纳米材料论文大全11篇

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纳米发展小史

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。

1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。

什么是纳米材料

纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。

一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

1、纳米技术在防腐中的应用

由加拿大万达科技（无锡）有限公司与全国涂料工业信息中心联合举办的无毒高效防锈颜料及其在防腐蚀涂料中的应用研讨会近日在无锡召开。

中国工程院院士、装甲兵工程学院徐滨士教授，上海交通大学李国莱教授，中化建常州涂料化工研究院钱伯荣总工等业内知名人士分别在会上作了报告，与会者共同探讨了纳米技术在防锈颜料中及涂料中的应用、无毒高效防锈颜料在防腐蚀涂料中的应用以及新型防锈涂料和防锈试验方法发展等课题。

徐院士就当前纳米技术的发展情况作了简单介绍，他指出：纳米技术的研究对人类的发展、世界的进步起着至关重要的作用，谁掌握了纳米技术，谁就站在了世界的前列。我国纳米技术的研究因起步较早，现基本能与世界保持同步，在某些领域甚至超过世界同行业。

作为国内表面处理这一课题的领头人，徐院士重点谈了纳米技术对防锈颜料及涂料发展的促进作用。他说，此前我国防锈颜料的开发整体水平落后于西方发达国家，仍然以红丹、铬酸盐、铁系颜料、磷酸锌等传统防锈颜料为主。红丹因其污染严重，对人体的伤害很大，目前已被许多国家相继淘汰和禁止使用；磷酸锌防锈颜料虽然无毒，但由于改性技术原因，性能并不理想，加上价格太贵，难以推广；而三聚磷酸铝也因价格原因未能大量应用。国外公司如美国的Halox、Sherwin－williams、Mineralpigments、德国的Hrubach、法国的SNCZ、英国的BritishPetroleum、日本的帝国化工公司均推出了一系列无毒防锈颜料，有的性能不错，甚至已可与铬酸盐相比，但均因价格太高，国内尚未引进。我国防锈涂料业亟待一种无毒无害、性能优异而又价格低廉的防锈颜料来提升防锈涂料产品的整体水平，增强行业的国际竞争力。

中化建常州涂料化工研究院高级工程师沈海鹰代表常州涂料院，在题为《无毒高效防锈颜料在防腐蚀涂料中的应用》报告中，详细介绍了复合铁钛醇酸防锈漆及复合铁钛环氧防锈漆的生产工艺、生产或使用注意事项、防锈漆技术指标及其与铁红、红丹同类防锈漆主要性能的比较。

在红丹价格一路攀升的今天，这一信息无疑给各涂料生产厂商提供了巨大的参考价值，会场气氛十分热烈，与会者纷纷提出各种问题。万达科技（无锡）有限公司总工程师李家权先生就复合铁钛防锈颜料的防锈机理、生产工艺、载体粉的选择、产品各项性能指标及纳米材料的预处理方法等一一做了详细介绍。

目前产品已通过国家涂料质量监督检测中心、铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站、机械科学院武汉材料保护研究所等国内多家权威机构的分析和检测，同时还经过加拿大国家涂料信息中心等国外权威机构的技术分析，结果表明其具有目前国内外同类产品无可比拟的防锈性能和环保优势，是防锈涂料领域划时代产品，为此获得了中国专利技术博览会金奖.复合铁钛粉及其防锈漆通过国家权威机构的鉴定后已在多个工业领域得到应用，并已由总装备部作为重点项目在全军部分装备上全面推广使用。

本次会议的成功召开，标志着我国防锈涂料产业新一轮的变革即将开始，它掀开了我国防锈涂料朝高品质、高技术含量、高效益及全环保型发展的崭新一页。其带来的经济效益、社会效益不可估量。这是新型防锈颜料向传统防锈颜料宣战的开始，也吹响了我国防锈涂料业向高端防锈涂料市场发起冲击的号角2、纳米材料在涂料中应用展前景预测

