纳米材料的应用

纳米材料的应用（具体些）~

在日常生活中，纳米技术应用的领域有哪些你不知道
纳米研究在创造成千种新材料方面非常成功，但是分子自我组成有用的物体或是建造微型纳米机器方面仍只是设想而已。决定单个原子行为的定律与主导大型材料的定律不同。这一领域的科学家必须首先了解纳米材料的特性，并充分利用其特性开展具体的活动。比如，以煤或石墨形式存在的碳元素结块不带电或光学性质，但是微型碳纳米管具有这些特性。碳纳米管的这些独特性质对于增强轻型自行车零部件的特性非常有用。但是，目前尚不清楚工程师对于更加精确地操作不同元素的单个原子所能取得多大程度的成功。

NNI的资金投入收到了成效：已经批准了2000～3000种人造纳米材料用于新产品。但是蜂拥而上寻找纳米技术的新用途时，我们是否忽视了其中存在的风险？许多分析人士怀疑其中有些纳米材料可能具有毒性，但是这些材料并没有经过严格测试，比如美国联邦药品管理局（FDA）要求药品在出售之前必须获得许可证。FDA对于新药测试的规定是世界上最严格的。一种新药开发和获得批准需要7～10年时间，花费达5亿美元。对于每一种纳米材料也作相似的规定可能会减缓甚至中断大部分的纳米技术研究。只有一小部分开发出来的纳米材料有足够大的市场能承担得住如此巨大的测试费用。

FDA的确要求纳米技术必须经过基本的毒性分析。是否我们应当更为谨慎地采取更多预防性措施，并要求对纳米材料对健康的影响进行更多的测试。还是说纳米技术的潜在好处需要我们加速这一领域的研究？如果我们不等上20～30年看看到底会产生怎样的影响，又怎么能知道如何解决潜在的风险？要有多少例的癌症、肺病以及精神疾病才能证明目前对纳米材料的健康风险所进行的测试是不够的？对纳米材料进行更为严格的测试很困难，因为难以确定这种材料会加工成食物还是药物，还是不会用来吃的东西，人一旦吃下去，到底有没有害。比如说，FDA一直很担心几十年来一些产品被标榜为食物补充品，从而不用像药品一样需要成本很高的测试，但是这些产品可能也是有害的。

可以假设的是，如果防水织物的涂层是有毒的纳米材料，随着衣物的老化涂层可能会气化，从而可能被人体吸入。此外，有些材料在转化为纳米粒子时会改变性质，就像水在不同温度下可能会变成晶体、液体或蒸汽。再比如，如果你摄入了一点银，它会经过身体的系统不会造成伤害。在印度，银箔用来装饰甜点，可以当作食物服用，但是在美国不允许将银作为食物，因为银盐，以及与其他分子在一起的含银化合物是有毒的。使问题更加复杂化的是，其他的银盐以及银纳米粒子是反微生物的，经常用于作为医疗装置的涂层，比如伤口敷料，甚至用在洗衣机中以阻止致病微生物的生长。随着越来越多的致病性疾病演变为对抗生素免疫，银纳米粒子的抗菌特征将变得更加重要。但多数人无法清楚是否或者是在什么条件下，银纳米粒子可能与其他分子结合形成有毒的化合物。

太阳能电池或电池中采用的纳米材料是不可摄入的，但重点应当是在装置的使用寿命结束后废物的产生和废物处理问题。生命周期分析是用于确定一个大型项目的影响或新材料应用的指标之一。对于风险分析和环境影响分析非常认真的执行者，会努力控制偏见对其研究结果客观性造成的不利影响。一篇好的报告应当注意那些目前仍不知道的，要么是因为没有或不能开展必要的研究，要么是因为各种行动造成的结果太复杂，无法进行分析。在最好的情况下，在决策过程中考虑的各个问题可以通过风险分析和成本效益分析进行说明。在具备很多具体条件约束的背景下，认真的分析可以相当准确地反映实际情况。报告将充满表明客观性的数字和图表。当然，环境影响报告和风险分析也可以包含许多价值判断，什么更重要、什么不那么重要，以及导致研究结果产生偏见的其他主观因素。

在加速发展和长期风险之间进行权衡，往往加速发展会获胜。特别是在风险尚不确定，预计的利益巨大的情况下尤为如此。公众健康和环境风险加大是其中的权衡取舍之一。在产生和储存能量的纳米技术创新发展过程中，仍然有很多机会成本。全球气候变化和对清洁能源的迫切需求都是紧急事项，政府有必要对市场效益低的工业产品的发展提供补贴。政策制定者格外注重潜在的好处，希望通过创新和规模化生产，将最终使太阳能和风力发电成本与其他非可再生的能源相比具有竞争力。尚无证据表明能很快实现这一目标。清洁能源的成本会下降，但是下降的速度可能在未来几十年里不会低于煤电的成本。

同时，机会会失之交臂，因为额外的钱都花在了资助清洁能源，本来这笔钱可以用来资助其他的社会发展需要。政策制定者对于因为全球变暖应当放缓发展的观点持不同的态度。因此，我们并没有有效的方法对各种能源选择做出综合的权衡。清洁能源的倡导者认为对各种能源进行成本比较是一种误导。煤、石油和天然气的生产商和供应商并不为他们的产品造成的环境和公众健康损失负责。他们提出对煤炭和化石燃料征收碳税，以弥补社会成本，实现公平竞争。但到目前为止，政客们对于如何应对碳排放税实施可能遭到的抵制并没有多少兴趣。对于很多政客而言，特别是那些所代表的选区拥有很强的石油工业，抵制碳税是否认全球气候变化的主要理由。

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。

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，非凡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。
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，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，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／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用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。
2、在生物医学中应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。
3、在其它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。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。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。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4、在国防科技的应用
纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。 在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为
5、其他领域
除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。

衣
在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。

食
利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准。纳米食品色香味俱全，还有益健康。

住
纳米技术可以使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。

行
纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。

医
利用纳米技术制成的微型药物输送器，可携带一定剂量的药物，在体外电磁信号的引导下准确到达病灶部位，有效地起到治疗作用，并减轻药物的不良的反映。用纳米制造成的微型机器人，其体积小于红细胞。通过向病人血管中注射能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。纳米技术将是健康生活的好帮手。

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