫度升高,產物NiFe2O4 射線衍射峰逐漸變窄,表明產物處于完整,晶粒長大。而且產物在750℃煅燒后出峰已經很明顯且比較窄，說明溫度在750℃時.此時成晶情況較好,顆粒較小。[6]

第4 頁

***24681010Intensity（a.u）***1000204060806dcba420100 2θ(°)

圖3 添加不同濃度Ce的CoFe2O4的XRD圖譜

(a)CoFe2O4 0.1%Ce 750℃下煅燒

(b)CoFe2O4 0.5%Ce 未燒(c)CoFe2O4 1%Ce

未燒(d)CoFe2O4 1%Ce

750℃下煅燒

從圖3對比可以看出未燒的CoFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的CoFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒CoFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的Ce的XRD圖譜可以看出添加濃度較低的出峰較強且比較窄，說明添加低濃度的Ce可以使產物處于完整，且晶粒較大。

***0246810108Intensity（a.u）******0806e4dc2ba0100 2θ(°)

圖4 添加不同濃度Ce的NiFe2O4的XRD圖譜

第5 頁

(a)NiFe2O4

0.1%Ce 未燒

(b)NiFe2O4

1%Ce 750℃下煅燒

(c)NiFe2O4

0.5%Ce 750℃下煅燒(d)NiFe2O4

0.1%Ce 750℃下煅燒(e)NiFe2O4

0.5%Ce 未燒

從圖4對比可以看出未燒的NiFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的NiFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒NiFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的Ce的XRD圖譜可以看出添加濃度為0.5%Ce的出峰較強且比較窄，說明添加濃度為0.5%的Ce可以使產物處于完整，且晶粒較大。

***46810108Intensity（a.u）***1006dc4b2a02040608001002θ(°)

圖5 添加不同濃度的La的CoFe2O4的XRD圖譜

(a)CoFe2O4 0.1%La 未燒

(b)CoFe2O4 0.5%La 未燒(c)CoFe2O4 0.5%La 750℃下煅燒

(d)CoFe2O4 1%La 750℃下煅燒

圖5對比可以看出未燒的CoFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的CoFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒CoFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的La的XRD圖譜可以看出添加濃度為0.5%的出峰較強且比較窄，說明添加濃度為0.5%的La可以使產物處于完整，且晶粒較大。

第6 頁

***46810108Intensity（a.u）***6ed4cb2100a02040608001002θ(°)

圖6 添加不同濃度La的NiFe2O4的XRD圖譜

(a)NiFe2O4

0.1%La 750℃下煅燒

(b)NiFe2O4

0.1%La 未燒(c)NiFe2O4

0.5%La 未燒

(d)NiFe2O4

0.5%La 750℃下煅燒(e)NiFe2O4

1%La 750℃下煅燒

圖6從圖中可以看出（d）沒有出現特征峰，說明它不是晶體.而對比（a）(b)(c)(e)可以看出未燒的NiFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的NiFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒NiFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的Ce的XRD圖譜可以看出添加濃度最大（1%Ce）的NiFe2O4 出峰較強且比較窄，說明添加濃度高的可以使產物處于完整，且晶粒較大。

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***0246810108Intensity（a.u)******0806fe4dcba010022θ(°)

圖7 添加不同濃度Zr的CoFe2O4的XRD的圖譜

(a)CoFe2O4 0.1%Zr

未燒

(b)CoFe2O4 0.5% Zr 未燒(c)CoFe2O4 1% Zr

未燒

(d)CoFe2O4 0.1% Zr 750℃下煅燒(e)CoFe2O4 0.5% Zr 750℃下煅燒(f)CoFe2O4

1% Zr 750℃下煅燒

圖7對比可以看出未燒的CoFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的CoFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒CoFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的Zr的XRD圖譜可以看出添加濃度為0.1%的出峰較強且比較窄，說明添加濃度為0.1%的Zr可以使產物處于完整，且晶粒較大。

***0246810108Intensity（a.u）******0806e4dc2ba01002θ(°)

圖8 添加不同濃度Zr的NiFe2O4的XRD的圖譜

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(a)NiFe2O4

0.1%Zr

750℃下煅燒(a)NiFe2O4

0.5%Zr

750℃下煅燒(a)NiFe2O4

0.1%Zr

未燒

(a)NiFe2O4

1%Zr

750℃下煅燒(a)NiFe2O4

1%Zr

未燒

圖4對比可以看出未燒的NiFe2O4出峰較弱而且比較寬，而經過750℃條件下煅燒過的NiFe2O4出峰很強且很窄，說明結果煅燒NiFe2O4處于完整，晶粒長大。通過對比在相同溫度下（未燒或750℃）添加不同濃度的Zr的XRD圖譜可以看出添加濃度為高的出峰較強且比較窄，說明添加高濃度為的La可以使產物處于完整，且晶粒較大。