据估算，全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。目前，发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心，2001年年初把纳米技术列为国家战略目标，在纳米科技基础研究方面的投资，从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元，准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心，把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点，将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域，全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在人类进入21世纪之际，纳米科学技术的发展，对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说，21世纪将是一个纳米世纪。

由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高，所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级，产业化市场前景极好。

在纳米功能和结构材料方面，将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品，以及对传统材料改性；将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。预期十五期间，各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团，将对国民经济产生重要影响；纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域，将产生新的经济增长点。

纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。

我国每年房屋竣工面积约为18亿平方米，年增长速度大约为3％。18亿平方米的建筑若全部采用建筑涂料装饰则总共需建筑涂料近300万吨，约200～300亿元的市场。目前，我国建筑涂料年产量仅60多万吨，世界现在涂料年总产量为2500万吨，每人每年消耗4千克，为发达国家的1／10，中国人年均涂料消费只有1.5千克。因而，建筑涂料具有十分广阔的发展前景。

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压电陶瓷作为精密位移器件的主要原理是通过对其加载电压，可以实现轴线方向上的膨胀或收缩，精度可以利用稳压电源的电压加载步长控制到纳米尺度，因此被广泛地应用于精密位移器当中，诸如德国Auburn、MA、PICeramic等公司，即专门用压电陶瓷来制作各种位移器件。图1为耦合在光学显微镜下的装置示意图，该装置采用压电陶瓷作为精密位移驱动元件，压电陶瓷的左端固定，右端为一自由端，在左端固定端配备一个三自由度粗调装置，该三自由度粗调装置的一端为样品固定端A端，A端可通过三自由度粗调装置进行三个维度的位置调节。在压电陶瓷的另一端装备样品固定端B端。B端固定不可调节，为了使样品能够很好地固定在A、B两个样品固定端，可以通过三自由度粗调装置将A端平面与B端平面调节到近乎一个水平面，以确保样品是受到单轴拉伸作用力，同时将A与B端之间狭缝的距离控制在2μm以下，以确保比较短的样品可以顺利地搭载在两个样品固定端上。将搭载好样品的拉伸装置放置在光学显微镜下实现对样品的观测。光学显微镜上耦合CCD摄像系统，既可以实现动态的观测，也可以实现静态的图像捕捉，如图1所示，从外接电脑上实时监测。

1.2器件成型制作

根据上述设计原理，自行加工设计并制作了一套基于压电陶瓷柱的纳米材料拉伸装置，如图2所示。图2a为自制的拉伸装置的图片，由图片可以看出，整套装置的长度小于10cm，在该套仪器上制作了用于粗略调节A端位置的粗调旋钮，在固定端B端固定一条用于力的定量化测量的原子力悬臂梁针尖，在光学显微镜下将纳米线的两端分别固定在A、B两端，逐步调节电源的加载电压，驱动压电陶瓷发生伸长变形，驱动B端运动，实验图像或录像通过光学显微镜上的CCD成像系统传输至电脑上，在电脑上实时监测纳米线拉伸过程中的各个环节。图2b为安装的悬臂梁针尖的光学放大照片。

1.3加载力计算方法

加装了悬臂梁针尖以后，在悬臂梁变形不是很大的情况下（悬臂梁尖端所偏转的角度在5°以下时），施加在样品上的力可以通过以下方法计算出来，图3为悬臂梁受力示意图。假设偏转角度很小（小于5°），则悬臂梁所受到的力F的值可以用式（1）计算：F=KLoSinθ（1）其中，K为悬臂梁的劲度系数，Lo为悬臂梁尖端处距离底端的距离，θ为悬臂梁变形前后悬臂梁现位置与原位置之间的夹角。如果纳米线没有搭载在悬臂梁的最前端，而是搭载在了距离底端为L距离处，则此时纳米线的受力应为：F=K(Lo2/L)Sinθ，（2）此时只需在CCD捕捉到的图像上测量出θ和L的值即可计算出力的大小。

