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浅析纳米材料发展及其应用

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：张璟棣

[导读] 本文论述了纳米材料的研究现状，并浅析了纳米材料的分类、发展阶段和特性，由于纳米材料的独特性质，使其在人们的衣食住行、医疗和环保等方面应用广泛并发挥了重要的作用。

广州市执信中学张璟棣 510000

摘要：本文论述了纳米材料的研究现状，并浅析了纳米材料的分类、发展阶段和特性，由于纳米材料的独特性质，使其在人们的衣食住行、医疗和环保等方面应用广泛并发挥了重要的作用。随着纳米材料和纳米科技的不断发展，以纳米材料为关键材料制作的新产品对振兴社会经济，增强国力都有着重要的影响。
关键词：纳米材料；纳米材料分类；纳米材料发展；纳米材料特性；纳米材料的应用
        1.引言
        纳米材料被广泛应用。作为21世纪的重点新型材料，纳米材料具有很多传统材料无法企及的性质，它可以与有机与无机材料在不同程度上进行结合，合成性能更具优势的新型材料。这些材料更符合现代社会发展要求及生态环保等要求, 它不仅对现代科技的发展起到越来越重要的作用，并且深刻地影响着普通百姓的衣食住行。
        世界各国均重视纳米材料和纳米科技的发展。美国、英国、日本和欧盟等分别制定了国家纳米技术计划和纳米材料工程计划。我国从“八五”到“十五”都对纳米材料等新材料的发展提出高要求，并于2006年启动了纳米研究国家重大科学研究计划。在“中国制造2025”中再次提出对战略性的纳米材料进行提前布局, 大力研发纳米材料[1]。
        2.纳米材料简介
        纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）的材料 [2]。它是一种由纳米粒子组成的超细固体材料，重要特征为晶粒和高浓度晶界，能导致材料的物理性能改变。
        2.1纳米材料的分类
        纳米材料有多种分类方法，包括按化学成分、按材料的性质、按应用领域以
及按材料的不同结构分类等，其中，最为常用的分类方法是按纳米材料的不同结构将之分类为零维（点）、一维（线）、二维（面）和三维（块）纳米材料。零维材料都是细小颗粒，一维材料是纳米线和管，二维材料是薄膜或薄带，三维材料是纳米块体[3]。
        2.2纳米材料发展阶段
        纳米材料在发展过程中主要分为三个阶段，首先是出现在上世纪90年代之前的技术。通过在实验室的环境下制取少量的纳米颗粒粉末或块状材料，然后对其性质进行测定，分析材料特点。研究的纳米材料也很局限，大多都是单一或单相材料，统称“纳米相材料”。第二阶段（1990-1994）：人们开始广泛关注纳米材料的物理、化学及机械性能，设计并合成纳米复合材料成为了当时最热门的研究方向。第三阶段（二十世纪末至今）：二十世纪末期发展至今，纳米结构材料以及其组装体系正成为一项研究热点[4]。
        2.3纳米材料特性简介
        纳米材料在发展过程中曾经被称作超微颗粒，这种粒子是一种能够介于原子、分子与宏观物质的中间状态，在宏观以及微观的归属划分上，它并不属于两者，而是属于介观系统，这使得研究者对于开发这种材料使其能够在不同领域拥有更多的用途充满了兴趣。纳米材料的特性，主要有以下几个方面。
       （1）表面与界面效应
        纳米粒子直径减小的同时导致面积减小，但原子数不变，所以表面的原子数量变多。由于表面原子数与总原子数之比，会随着粒子的直径变化而产生剧烈的变化，这导致性质上也产生了变化，引发一些不同寻常的反应，如金属纳米粒子会突然在空中燃烧，无机非金属纳米粒子会吸附气体等等。
       （2）小尺寸效应
        在粒子层面上，当纳米微粒大小能够达到光波波长或超导态的长度时，物质的周期性边界即会被破坏，从而使粒子的各种性质都会发生很大的变化，如微粒的熔点比金属低等。这种效应被称为小尺寸效应或者是体积效应。
       （3）量子尺寸效应
        纳米粒子尺寸降到某个值，费米面附近的电子能级由连续变为离散，能隙变宽，其物理性质和宏观特性发生很大变化的现象，被称为量子尺寸效应。不同材质的纳米材料的现象都有不同，如半导体材料会出现光谱线蓝移现象等。
       （4）宏观量子隧道效应
        纳米材料的微观粒子具有一种特定的穿越较高能量势垒的能力称为“隧道效应”，这种效应令金属材料在温度较低的情况下仍有高的超顺磁性。