4.1實驗小結

通過對自制的一系列納米材料進行XRD的測定，通過對其圖譜的分析可知NiFe2O4在750℃煅燒后，CoFe2O4在750℃煅燒后出峰都已經很明顯且比較窄，說明在此溫度下產物成晶較好，顆粒較小。

通過對相同溫度下添加不同濃度同種元素的XRD的測定及其圖譜分析，以及對添加相同濃度同一種元素在不同濃度下的XRD的測定及其圖譜分析可以得知不同濃度的添加元素對納米材料的影響。

參考文獻

[1]孫家躍，杜海燕，機材料制造與應用，[M].化學工業出版社，2001，188 [2]蘇碧桃，維胡常，雷自強，導電聚苯胺與磁性CoFe2O4納米復合物的制備與表征化學學報2008，66（24）[3]張變芳，唐貴德，王振彪，劉虎，杜偉勝，鄧玉林，CoFe2O4納米微粉的制備及磁性

[4]瀨升，尾崎義治，賀集誠一郎，超微顆粒導論[M]，趙修建,張聯照譯，武漢:武漢工業大學出版社，1991，121

[5]夏熙，勞麗燕娜，郭再萍，溶膠凝膠法制備納米LiCoO2 [J ]，用化學，1999，l6(4)：66～69 [6] 盛國定，沈良，張義建，高建軍，La 摻雜Co2Fe2O 納米磁性材料的制備和表征，科技通報，2003，19（3）

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第二篇：納米論文

淺談納米尺寸效應及其應用

納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納米級界限就不導電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級界限時開始導電。這是由于納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應：表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。小尺寸效應?，F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。由于顆粒尺寸變小所引起的宏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于某一值（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。金屬或半導體納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征吸收。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，納米微粒也由于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 納米材料與技術是在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并稱為21世紀三大前沿高新技術，并可能引導下一場工業革命。

納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。有些納米材料（如納米金剛石）經過表面改性和分散，可以均勻分布到聚合物的熔融體中，經過噴絲、冷卻形成具有特殊功能的納米纖維，添加比列很低，但每根短纖維上有成千上萬個納米顆粒?？梢宰鞒筛呖鼓?、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。人類可以從新的納米技術領域獲得很大好處。利用這項技術的目的是在納米尺寸上操縱物質，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，并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納米“磚塊”，人類有可能合成出自然界沒有的材料。然后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，并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。吧納米技術用于儲存器，那么可以是整個圖書館的信息放入只有糖塊一樣大的小裝置中。也就是說，納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，只是用于大于臨界長度100納米的物質。如果一個結構的某個維度小于臨界長度，那么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。

美國國納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并且系統、物理和化學性能有明顯提高的材料。比如，在納米尺度上，電子和原子的交互作用受到變化因素的影響。這樣，在納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。又如在納米尺度，生物系統具有一套成系統的組織，這使科學家能夠把人造組件和裝配系統放入細胞中，以制造出結構經過組織后的新材料，有可能使人類模擬自然的自行裝配。還有，納米組件有很大的表面積，這能夠使它們成為理想的催化劑和吸收劑等，并且在放電能和向人體細胞施藥方面派上用場。利用納米技術制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傳感器，已經成功探測出結核桿菌。科學家把探測對象的DNA附加在納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 于顆粒尺寸變小所引起的宏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于光波波長的尺寸時，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征，已經作為高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶。利用磁性，人們已經將磁性超微粒制成用途廣泛的磁性液體。力學性質是具有良好的任性。因為納米材料具有大的界面，界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納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納米材料構成的。呈納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。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優異的磁性材料。

我們對納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，一定會使納米在更多的領域里發揮作用，服務于生產和生活。

第頁

參考文獻：

張力德、牟季美《納米材料和納米結構》科學出版社，2002 陳敬忠、劉劍洪《納米材料科學導論》高等教育出版社，2006 黃昆原著，韓汝琦改編，《固體物理學》高等教育出版社，1988

第頁

第三篇：納米論文

納米復合材料論文

——納米陶瓷復合材料

摘要：本論文主要介紹了納米復合材料的的設計（包括結構設計和功能設計），討論了納米陶瓷復合材料的制備方法以及對所制備的金屬基納米復合材料的性能進行了分析，最后對納米陶瓷納米復合材料的發展進行了展望。關鍵詞：納米陶瓷材料

納米復合材料

制備

性能

展望

致遠化學班

F1324005 陳昊 5132409039

目 錄

前 言 ?????????????????????????1 第1章納米陶瓷材料概述 ?????????????????2 第2章納米陶瓷材料的生產工藝………………………………………4 第3章納米陶瓷材料應用……………………………………………5 結束語…………………………………………………………………7 參考文獻 ????????????????????????7