1.4拉伸装置与扫描电子显微镜的耦合

可以将该装置耦合在扫描电镜中进行原位拉伸实验，通过扫描电镜的高分辨成像系统实现纳米尺度的原位实时观测。图4为将该拉伸装置耦合在扫描电镜中的照片，从图中可以看出，由于该装置十分的小巧，可以很方便地耦合在扫描电镜中，利用扫描电镜中的微机械手（图4中黄色尖头所指示）系统还可以实现纳米材料的力、电耦合特性的测试。

2.纳米材料拉伸实例——氧化硅纳

米线力学性能的定量化表征

2.1SiO2纳米线的制备与表征

作为地壳中含量最高的组成部分——氧化硅玻璃，由于其具有非常优越的物理和化学等性能，被广泛地应用在电子、光学等各个领域，可以说随处可见氧化硅玻璃的身影。氧化硅玻璃是经高温液态快速冷却所形成的一种有着非晶态结构的物质，将其加工制成的薄膜、玻璃纤维、玻璃微柱、小颗粒、玻璃悬臂梁等在微电子和纳电子机械系统中常作为元器件使用。但是，氧化硅玻璃有一个比较致命的弱点就是常温下且体材料状态下，表现为典型的脆性断裂[9-10]（氧化硅玻璃的玻璃转变温度高于1100oC[9,11]），导致脆性断裂主要是由其体材料内部存在的缺陷和微裂纹的扩展所致[12]。随着氧化硅玻璃制备的二维薄膜和其他小尺度材料广发应用在各个领域，氧化硅薄膜及维纳尺度氧化硅材料所表现出来的力学行为[13-14]就将影响以上述材料为基本单元的元器件的可靠性能及使用寿命。所以，构建微纳尺度的力学性能检测装置并系统考察该材料在微纳尺度的力学行为就显得尤为迫切，通过该项工作的开展期望对当前纳米器件的设计和开发提供必要且可靠的借鉴。本实验所采用的非晶SiO2纳米线是利用热蒸发一氧化硅粉获得的[15]。从图5a可以看出制备的SiO2纳米线的直径大都为15~50nm。纳米线的长度都在几十微米以上，甚至可以达到几百微米或毫米级别。图5b为TEM下单根SiO2纳米线的照片；图5c为图5b中纳米线的选区电子衍射图，从选区电子衍射图中可以看到，该纳米线为非晶结构特征，利用能谱分析进一步确定了纳米线的成分，如图5d所示。通过能谱分析可以断定该样品中的成分为硅和氧，从图5e给出的定量化分析上得到硅元素和氧元素的原子比大约为1:1.9（主要是由于纳米线内部存在的大量氧空位所致），非常接近1:2。

2.2氧化硅纳米线光学显微镜下的原位拉伸实验

将单根SiO2纳米线的两端分别搭载在纳米材料拉伸装置的样品固定端A、B两端，将拉伸装置放置在光学显微镜下，通过CCD系统实现原位观测，图6为从CCD录得的Movie中截取的系列拉伸照片。通过图6a~图6h，可以将悬臂梁偏转的角度计算出来，从而确定其所受到的力的大小，图6d中悬臂梁发生了角度最大的偏转，偏转角度达到了2.1°，此悬臂梁的总长度为453μm，纳米线搭载点到底端的长度为310μm，该悬臂梁的进度系数为2N/m，则根据公式（2）可计算出此时施加在纳米线上的力约为22.7μN，但是由于光学显微镜分辨率的限制，使得我们不能最终得到纳米线所发生的应变，因此无法给出应力—应变曲线，所以在更进一步的实验中将此纳米材料拉伸装置按照图4所示放入了扫描电镜中，利用扫描电镜高分辨率的成像实现了更高分辨率的原位实验。图7为一套扫描电镜中实现的氧化硅纳米线的拉伸变形实验，根据扫描电镜记录的悬臂梁的偏转角度，可以将每一步中施加在纳米线上的力计算出来，然后根据纳米线的直径及截面积可以将此单根纳米线的应力—应变曲线描绘出来。图8为此单根纳米线的应力—应变曲线图。

