纳米材料的性质和用途_纳米材料的性质和用途
纳米材料的性质和用途由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“纳米材料的性质和用途”。
纳米材料的性质和用途
机电5班张忍
201202070226 摘要：本文介绍了纳米材料的一些常用性质以及在环境污染、医学等领域的应用。并对纳米材料的发展前景进行了展望，最后根据自己的理解对纳米材料在环境污染上的进一步使用作了预测
关键词：纳米材料；性质；用途
一、前言
纳米是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于万分之一头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后，大约是在1-100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料即为纳米材料[1]。纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，即接近于分子或原子的临界状态。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体 材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料从根本上改变了材料的结构，使得它成为当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[2]。
二、纳米材料的性质
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著影响，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料与同组成的微米晶体材料相比，在力、磁、电、热、光等方面有许多奇异的性能[3]，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。2.1 力学性质
根据经典的Hall—Petch关系式，当晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬度随粒径的减小而增大。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。纳米材料的这个特性可以应用到韧性包装上面，以提高在以前韧性包装技术上出现的问题。例如纳米二氧化钛、纳米碳酸钙等纳米材料能使塑料改性。通过对塑料进行填充改性，可以提高塑料的力学性能，还可以开发各种功能塑料，如导电塑料、磁性塑料、抗降解塑料、抗紫外耐老化塑料等。在塑料中均匀分散无机纳米材料所制成的纳米塑料具有优异的物理力学性能、强度高、耐热性好、密度较低，良好的透明度和较高的光泽度。还有使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海等。2.2 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。2.3 光学性质
由于尺寸效应和表面效应使超微粒对光有极强的吸收能力，比如金属超微粒的反射能力显著下降, 一般低于1%, 因此金属超微粒通常呈黑色, 失去了各种美丽的特征颜色由超微粒构成的纳米固体材料也在较宽的范围内显示出对光的均匀吸收性。另外, 超微粒复合材料具有大的三阶光学非线性和快的响应时间。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料, 可以高效率地将太阳能转变为热能。此外由于量子尺寸效应, 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。2.4 磁学性质
随着纳米晶粒尺寸变小, 与体积成正比的磁各项异性也降低, 当体积能与热能相当或更小时, 会呈现出超顺磁性。纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%, 可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。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 个数量级。2.5 电学性质
由于纳米材料晶界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，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原来绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降，变成了半导体或导电 体。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。
三、纳米材料的应用
3.1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。李田[16]将纳米Ti02固定于玻璃纤维网上形成催化膜，用于深度净化饮用水。结果显示，自来水中有机物总量去除率达6O％以上，19种优先污染物中有5种被完全去除，其他有机物的浓度也大多降至检测限以下，同时细菌总数明显减少，使水质达到了直接安全饮用的要求。Skubal等[18]用精氨酸改性胶体Ti02表面，然后光催化还原Hg，吸附和还原效率均提高到99.9％。用Ti02光催化法从Au(CN)-4中还原Au，同时氧化CN-为NH3和CO2的实验方法，并指出将该法用于电镀工业废水的处理，不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。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，[20]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。
3.2纳米材料在生物工程上的应用 众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。科学家们认为[14]：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。3.3纳米材料在医学上的应用 随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。
3.4纳米材料在其它方面的应用
利用先进的纳米技术，在不久的将来，可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具有自我复制能力的纳米装置，它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面，利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。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。另外，还可利用碳纳米管来制作储氢材料[17]，用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域。
四、纳米材料的前景展望
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。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。
五、结语
通过阅读多篇相关文献以及自己的了解和认识，我认为对于纳米材料在环保方面的应用将会越来越广泛，在21世纪的今天，环保问题已经成为人类迫切解决的重大问题，随着纳米科技和纳米材料的研究深入，特别是纳米科技与环境保护和环境治理的进一步有机结合，许多环保难题将会得到解决。有理由相信，纳米科技作为一门新兴科学，必将对环境保护产生深远的影响，利用纳米科技解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。
参考文献
[1] 张立德．纳米材料[M]．北京：化学工业出版社，2000． [2] 王中林．纳米材料表征[M]．北京：化学工业出版社，2006． [3] 薛增泉．纳米科技探索[M]．北京：清华大学出版社，2002.[4] 覃爱苗, 廖雷.纳米技术及纳米材料在环境治理中的应用[J].中山大学学报（自然科学版）, 2004, 43(增刊): 225-228.[5] 杨健森.纳米环保技术的发展现状与前景[J].科技通报, 2002, 18(4): 340-343.[6] 马荣萱, 李继忠.纳米技术及其材料在环境保护中的应用[J].环境科学与技术, 2006, 29(7): 112-115.[7] Ando Y.Jpn J ApplPhys[J ] ,1998 ,37 :L61.[8] Zhao Y, Liu Y, Inoue S , et al.Phys Rev Lett [J ] ,2004 ,92 :125502.[9] LijimaS ,Ichihashi T.Nature[J ] ,1993 ,363 :603.
纳米在医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防领域等等都已经成功应用。例如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......
《 氢氧化钠的性质和用途》微课 教师讲稿同学们，大家好！欢迎你来到初中化学微课。今天我们一起来学习初中化学中常见的一种碱，“氢氧化钠的性质和用途”。你是否还记得在学习“......
氢气的用途有：冶炼金属、燃烧、燃料电池、人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。扩展资料一、用途1、在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂......
二氧化碳的性质和用途教学设计杞高附中陈秀娜二氧化碳的性质和用途教学目标知识与技能（1）认识二氧化碳，掌握其重要的化学性质，了解其物理性质和主 要用途。 （2）懂得设计实验来验证......
《氢气的性质和用途》说课稿一、说教材1、教材简析《氢气的性质和用途》是初中化学教材的重要内容，本节教材包括了氢在自然界的存在，氢气物理性质，化学性质和用途等内容，重点是......