前言

陶瓷材料在日常生活、工業生產及國防領域中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了很大限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服傳統陶瓷的脆性，使其具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。與傳統陶瓷相比。納米陶瓷的原子在外力變形條件下自己容易遷移，因此表現出較好的韌性與一定的延展性，因而從根本上解決了陶瓷材料的脆性問題。英國著名材料科學家卡恩在Nature雜志上撰文道：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑?！?/p>

所謂納米陶瓷，是指陶瓷材料的顯微結構中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世紀80年代中期發展起來的新型陶瓷材料。由于納米陶瓷晶粒的細化，品界數量大幅度增加，可使材料的韌性和塑性大為提高并對材料的電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要的影響，從而呈現出與傳統陶瓷不同的獨特性能，成為當今材料科學研究的熱點。

一、納米陶瓷材料的性能

納米陶瓷材料的結構與常規材料相比發生了很大變化，顆粒組元細小到納米數量級，界面組元大幅度增加，可使材料的強度、韌性和超塑性等力學性能大為提高，并對材料的熱學、光學、磁學、電學等性能產生重要的影響。1.力學性能

硬度和斷裂韌度：對納米晶TiO2進行研究，發現在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值與單晶TiO2或粗顆粒壓縮體的相應值比，性能相當或更好。納米晶TiO2其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加(即空隙度的降低)而增加，在800~900℃溫度范圍燒結，與經優化燒結的塊狀陶瓷相比，兩者的硬度和斷裂韌度值相符。低溫燒結后，納米晶TiO2就能獲得好的力學性能。通常硬化處理材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由空隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。納米晶TiO2經800℃燒結后，維氏硬度H=630，斷裂韌度Kic(Mpam1/2)為2.8，空隙度為10％；而1000℃燒結后，H=925，Kic=2.8，空隙度為5％。2.熱學性能

(1)比熱，納米材料的界面結構中原子分布比較混亂，與常規材料相比，界面體積分數較大，因而納米材料熵對比熱的貢獻比常規材料大得多。如對應粒徑為80nmAl2O3的比熱，比常規粗晶Al2O3高8％。

(2)熱膨脹，納米非晶氮化硅熱膨脹系數比常規晶態Si3N4高1～26倍。其原因是納米非晶氮化硅的結構與常規晶態Si3N4有很大差別，前者是由短程有序的非晶態小顆粒構成的，它們之間的界面占很大比例，界面原子的排列較之非晶顆粒內部更為混亂。在相同條件下，原子和鍵的非線性熱振動比常規晶態顯著得多，因此對熱膨脹的貢獻也必然很大。

(3)導熱或超絕熱，絕熱材料目前在我國尚處于實驗研究與工業實驗的中間階段。由于氣孔尺寸小到納米級，主要產生如下納米效應：當輕質材料中的氣孔尺寸小于50nm時，氣孔中的空氣分子就失去了自由流動的能力，因此相當于抽了真空，稱為“零對流效應”。由于材料的體積密度較小，氣孔尺寸很小，這時氣孔壁的數目趨于“無窮多”。對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產生近于“無窮多遮熱板”的效應，從而使輻射傳熱下降到最小的極限。由于近于無窮多納米孔的存在．熱流在固體中傳遞時就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構成了近于“無窮多路徑”效應，使固體熱傳導的能力下降到接近最低極限。

將硅酸鈣復合納米孔超級絕熱材料用于鋼結構防火可使防火時間從目前一般厚質防火涂料的2h左右延長到15h，給滅火贏得充足的時間。將該材料用于太陽能熱水器，可使其集熱效率提高一倍以上，而散熱損失下降到現在的30％。3.光學性能

材料的光學性能與其內部的微觀結構，特別是電子態、缺陷態和能級態結構有關。納米材料在結構上與常規材料有很大差別，突出表現在小尺寸顆粒和龐大體積分數的界面，界面原子排列和鍵的組態的無規則性較大，使納米材料的光學性能出現一些與常規材料不同的新現象。

(1)紅外吸收：對納米材料紅外吸收的研究表明，紅外吸收譜中出現藍移和寬化。納米相Al2O3，紅外吸收譜在400～1000cm-1波數范圍內有一個寬廣的吸收帶，與A12O3單晶相比，紅外吸收峰有明顯的寬化，其中對應單晶的637cm-1和442cm-1的吸收峰，在納米相中藍移到639.7cm-1和442.5cm-1。(2)熒光現象：用紫外光激發摻Cr和Fe的納米相A12O3時，在可見光范圍觀察到新的熒光現象。

(3)光致發光：退火溫度低于673K時，納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的發光現象與常規非晶氮化硅不同，出現6個分立的發光帶，而常規非晶氮化硅在紫外光到可見光很寬的波長范圍的發光呈現一個很寬的發光帶。4.電磁學性能