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1．1．1以原核细胞为模板制备纳米材料细菌和放线菌被广泛应用于金属纳米颗粒的合成，其中一个原因就是它们相对易于操作。最早着手研究的Jha等［2］用乳酸杆菌引导在室温下合成了尺寸为8～35nm的TiO2纳米粒子，并提出了与反应相关的机理。随着纳米材料的生物合成的逐渐发展，现在已成功合成了以不同菌为模板的不同形貌的纳米材料。Klaus等［3］在假单胞菌（Pseudomonasstutzeri）的细胞不同结合位点处制备并发现了三角形，六边形和类球形的Ag纳米粒子，其粒径达200nm。Ahmad等［4］从一种昆虫体内提取了比基尼链霉菌（Streptomycesbikiniensis），并以此制备出3～70nm的球形Ag纳米颗粒。Nomura等［5］以大肠杆菌为模板成功制备出平均孔径为2．5nm的杆状中空SiO2，其比表面积达68．4m2／g。

1．1．2以真核细胞为模板制备纳米材料真核细胞相比较原核细胞种类更为广泛，培养更为方便，所以以此为模板的生物合成的研究更多。最简单的单细胞真核生物小球藻可以富集各种重金属，例如铀、铜、镍等［6］。Fayaz等［7］以真菌木霉菌（Trichodermaviride）为模板在27℃下合成了粒径为5～40nm的Ag纳米粒子，并且发现青霉素，卡那霉素和红霉素等的抗菌性在加入该Ag纳米粒子后明显提高。Lin等［8］发现HAuCl4中金离子在毕赤酵母（Pichiapastoris）表面先发生了生物吸附然后进行生物还原，从而得到Au纳米粒子。研究发现金离子被酵母菌表面的氨基、羟基和其它官能团首先还原成一价金离子，并进一步被还原成Au纳米颗粒。Mishra等［9］以高里假丝酵母（Candidaguilliermondii）为模板合成了面心立方结构的Au和Ag纳米粒子，两种纳米粒子对金黄色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的对比试验表明化学方法合成的两种粒子对致病菌均不具有抗菌性。Zhang等［10］则以酵母菌为模板合成了形貌均一Co3O4修饰的ZnO中空结构微球。尖孢镰刀菌（Fusariu－moxysporum）［11］可以在其自身表面将米糠的无定型硅生物转化成结晶SiO2，形成2～6nm的准球形结构。

1．2以多细胞生物体为模板制备纳米材料虽然以单细胞为模板制备的纳米粒子的单分散性较好，但是要涉及到生物体复杂的培养过程及后续处理，而以多细胞生物体为模板的制备方法就显得更加方便简捷。

1．2．1以多细胞植物体为模板制备纳米材料地球上的植物种类很多，以其为模板的纳米材料的生物合成也就多种多样。多数情况下是将植物体培养在含有金属离子的溶液中，然后将植物体除去便可得到复制了植物体微结构的纳米材料。Rostami等［12］将油菜和苜蓿的种子培养在含有Au3＋的溶液中，将金离子变成纳米Au粒子，其大小分别是20～128nm和8～48nm。Dwivedi等［13］以藜草（Chenopodiumalbum）为模板分别制备出平均粒径为12nm和10nm的Ag和Au纳米晶体，并认为藜草中天然的草酸对于生物还原起着重要作用。Cyganiuk等［14］以蒿柳（Salixviminalis）和金属盐为原料制备出碳基混合材料LaMnO3。将蒿柳培植在含有金属盐的溶液中，金属盐离子顺着植物组织进行传输，进而渗透其中。然后将木质素丰富的植物体部位在600～800℃范围进行煅烧碳化，得到的产物对正丁醇转化成4－庚酮有很好的催化效果。黄保军等［15］以定性滤纸通过浸渍和煅烧等一系列过程仿生合成了微纳米结构的Fe2O3，并且对其形成机理进行了初步探讨。Cai等［16］以发芽的大豆为模板，制备出室温下便有超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，其平均粒径仅为8nm。王盟盟等［17］以山茶花花瓣为模板通过浸渍煅烧制备出CeO2分层介孔纳米片，并且在可见光波段有很好的催化活性。

