纳米材料的应用前景展望，本文主要内容关键词为：纳米材料论文,前景论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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年代初期纳米材料的概念形成以后，世界各国先后对这种材料给予极大关注。由于纳米材料所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到纳米材料的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。1990年在美国召开国际第一届纳米材料技术科学会议；1994年3 月在瑞士举行纳米晶体材料国际研讨会，同年10月在德国举行第二届国际纳米材料会议，纳米材料成为材料科学和凝聚态物理研究的热点，它对新材料的设计与发展以及人们对固体材料本质结构性能的认识都有十分重要的价值。目前美国已把纳米材料列为2005年战略技术，日本自95年即把纳米技术列为今后开发的四大基本科技项目之一，我国也将纳米材料研究列为国家重大基础研究攀登技术项目。纳米材料科学技术成为操纵从无序到有序组织的临界物质并由此构成宏观特殊材料的热点领域。而新材料和新技术对经济的影响主要取决于它能否对现有产品进行改造，能否创造出新的高科技术产品，增强市场竞争力。早在1991年我国著名科学家钱学森就曾经预言：我认为纳米和纳米以下的结构将是下一世纪发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。
纳米材料属于超微粒子范围（1～100nm），由于尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应；使它具有不同于常规固体材料的新特性，而且由它构成的二维薄膜和三维固体也表现出不同于常规的薄膜和块状固体材料。纳米材料在材料科学领域将大放异彩，在新材料、能源、信息等各个领域将会发挥举足轻重的作用。纳米材料的应用领域将十分广阔，本文就其部分应用作一简单的叙述。
1 纳米材料的应用
1.1 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，而且催化剂的制备也靠经验进行，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。由于纳米粒子表面活性中心多，这就提供了纳米粒子作催化剂的必要条件。纳米粒子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完全的进行[1]。 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。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化、无机离子氧化还原、有机物产氢、氨基酸合成、固氮反应、水净化处理、水煤气变换等，有些是多相催化难以实现的[2]。 半导体多相光催化剂能有效的降解水中的有机污染物，由于TiO[,2]既有较高的光催化活性， 有能耐酸碱，对光稳定、无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO[,2]/SiO[,2]负载型光催化剂[3]。 纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
1.2 在工程上的应用
纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC，BC等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结，另一方面，纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度，缩短烧结时间。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应，使得纳米复相材料的熔点和相转变温度下降，在较低的温度下即可得到烧结性能良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现良好的延展性。纳米TiO[,2] 陶瓷在室温下具有良好的韧性，在180℃下经受弯曲而不产生裂纹。 纳米复合陶瓷具有良好的室温和高温力学性能，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用，在许多超高温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微电子器件的包封、电容器、传感器等方面的应用，利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料，使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中，可以明显改善玻璃的脆性。无机纳米颗粒具有很好的流动性，可以用来制备在某些特殊场合下使用的固体润滑剂。
1.3 在磁性材料方面的应用
磁性颗粒或晶粒的尺寸与形状使影响磁性材料性能极为重要的因素。长期以来人们控制磁性材料性能的基本准则是确定其基本配方后，主要是控制材料的显微结构。60年代非晶磁性材料的问世为磁性材料的发展推进了一大步，以后经过进一步的发展，使非晶磁性材料发展为纳米微晶。又衍生出性能更微为优异的纳米微晶软磁材料与纳米复合永磁材料。目前纳米磁性材料已成为纳米材料研究、开发、生产中非常重要的一大领域。当纳米微晶材料的晶粒尺寸远小于铁磁交换作用长度时，晶粒内的磁矩方向将取决于磁晶各向异性能与交换能相互作用的极小值，使有效各向异性常数下降。
磁记录在当今信息化时代得到了极其广泛的应用，如用在录音、录像、录码等信息记录、储存和运算等，磁记录朝向大容量、高密度以及微型化的方向发展，对颗粒磁记录介质的要求是高矫顽力、高取向性和小尺寸。纳米磁性材料具有单磁畴结构、矫顽力高的特性，用它制作磁记录材料可以大大提高信噪比，改善图象质量，而且可以达到记录高密度化[4]。
磁性液体是指具有超顺磁性的纳米尺寸颗粒，表面包覆一层长链分子，高度分散在基液中所构成的胶体体系。当磁性材料的粒径小于临界半径时，粒子具有超顺磁性，可分散在溶液中形成磁流体，它在外磁场作用下将不分离而整体运动，因此既具有磁性又具有液体的超流动性，在动态密封、扬声器等众多领域，磁性液体作为新型的人工功能材料开拓了固体磁性材料无法比拟的新应用领域，引起了各国的广泛关注，美、英、日本等国家已有产品问世。
1.4 在医学和生物工程上的应用
21世纪的健康科学将以出人意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗已提到研究日程上来。在这方面，纳米材料很可能担任重要角色。美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”，该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。由于纳米粒子的小尺寸使得它们可以在血管中自由流动，因此可以用来检查身体各部位的病变和治疗。纳米微粒在临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也开展了大量的研究工作。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应[5]。 纳米系统主要用于毒副作用大，生物半衰期短，易被生物酶降解的药物的给药。
纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。
1.5 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，并显示它的独特魅力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥其重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO[,2]， 可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力，纳米Al[,2]O[,3]和SiO[,2]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。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，涂料中添加不同成分的纳米材料，可使涂料的功能化大为提高。例如可使涂料具有耐磨、耐腐蚀、隔热、阻燃等多种性能。塑料中添加一定的纳料材料，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。国外已将纳米SiO[,2]作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中， 使其密封性和粘和性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。随着纳米科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料在精细化工方面得到应用。
1.6 在微型半导体器件方面的应用
量子器件的研究核心是减少材料的维数，迫使电子处于不同能态，制造出可控能态的材料，如量子阶、量子线和量子点，并将其加工成工作器件。微型半导体器件是半导体纳米材料的一个最重要的应用。以量子效应为基础的纳米器件是纳米组装体系的产物，它包括纳米有序（无序）陈列结构、纳米微粒与介空固体组装体系、金属/半导体组装体系等，利用具有半导体性质的纳米管与具有金属性质的纳米管组装成具有隧道结构的纳米碳管很可能发展成为新型的纳米器件。自然界中不存在的碳纳米管化学性质稳定，硬度为钢的100倍， 已用它制造出世界上第一个能在室温下工作的单分子晶体管，它打破了普通硅装置无法逾越的尺寸界限，并为制造纳米电子元件的可行性提供了具体证据。利用纳米材料的量子尺寸效应和表面效应可以对发光的波段进行调整，利用半导体纳米材料的小尺寸效应可以使原来不发光的材料在纳米尺度上发光，这些都可以用来设计和制备新型的纳米电致、光致以及阴极射线发光材料。已有文献报道量子点发光器件方面的工作，但具体的应用还处在探索阶段[6]，尽管如此，随着纳米材料科学技术的发展， 在信息领域，本世纪最广泛的微电子将转换到下一世纪的纳电子，因此这方面的研究和应用，将是最热门的课题之一。
1.7 在传感器方面的应用
纳米粒子的高比表面积、高活性等使之成为在传感器方面最有前途的材料。对化学环境如湿度、温度、压力、射线、光等的敏感性是纳米材料特别是半导体纳米材料的一个重要特征。外界环境的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子运输的改变，利用其电阻的显著变化可以制成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高。因此采用纳米材料制成高灵敏度的传感器，可以在许多条件要求高的科学试验、设备运行控制等方面得到应用。
2 结语
纳米材料的应用可谓涉及到各个领域，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。下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出顺应21世纪的各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。