納米材料與常規材料在結構上，特別是在磁結構上有很大差別，因此在磁性方面會有其獨特的性能。除磁結構和磁化特點不同外，納米晶材料顆粒組元小到納米級，具有高的矯頑力，低的居里溫度，顆粒尺寸小于某一臨界值時，具有超順磁性等。同時，納米材料的界面組元與粗晶材料有很大差別，使界面組元本身磁性具有獨特性能。例如界面的磁各向異性小于晶內，居里溫度低于常規材料等。

由于納米材料中存在龐大體積分數的界面，使平移周期在一定范圍內遭到嚴重破壞，顆粒愈小，電子平均自由程愈短，偏離理想周期場愈嚴重。因此，納米材料的電學性能(如電導、介電性、壓電性等)與常規材料存在明顯的差別。

(1)電阻和電導，晶界原子排列愈混亂，晶界厚度愈大，對電子散射能力就愈強。界面這種高能壘是使電阻升高的主要原因。當晶粒尺寸小于電子平均自由程時，晶界組元對電子的散射起主導作用，這時電阻與溫度的關系以及電阻溫度系數的變化都明顯偏離粗晶情況，甚至出現反?，F象。納米非晶氮化硅(粒徑大約15nm)的電導比常規非晶氮化硅高。

(2)介電特性。納米材料在結構上與常規材料存在很大差別，其特點主要表現在介電常數和介電損耗對顆粒尺寸有很強的依賴關系，電場頻率對介電行為有極強的影響。納米材料的介電常數隨電場頻率的降低而升高，并顯示出比常規粗晶材料高的介電性。納米材料隨著電場頻率的下降，介質的多種極化都能跟上外加電場的變化，介電常數增大。(3)壓電效應，經研究表明，未經退火和燒結的納米非晶氮化硅塊體具有強的壓電效應，而常規非晶氮化硅不具有壓電效應。

二、納米陶瓷材料制備工藝與方法 蒸發凝聚法(PVD法)蒸發凝聚法是制備納米粉體的一種早期的物理方法，蒸發法所得產品顆粒粒度一般在5～100納米之間。蒸發法是將金屬或化合物顆粒的原料加熱、蒸發，使之成為原子或分子，再使許多原子或分子凝聚，生成極微細的納米粉體。目前已發展出多種蒸發凝聚技術手段制備納米陶瓷粉體，這些方法大體上可分為：真空蒸發法、氣體蒸發法等。而按原料加熱蒸發技術手段不同，又可將蒸發法分為：太陽爐加熱蒸發法、電子束加熱蒸發法、等離子體加熱蒸發法及激光束加熱蒸法等。

蒸發冷凝法也是一種蒸發凝聚法，在真空蒸發室內充人低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發源，蒸氣將凝聚成納米尺寸的團簇，并在液氮冷卻棒上聚集得到納米粉體。蒸發冷凝法的優點是可在體系中加置原位壓實裝置直接得到納米陶瓷材料。

蒸發凝聚法的缺點是裝備龐大，設備投資昂貴，且不能制備高熔點的氧化物和碳化物粉體，所得粉體一般粒徑分布范圍較寬。2化學氣相反應法(CVD法)化學氣相沉積(Chemical Vapor DePosition CVD)法是在高熱卞反應產物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓而使其自動凝聚形成大量的晶核。這些晶核在加熱區不斷長大、聚集成顆粒，且隨著氣流進人低溫區使顆粒生長、聚集和晶化過程停止，最終在收集室內收集得到納米陶瓷粉體。CVD法可通過選擇適當的反應物濃度、流速、溫度和組成配比等工藝條件，實現對粉體組成、形貌、尺寸、晶相等控制。3激光誘導化學氣相法(LICVD法)激光誘導化學氣相沉積(Laser Indueed Chemical Vapor DePosition LICVD)法是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產生熱解或化學反應，經成核生長形成超細粉末。UCVD法通常采用高能CO2激光器。4等離子體氣相合成法（PCVD法）等離子化學氣相沉積伊（Plasma Chemical Vapor Deposition PCVD)法是納米陶瓷粉體制備的常用方法之一，它具有反應溫度高、升溫和冷卻速率快等特點。等離子體是物質存在的第四種狀態，由電離的導電氣體組成，其中包括:電子、正離子、負離子、激發態的原子和分子、基態原子和分子及光子。采用等離子氣相化學法制備陶瓷納米粉體材料具有許多優點:a、等離子體中具有較高的電離度，可以得到多種活性組分，有利于各類反應的進行；b、等離子體反應空間大，可以使相應物質化學反應完全；c、與激光誘導氣相沉積法相比，等離子氣相化學法更容易工業化。5溶膠-凝膠（SOL-GEL）法