1．2．2以多细胞动物体为模板制备纳米材料以多细胞动物体为模板的纳米材料的制备比较少，其中以Anshup等［18］的研究较为突出。他们分别试验了人体的癌变宫颈上皮细胞、神经细胞和未癌变正常的人类胚胎肾细胞。这些人体细胞在模拟人体环境的试管中进行培养，培养液中含有1mmol／L的HAuCl4。最终得到20～100nm的Au纳米颗粒。细胞核和细胞质中都有Au纳米粒子沉积，并且发现细胞核周围的Au粒子粒径比细胞质中的小。

2以生物体提取物或组成成分中的有效成分制备纳米材料

生物体中含有很多还原稳定性成分，如果将这些成分提取出来，就可以脱离生物体原有形貌的束缚，得到绿色无污染的生物还原剂，进而以其制备纳米材料。很多糖类，维生素，纤维素等生物组成成分也被证实有很好的生物还原稳定作用，这就使得纳米材料的绿色生物合成更加方便快捷。

2．1以微生物提取物为有效成分制备纳米材料以微生物的提取物为活性成分制备的纳米材料多数是纳米Ag和纳米Au，而且这两种粒子具有杀菌的效果。而以微生物提取物制备的纳米材料粒径更小，并且普遍也比一般化学方法合成的粒子有更好的杀菌效果［9］。Gholami－Shabani等［19］从尖孢镰刀菌（Fusariumoxysporum）中提取了硝酸盐还原酶，并用其还原得到平均粒径为50nm的球形纳米Ag颗粒，并且对人类的病原菌和细菌有很好的抗菌效果。Wei等［20］和Velmurugan等［21］分别用酵母菌和枯草杆菌提取液成功合成了不同粒径及形貌的纳米Ag颗粒。提取物中的还原性酶是促进反应进行的重要成分。Inbakandan等［22］将海洋生物海绵中提取物与HAuCl4反应制备得到粒径为7～20nm的纳米Au颗粒，主要得益于其中的水溶性有机还原性物质。Song等［23］则从嗜热古菌（hyperther－mophilicarchaeon）中提取出高耐热型腾冲硫化纺锤形病毒1（Sulfolobustengchongensisspindle－shapedvirus1）的病毒蛋白质外壳。并且发现实验条件下在没有遗传物质时其蛋白质外壳仍可自组装成轮状纳米结构。与TiO2纳米粒子呈现出很好的亲和能力，在纳米材料的生物合成中将有广阔的应用前景。

2．2以植物提取物为有效成分制备纳米材料生物提取物制备纳米材料的研究最多的是针对植物提取物的利用，因为地球上植物种类众多，为纳米材料的生物合成提供了众多可能性。Ahmed等［24］以海莲子植物（Salicorniabrachiata）提取液还原制得Au纳米颗粒，其粒径为22～35nm。制备出的样品对致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氢化钠还原4－硝基苯酚为4－氨基苯酚，也可催化亚甲基蓝转化成无色亚甲蓝。Velmurugan等［25］和Kulkarni［26］分别用腰果果壳提取液和甘蔗汁成功制备出纳米Ag和纳米Ag／AgCl复合颗粒，其均有很好的杀菌效果。Sivaraj等［27］用一种药用植物叶子（Tabernaemontana）的提取液制备了对尿路病原体大肠杆菌有抑制作用的球形CuO纳米颗粒，其平均粒径为48nm。