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此外磁化强度和磁通量等宏观量也有出现隧道效应，被称为宏观量子隧道效应
        3纳米材料的应用
        3.1纳米材料在衣食住行方面的应用
        纳米材料被广泛地应用在衣食住行，医疗及环保等领域
        纳米材料在衣方面的应用：新型纳米材料加入布料中可提升布料的防紫外线功能。在棉衣等纺织品和化学纤维产品中加入纳米颗粒可以除味杀菌，并消除摩擦带来的静电现象。将特定的纳米材料，如纳米铜离子等加入合成纤维能生产出新的抗菌纤维。加入高质量的纳米级陶瓷粉末，如红外负氧离子陶瓷粉末纺出的纤维具有帮助人体皮肤吸收外部能量的作用，可以促进人体血液循环，激发组织再生功能[5]。
        纳米材料在食方面的应用：纳米过滤器在不影响牛奶口感和不破坏营养成分的前提下，可以过滤有害物质。将纳米技术添加到食物制作中，除了可以改善食品的口味外还可以改善人体养分的吸收。使用纳米复合材料包装食物可以延长它的保鲜期限[6]。
        纳米材料在住方面的应用：纳米材料具有的稳定性，用它开发的水溶性自清洁材料作为墙面涂料时耐洗刷性可以极大的提升，并且可以防尘及防褪色。用纳米材料开发的内墙涂料则可以杀虫和防放射性。在玻璃表面涂上纳米涂层，制成的纳米自洁玻璃完全无需擦洗，含纳米颗粒的建筑材料还可以对紫外线进行吸收，避免辐射对人体的伤害。使用纳米二氧化硅、纳米米氧化铝等建筑材料起的建筑物，成本低且稳定性高[7]。
        纳米材料在行方面的应用：纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标，汽车部件采用纳米材料，可以相对节约燃料和减少交通意外。纳米涂层对车身有清洁保护作用，超反射纳米层能使车灯和镜子更清晰。纳米材料用于复合添加剂，可广泛地应用于航天材料和汽车轮胎制作[8]。
        3.2纳米材料在医学方面的应用
        纳米材料的生物相容性和药物吸附性高，在医学上的应用面十分广泛。利用纳米抗菌颗粒制作的创可贴和抗菌敷料已经被普遍用作伤口护理。无机纳米粒子制成的造影材料，具有良好的检测对比度，能提高诊断精度。纳米材料运输基因或者药物除了能提升治疗效果外，还可以减少伤害其他细胞。具有抗菌与骨诱导性能的纳米生物材料，可以与抗生素结合增强患者的抗感染能力[9]。由于直径的原因，纳米材料制成物运输器可以直接进入血管，并在体外电磁波的操控下准确到达病患位置，令药物利用率大大提高。纳米机器人的体积小于红细胞，可以击穿人体血管中的血栓，疏通血管中脂肪的堵塞，配备一定装置后也有精确击碎肾结石的能力。
        3.3纳米材料在环保方面的应用
        纳米粒子的吸附和催化力能治理污水和空气污染，具体来说，纳米粒子可以过滤净化有毒有害的气体，可以去除污水中的有害物质，污染物质及细菌病毒等，同时通过使用纳米材料和相应的技术，能提炼污水中的金属做循环利用，并且通过纳米微粒光催化作用可将水中的有机和无机污染物转化为矿化物[10]。纳米氧化锌在紫外光的照射下能分解有机物，用它来制作消毒用品能除臭抗菌。纳米催化材料能提升石油、天然气和煤炭的利用效率，实现排放减少。通过采用具有亲（疏）水及油的纳米材料而发明的绿色印刷制版技术可以减少环境污染[11]。
        4.结语
        随着纳米材料和纳米科技的不断发展，加入纳米材料制作的产品更符合现代社会发展和生态环保的要求，各国政府和各行各业大力推进纳米材料的研发和产业化，使得纳米材料的应用范围越来越大，发展前景广阔并伴随着大量的附加产值。以纳米材料为关键材料制作的新产品对振兴社会经济，增强国力都有着重要的影响。
参考文献：
[1].赵廷凯. 纳米材料专题序言[J]. 材料工程, 202004:28-29.
[2].李宾, 周恒竹, 苏学伟, 王鑫. 纳米科技与生活[J]. 科技视界, 2018:27-28.
[3].姜山, 鞠思婷等. 纳米[M]. 北京：科学普及出版社, 201309:48-49.
[4].段利利. 纳米材料的国内外研究现状及应用[J]. 山东工业技术, 2015:225-227.
[5].高强. 新型纳米材料的合成及在纺织领域的应用[J]. 纺织报告, 2020:9-10.
[6].梁春来, 贾旭东. 纳米食品的毒理学研究及其风险评估与管理[J]. 中华预防医学杂志, 2014, 48(05):429-432
[7]. 丁广新. 绿色环保建筑材料在生态住宅中的应用[J]. 工程建设与设计, 2019:238-239+242
[8]. 齐俊杰，王陆君瑜. 从纳米走向未来 [J]. 金属世界, 2020：27-33.
[9]. 王珮琳, 林浩东. 纳米材料在骨髓炎治疗中应用的研究进展[J]. 中国修复重建外科杂志,      2021(35):1-8.
[10]. 赵刚. 纳米新材料在化工领域的应用研究[J]. 新材料与新技术, 2016, 42(7):69.
[11]. 闫金定. 我国纳米科学技术发展现状及战略思考[J]. 科学通报，2015, 60(1):30-37.