溶膠-凝膠法是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制pH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經溶膠)凝膠途徑形成一種空間骨架結構，然后脫水焙燒得到目的產物的一種方法。此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優越性。

三、納米陶瓷材料的應用領域

1、硬性防護和軟性保護材料

普通陶瓷在用作防護材料時，由于其韌性差，受到彈丸撞擊后容易在撞擊區出現顯微破壞、跨晶、界面破壞、裂紋擴展等一系列破壞過程，從而降低了陶瓷材料的抗彈性能。納米陶瓷具有高韌性的性能，提高了陶瓷材料的抗沖擊性能，可有效提高主戰坦克復合裝甲的抗彈能力，增強速射武器陶瓷襯管的抗腐蝕性和抗沖擊性；由防彈陶瓷外層和碳納米管復合材料作襯底，可制成堅硬如鋼的防彈背心。在未來的戰爭中，若能把納米陶瓷用于車輛裝甲防護，會具有更好的抗彈、抗爆震、抗擊穿能力，提供更為有力的保護。納米Y2O3和ZrO2在較低溫度燒結的陶瓷具有很高的韌性和強度，被用于軸承和刀具等耐磨器件。

另一方面起著軟性保護的納米涂料也在防護領域起著重要的作用，目前納米陶瓷用于腐蝕條件惡劣環境中的防腐納米陶瓷涂料，能有效保護航標燈座、船舶、石油化工設施和各類貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設備、海上油田等設施以及強酸、強堿等生產設備的外表面，在較長時間內防止強酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。

另外以納米陶瓷粉體為基體，利用其致密速度快、燒結溫度低和良好的界面延展性，在燒結過程中控制顆粒尺寸在200—500nm的的最佳范圍，可以獲得具有良好超塑性的納米陶瓷材料。如納米陶瓷電極板燈就是基于這樣的基礎，燈的電極使用了納米級的陶瓷粉燒接，起到了保護燈管的作用。

2、耐高溫材料

納米陶瓷粉末涂料在高溫環境下具有優異的隔熱保溫效果，不脫落、不燃燒，耐水、防潮，無毒、對環境無污染，對提高航空發動機的渦輪前溫度，進而提高發動機的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，適用于冶金、化工工業、電廠的熱力鍋爐及焦化煤氣等熱力設備和熱力管網等高溫設備的防腐、爐外降溫，并有望成為艦艇、軍用渦輪發動機高溫部件的理想材料，以提高發動機效率，可靠性與工作壽命。在汽車工業也有著廣闊前景，如用納米陶瓷作為氣缸內襯材料，因耐高溫可提高燃料燃燒溫度，使燃料的熱效率提高；涂覆于汽車玻璃表面可起到防污和防霧、隔熱作用。

3、生物材料、臨床應用材料

隨著納米材料研究的深入，納米生物陶瓷材料的優勢將逐步顯現，其強度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高。例如當羥基磷灰石粉末中添加10％~70％的ZrO2粉末時，材料經1300~1350℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加。納米SiCn增強羥基磷灰石復合材料比純羥

基磷灰石陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。從表1可看出納米陶瓷材料的力學性能。

Erbe等用納米技術制備出納米磷酸鈣，它不僅可以作為骨髓細胞的細胞骨架，還可以加速細胞的形成。生物功能陶瓷能夠模仿人體某些特殊生理行為，可以用來構成牙齒和骨骼等某些人體部位，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某種組織器官。傳統的陶瓷材料晶粒，氣孔較大，因此其脆性及彈性模量也較大，給人工牙齒的質量帶來影響。Hlateng等正在研究一種納米陶瓷材料，該材料不僅強度、柔韌、可塑性好。而且彈性模量接近天然骨，極大地改善了材料的力學相容性和生物相容性，為臨床制作人工關節、人工牙齒及牙種植體開辟了新途徑。利用納米微?？稍隗w內方便傳輸的特點，科學家開發出放射療法用的羥基磷灰石復合陶瓷微粒。把可放射β射線的化學元素摻入納米微粒內，制成β射線源材料，把它植入人體腫瘤附近，就可直接照射癌細胞又不損傷周圍正常組織。目前，一種生物陶瓷材料硅酸鋁釔(YAS)就可以滿足這些要求。初步臨床表明，采用這種材料治療可以大大延長病人的壽命。

4、以陶瓷粉末為吸收劑的吸收材料

傳統的汽車尾氣凈化催化材料是在陶瓷載體表面涂一層Al2O3粉體材料作為分散層，再在分散層表面涂一層催化劑材料作為活性層。將分散層和活性層的材料制備技術開發成納米表面材料技術，可明顯改善汽車尾氣催化劑的性能，提高了汽車尾氣凈化器的壽命。