2．3以生物组成成分为有效成分制备纳米材料碳水化合物是生物体中最丰富的有机化合物，分为单糖、淀粉、纤维素等。其独特的结构和成分可以用来合成各种结构的纳米材料。Panacek等［28］测试了两种单糖（葡萄糖和半乳糖）和两种二糖（麦芽糖和乳糖）对［Ag（NH3）2］＋的还原效果，其中由麦芽糖还原制备的纳米Ag颗粒的平均粒径为25nm，并且对包括耐各种抗生素的金黄葡萄球菌在内的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有很好的抑制作用。Gao等［29］和Abdel－Halim等［30］分别用淀粉和纤维素还原硝酸银制得了不同粒径的Ag纳米粒子，对一些菌体同样有很好的抗菌性。维生素是人体不可缺少的成分，在人类机体的新陈代谢过程中发挥着重要作用，是很好的稳定剂和还原剂。Hui等［31］用维生素C还原制备了Ag纳米颗粒修饰的氧化石墨烯复合材料，将加有维生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液进行超声反应，得到的Ag纳米颗粒平均粒径为15nm，并附着在氧化石墨烯纳米片表面。Nadagouda等［32］用维生素B2为还原活性成分室温下合成了不同形貌（纳米球、纳米线、纳米棒）的纳米Pd。并且发现在不同的溶剂中制备的纳米材料的形貌和大小不同。

3以病毒为模板制备纳米材料

病毒本身没有生物活性，可以寄宿于其它宿主细胞进行自我复制，其实际上是一段有保护性外壳的DNA或RN段，大小通常处于20～450nm之间，其纳米级的大小使得以其为模板更易于制备出纳米材料。Shenton等［33］以烟草花叶病毒为模板制备了Fe3O4纳米管。因为烟草花叶病毒是由呈螺旋形排列的蛋白质单元构成，内部形成中空管。以此为模板制备出来的Fe3O4也复制了这一结构特点而呈现管状结构。由于烟草花叶病毒的尺寸小但稳定性高，使得它被频频用来作为纳米材料生物合成的骨架［34－36］。Dang等［37］则以转基因M13病毒为模板制备了单壁碳纳米管－TiO2晶体核壳复合纳米材料。实验发现以此为光阳极的染料敏化太阳能电池的能量转换效率达10．6％。

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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，特别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.在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

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.在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入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。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，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。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

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。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。

篇（5）

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，特别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.在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

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.在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入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。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，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。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来

检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

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。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。

篇（6）

有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。

一、纳米材料的特殊性质

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。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、剂等领域。

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。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，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。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、石油钻探等恶劣环境下使用。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而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，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

（三）电学性质

由于晶界面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——绝缘体转变（SIMIT）。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。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

（四）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。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。转（五）光学性质

纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。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。

（六）生物医药材料应用

纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳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药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。

二、纳米技术现状

目前在欧美日上已有多家厂商相继将纳米粉末和纳米元件产业化，我国也在国际环境影响下创立了一（下转第37页）（上接第26页）些影响不大的纳米材料开发公司。美国2001年通过了“国家纳米技术启动计划（NationalTechnologyInitiative）”，年度拨款已达到5亿美圆以上。美国科技战略的重点已由过去的国家通信基础构想转向国家纳米技术计划。布什总统上台后，制定了新的发展纳米技术的战略规划目标：到2010年在全国培养80万名纳米技术人才，纳米技术创造的GDP要达到万亿美圆以上，并由此提供200万个就业岗位。2003年，在美国政府支持下，英特尔、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立研究中心，在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。许多大学也相继建立了一系列纳米技术研究中心。在商业上，纳米技术已经被用于陶瓷、金属、聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂与化妆品、电子元件等的制备。

目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。早在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中，现在又将纳米技术列入欧盟2002——2006科研框架计划。日本在纳米设备和强化纳米结构领域处于世界先进地位。日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大重点领域，加大预算投入，制定了宏伟而严密的“纳米技术发展计划”。日本的各个大学、研究机构和企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技术开发大潮中来。

中国在上世纪80年代，将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。目前我国有50多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

三、前景展望

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

篇（7）

有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。

一、纳米材料的特殊性质

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，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。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、剂等领域。

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。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，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。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、石油钻探等恶劣环境下使用。

（二）磁学性质

当代机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而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。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，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

（三）电学性质

由于晶界面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——绝缘体转变（SIMIT）。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。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

（四）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。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

（五）光学性质

纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中广泛。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。

（六）生物医药材料应用

纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳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药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。

二、纳米技术现状

在欧美日上已有多家厂商相继将纳米粉末和纳米元件产业化，我国也在国际环境下创立了一（下转第37页）（上接第26页）些影响不大的纳米材料开发公司。美国2001年通过了“国家纳米技术启动计划（NationalTechnologyInitiative）”，年度拨款已达到5亿美圆以上。美国战略的重点已由过去的国家通信基础构想转向国家纳米技术计划。布什总统上台后，制定了新的纳米技术的战略规划目标：到2010年在全国培养80万名纳米技术人才，纳米技术创造的GDP要达到万亿美圆以上，并由此提供200万个就业岗位。2003年，在美国政府支持下，英特尔、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立中心，在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。许多大学也相继建立了一系列纳米技术研究中心。在商业上，纳米技术已经被用于陶瓷、金属、聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂与化妆品、元件等的制备。

目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础等多方面处于世界领先地位。欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。早在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中，现在又将纳米技术列入欧盟2002——2006科研框架计划。日本在纳米设备和强化纳米结构领域处于世界先进地位。日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大重点领域，加大预算投入，制定了宏伟而严密的“纳米技术发展计划”。日本的各个大学、研究机构和界也纷纷以各种方式投入到纳米技术开发大潮中来。

在上世纪80年代，将纳米材料列入国家“863计划”、和国家基金项目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。目前我国有50多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

三、前景展望

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

篇（8）

2方法研究

2．1介孔二氧化钛方法研究因为二氧化钛在材料科学领域具有重要的应用价值，目前最主要的研究方法是水热法、溶剂热法、模板法、溶胶凝胶法等合成方法实现了对二氧化钛结构与形态的控制［4］。

2．1．1水热分解法主要是采用两步水热法合成二氧化钛介孔球，首先是反应过程中将乙酸钛与乙二醇混合均匀，将此混合液加到丙酮与水的混合液中得到前驱体，最后将前驱体在加热条件下回流，即可得到二氧化钛介孔球。在利用水热法分解二氧化钛介孔材料的过程中，由于含钛的前驱体对反应体系中的水较为敏感，从而导致水解速度过快，所以得到的反应物往往是不规则的形态，从而由于颗粒的严重聚集，得不到分散较优的结构，在此基础上，模板法和溶剂热法便在这种情况下出现。

2．1．2模板法模板法一般分为软模板法和硬模板法。主要以软模板法为例研究，采用软模板法可以得到二氧化钛介孔球其具体步骤是以有序的二氧化硒小球为模板，将模板侵湿在甲基丙烯酸甲酯溶液中，利用HF溶液将内部将二氧化硒小球刻蚀，剩下的聚甲基丙烯酸甲酯的网眼，再将聚甲基丙烯酸甲酯的网眼侵湿在含钛前驱体中，最后将所得的产物在400摄氏度的空气中煅烧就可以得到二氧化钛介孔小球［5］。利用模板法合成二氧化钛材料，最后一步都是对模板剂的除去，利用煅烧法除去模板剂，有利于结晶性的提高，但是不利于最后的材料成型，而利用化学溶剂进行除剂，会造成材料结构发生变化，从而使样品受到污染。