5、壓電材料

壓電陶瓷廣泛用于電子技術、激光技術、通汛、生物、醫學、導航、自動控制、精密加工、傳感技術、計量檢測、超聲和水聲、引燃引爆等軍用、商用及民用領域。納米陶瓷晶體結構上沒有對稱中心，具有壓電效應。通過精選材料組成體系和添加物改性，可以獲得高能和低溫燒結兼備的壓電納米陶瓷材料。通過控制納米晶粒的生長可獲得量子限域效應，以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機電轉換和熱釋性能。即卡金說的壓電材料就具有這樣的變化特征。研究發現當它們的厚度介于20~23nm時，其壓電效率提高了100％。近年迅速發展的各類壓電變壓器、壓電驅動器、大功率超聲焊接技術、壓電式振動給料器、超聲CVD新工藝和核電站相配套的大功率超聲工程都是納米陶瓷在壓電方面的應用。

6、信息材料

電子陶瓷的應用范圍日趨廣泛，包括基板、傳感器。這些之所以廣泛地采用電子陶瓷來制作。原因在于隨著追求降低半導體元件的工作電壓和增加多層陶瓷電容單位體積效率，多層陶瓷電容器內層厚度降低，總層數增加。當陶瓷中的晶粒尺寸減小一個數量級，晶粒的表面積及晶界的體積亦以相應的倍數增加。納米功能陶瓷除了可降低產品的成本，滿足電子元件小型化的需要外，還可減少連接的距離，將會提高對環境的穩定性，減少噪音并降低產品對噪音的敏感性瑚，大大提高產品的質量。

7、清潔材料

“納米易潔陶瓷”系采用特殊的涂覆技術。將納米液態聚合硅均布于陶瓷表面，經高溫處理后得到具有納米量級膜層的陶瓷。聚合硅成膜后能大大降低陶瓷的表面張力，使液體在陶瓷表面呈半球狀，不易掛沾，易于清潔。納米陶瓷具有明顯的易潔特性，在使用中便于清洗節水，也會減少因使用化學清潔劑而造成的環境污染。同時納米陶瓷材料還具有一定的抗菌性。所以其在墻地磚及衛生潔具的應用有著十分廣闊的前景和重要的環保意義。

結束語

納米陶瓷作為一種新型的高性能陶瓷,將越來越受到世界各國科學家的關注。納米陶瓷材料的發展是現代物理和先進技術結合的產物, 是近年來發展起來的一門全新的科學技術,它將成為新世紀最重要的高新技術之一。納米陶瓷的研究與發展,必將引起陶瓷工業的發展與變革,引起陶瓷學理論上的發展乃至新的理論體系的建立,以適應納米尺度的研究需要,從而使納米陶瓷材料具有更佳的性能,使其在工程領域乃至日常生活中得到更廣泛的應用。未來納米陶瓷發展的方向主要有以下幾個方面：（1）納米陶瓷粉體新的制備方法和工藝條件的研究與開發；開發高效率、低成本的制備技術；（2）納米粉體形成納米陶瓷的反應機理研究；（3）智能化敏感陶瓷元件計算機用光纖陶瓷材料、計算機硬盤和高穩定性陶瓷電容器；（4）研究納米粉體對環境的污染機理，做好應用過程中的環境保護；（5）加速納米粉體的工業化生產和應用進程。在21世紀，納米陶瓷粉體將飛速發展，在各領域的應用將全面展開，并將產生一批新技術、新產品；在電子、通信等高技術領域的廣泛應用，將成為經濟發展的新的增長點。

參考文獻

[l] 張中太，林元華，唐子龍，等．納米材料及其技術的應用前景[J]．材料工程，2000，3：42

[2] 陳煌，林新華，曾毅，等．熱噴涂納米陶瓷涂層研究進展[J]．硅酸鹽學報，2002，30(2)：235 [3] 朱教群，梅炳初，陳艷林．納米陶瓷材料的制備和力學性能[J]．佛山陶瓷，2002，58(1)：l [4] 施錦行．納米陶瓷的制備及其特性．中國陶瓷，1997，33(3)：36～38 [5] 王世敏．納米材料制備技術．化學工業出版社，2002 [6] 江炎蘭，梁小蕊.納米陶瓷材料的性能及其應用.兵器材料科學與工程，2008.31(5):91~94 [7] 趙雪．我國新納米陶瓷涂料又創新品種.科技日報．2007-01-12 [8] 田明原，施爾畏，郭竟坤．納米陶瓷與納米陶瓷粉末[J]．無機材料學報，1998，13(2)：129 [9] Fujishima，et al.Electrochemical photocatalysis of wat at a semiconductor electrode.Nature.1972，37(1)：238~242 [10] Veitch LCetal An assessment of the DARPA ffoordable Polymer matrix composite program．In 29th niernational SAMPE Technical Conference，1997 ：220

第四篇：納米論文

學院：電子信息工程學院學號：姓名：徐通

20101693

納米材料的應用

【摘 要】納米技術是當今世界最有前途的決定性技術。文章簡要地概述了納米材料在力學、磁學、電學、熱學、光學和生命科學等方面的主要應用，并簡單展望了納米材料的應用前景?！娟P鍵詞】納米材料；納米技術；應用

有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過網絡技術和基因技術的“決定性技術”，由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國相繼投入巨資進行研究，美國從2000年啟動了國家納米計劃，國際納米結構材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術有關的國際期刊也很多。

一、納米材料的特殊性質

納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料所表現的力、熱、聲、光、電磁等性質，往往不同于該物質在粗晶狀態時表現出的性質。與傳統晶體材料相比，納米材料具有高強度——硬度、高擴散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結助劑、潤滑劑等領域。

（一）力學性質

高韌、高硬、高強是結構材料開發應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因其力學強度一直難以有大的提高。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。

（二）磁學性質

當代計算機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數比傳統粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數至少比傳統粗晶材料低3個數量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個數量級，從而在光磁系統、光磁材料中有著廣泛的應用。

（三）熱學性質

納米材料的比熱和熱膨脹系數都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉換為熱能。

（四）光學性質

納米粒子的粒徑遠小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應和光過濾中應用廣泛。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。

（五）生物醫藥材料應用

納米粒子比紅血細胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細胞。在醫藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內的輸運更加方便。

二、納米技術現狀

目前美國在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術、納米基礎理論等多方面處于世界領先地位。歐洲在涂層和新儀器應用方面處于世界領先地位。早在“尤里卡計劃”中就將納米技術研究納入其中，現在又將納米技術列入歐盟2002——2006科研框架計劃。日本在納米設備和強化納米結構領域處于世界先進地位。日本政府把納米技術列入國家科技發展戰略4大重點領域，加大預算投入，制定了宏偉而嚴密的“納米技術發展計劃”。日本的各個大學、研究機構和企業界也紛紛以各種方式投入到納米技術開發大潮中來。

中國在上世紀80年代，將納米材料科學列入國家“863計劃”、和國家自然基金項目，投資上億元用于有關納米材料和技術的研究項目。但我國的納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多所企業從事納米研究，已經建立了10多條納米技術生產線，以納米技術注冊的公司100多個，主要生產超細納米粉末、生物化學納米粉末等初級產品。

三、前景展望

經過幾十年對納米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的發展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發展?？梢灶A測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、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、納米機器人、集成生物化學傳感器等將被研究制造出來。

納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，但從歷史的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發達國家。當今重視發展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現經濟騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革。

【參考文獻】

顧寧． 納米技術與應用[M]．

人民郵電出版社2002 曹茂盛． 納米材料導論[M]． 哈爾濱工業大學出版社，2001

第五篇：納米論文

納米技術在醫學上的應用

[摘要]納米醫學是納米技術與醫藥技術結合的產物,納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,納米技術突飛猛進,作為納米技術的重要領域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫學、納米生物技術和納米生物材料三個方面,講述了納米生物工程的重大進展。本文就納米診斷技術、組織修復和再生醫學中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現狀與進展進行綜述,并探討納米醫學的發展前景。

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

1、跨世紀的新學科——納米科技

所謂/納米科技,就是在0.1~100納米的尺度上,研究和利用原子和分子的結構、特征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,第一屆國際納米科技會議的召開,標志著納米科技的正式誕生。時至今日,納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,在納米尺度上制造具有特定功能的產品,實現生產方式的飛 躍。目前,納米科技已經取得一系列成果,正處于重大突破的前夜。研究者認為,這一興起于本世紀90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀,對人類社會產生重大而深遠的影響。

2、納米醫學的提出

納米醫學的形成除了納米技術之外，其醫學本身也應具有可應用納米技術的客觀基礎和必要條件?？陀^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。實現納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了解。隨著現代生物學和現代醫學的不斷發展,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征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結構和生命現象的學科,就是納米生物學和納米醫學。納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曾給納米醫學下過一個較詳細的定義:他認為,納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。目前的納米醫學研究水平還處于初級階段,當然,由于各國科學工者的不懈努力,納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,納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;二是把其他領域的納米研究成果引入醫學領域,如某種納米裝置在醫療和診斷上的應用。納米醫學的奧秘在于,可以從納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納米量級的時候,其性質會有意想不到的變化。這種變化既包括物質的原有性能變得更好,還可能有我們所意想不到的性能和效益,從而用來治病防病。

3、納米技術的醫學應用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應用納米醫學技術手段，在診室內進行全面的基因檢查和特殊細菌涂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、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標三維圖譜的特定分子。在納米醫學時代，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，并能以合理的費用，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,隨著納米技術的介入,將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,以往常采用價格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術。如今應用納米技術,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,用納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于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒有明顯癥狀,一旦發現常已到晚期,難以治愈,因而早期診斷極為重要。中國醫科大學第二臨床學院把納米粒應用于醫學研究,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 納米藥物和納米藥物載體

這是納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?？茖W家正在為糖尿病人研制超小型的,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于正常狀態。美國密西根大學的博士正在設計一種納米/智能炸彈,它可以識別出癌細胞的化學特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進入并摧毀單個的癌細胞。

德國醫生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動物實驗中取得了較好療效。將一些極其細小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里,然后將患者置于可變的磁場中,氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度,這一溫度可慢慢熱死癌細胞。由于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?？茖W家指出,將磁性納米顆粒與藥物結合,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。

納米藥物與傳統的分子藥物的根本區別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結構或納米特性,發現基于新型納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,而后者強調的是把納米材料本身作為藥物。

3.2.1 納米藥物

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

無機納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納米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機體免疫來實現對腫瘤的抑制作用。納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于傳統的化療藥物的納米無機抗癌藥物。此外,有的物質納米化后出現新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細胞增殖;二氧化鈰納米顆粒可以清除眼中的電抗性分子并防治一些由于視網膜老化而帶來的疾病。

3.2.2 納米藥物載體

實現細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。納米粒子介導的藥物輸送是納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納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應具備以下性質:毒性較低或沒有毒性;具有適宜的制備及提純方法;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;具有較長的體內循環時間,并能在療效相 關部位持久存。3.3 納米生物技術

納米生物技術是納米技術和生物技術相結合的產物,它即可以用于生物醫學,也可以服務于其它社會需求。所包含的內容非常豐富,并以極快的速度增加和發展,難以概述。

3.3.1生物芯片技術

生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上,裝配一種或集成多種生物活性,僅用微量生理或生物采樣,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。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類,都有集成、并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,已經通過微制作(MEMS)技術,制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,并研制出效果更好的軟光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片,通過調節細胞間距等,研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單,僅利用芯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。

美國圣地亞國家實驗室的發現實現了納米愛好者的預言。正像所預想的那樣,納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類型的外來入侵者,并予以殲滅,從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個雛形裝置,發揮芯片實驗室的功能,它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導入一個發射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。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,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測單個活細胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級,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納米材料

將納米技術與組織工程技術相結合,構建具有納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。相對于微米尺度,納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。納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,對于組織再生與修復具有潛在的應用前景和重要意義。將納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于對照材料。向高分子材料中加入碳納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,隨著復合物中碳納米管含量的增加,神經元細胞和成骨細胞在復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細胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,可應用于貧血癥的局部治療、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納米物質,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,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應用優勢。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時性的細胞培養人工支架,它能很好地支持功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細胞抵達傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I納米支架修復了倉鼠腦部的急性創傷,并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,用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4、我國發展納米生物學和納米醫學的現狀和發展策略

目前,我國在納米生物和醫學領域內的研究基礎還比較薄弱,通過采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納米技術重大研究計劃對納米生物和納米醫學項目的支持,我國在納米生物和納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、所相繼建立了有關納米技術的研究室,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納米研究室,初步形成了一只較強的研究隊伍。近年來,來自化學、物理、信息、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納米生物和納米醫學領域的研究方向和內容,并建立了較密切的合作。我國在納米生物和納米醫學的研究領域也涌現了一批極具特色的研究成果,如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機制、納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。

納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,納米科技在國際上已嶄露頭角,世界各發達國家紛紛開展納米科技的研究。在我國,科技界對納米科技的重要性有了共識,納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。納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,并潛在危險,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,并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。我們有必要把納米科技和生物醫學工程概念進行拓展,把納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——納米生物醫學工程?？梢韵嘈?納米醫學工程將會成為納米科技的重要分支,并開創生物醫學工程新紀元。科學家認為,納米科技在生物醫學方面,甚至有可能超過信息技術和基因工程,成為決勝未來的關鍵性技術。[參 考 文 獻] [1]劉吉平,郝向陽.納米科學與技術[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——納米醫學[J]1世界新醫學信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會東.納米技術在生物學與醫學領域中的應用[J].湘潭師范學院學報(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納米微球的制備[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,梁屹.納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〕奇云.21世紀的納米醫學.健康報,2001(4):12〔9〕紀小龍.納米醫學怎樣診治疾病.健康報,2001,7,19[9]奇 云.納米醫學——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 云.納米材料——21世紀的新材料[J].科技導報,1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學研究進展[J].現代物理知識,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納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 云.納米化學研究進展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學研究進展[J].現代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學與技術[J].科學,2000,52(5):6-10..