2．1．3溶剂热法溶剂热法既能克服水热法水解过快的缺点，也能克服模板法除去模板剂的复杂等缺陷，一般使用的溶剂主要有单一溶剂和混合溶剂两种，在利用溶剂热法的时候，一般是将一种或几种的前驱体溶解在有机溶剂中，虽然这种方法相对简单易于控制，但是前驱体在有机溶剂中的形式却不是很乐观。

2．2纳米二氧化钛掺杂方法分析二氧化钛是紫外线光响应的光催化剂，所以二氧化钛对可见光的吸收相对较弱，因此制造光催化剂就变得尤为重要。目前使用较多的是对二氧化钛材料进行掺杂，包括金属掺杂和非金属掺杂、共掺杂以及贵金属负载等，利用这种方法可以得到结晶性好、电子－空穴复合率低和具有可见光响应的二氧化钛。因此利用不同的合成方法，可以得到不同形貌的二氧化钛的材料，如纳米球、纳米管、纳米线以及三维的微球结构等新材料。这些新的材料被应用到了太阳能电池和锂离子电池、生物技术、污水处理等方面，并且取得了良好的经济和社会效益［6］。

2．2．1金属掺杂对二氧化钛进行金属掺杂，同样可以达到减小带隙宽度的目的。在金属掺杂的试验中，掺杂后可以改进纳米晶体在非极性溶剂中的溶解度和分散性，使得二氧化钛的材料的精密度进一步提高，使得分解出的纳米材料更好的被应用到航空和航天类高精密度的行业中。

2．2．2非金属掺杂因为二氧化钛具有较大的带隙能，对可见光的反应较差，因此可以通过二氧化钛的非金属掺杂，让非金属元素参与到二氧化钛的导带的杂化中，从而可以有效的解决导带和价带之间的能量差，最终研制出可见光感应的催化剂。

2．2．3共掺杂对二氧化钛进行单一元素的掺杂，只能在一定程度上增大二氧化钛的价带能或者减小其导带能，从而减小二氧化钛的带隙宽度，最后将其改性为可见光感应的催化剂，然后，可以同时对二氧化钛价带和导带能进行处理，使二氧化钛价带能级顶部增大，同时使其导带能级底部降低，所以，对二氧化钛进行多种元素共掺杂的研究和探索就出现了。对二氧化钛材料进行共掺杂的研究在不断更新，可以进一步归纳为:金属－金属共掺杂，金属－非金属共掺杂以及非金属－非金属掺杂［7］。

3介孔二氧化钛的应用方向

近几年来，我国加大了对二氧化钛技术的研究力度，介孔二氧化钛纳米材料得到了广泛的应用和普及，渐渐影响了人们的日常生活和工作，强力推动了相关产业的发展步伐，其中面积体积大，孔分布广且均匀是二氧化硅纳米材料最为突出的特性，在这种研究背景下，相关的工作人员进行了大范围的研究活动，并生产出了依附离子、锂离子及太阳能电池，光催化剂等专业应用技术。

3．1光催化剂光催化剂主要的应用原理是电子空穴对，良好的量子运作效率和完全无毒无害是它的主要特点，由于二氧化钛具有比较高的稳定性，针对这种物理化学特性，利用相关光子的激发，成为电子，在这个过程中当催化剂被来自光子的能量进行大幅度吸收时，充分利用这一部分的能量大于间隙的空间，用强光照射半导体，从而刺激其产生电子空穴对现象。这种过程的主要目的是可以自主自发的与表面吸附的物体发生还原氧化反应，这种技术经常被应用在杀菌或者是杀毒方面。经过现代专业的专家学者相关研究发现，二氧化钛材料经过相关的金属掺杂技术的应用和实践，将大幅度影响可见光性的二氧化硅化学反应。

3．2太阳能电池技术现阶段，很多的介口二氧化硅纳米材料在光敏性的太阳能电池方向得到了广泛地应用，这一部分得到了很多专家学者的关注，首先在光敏性太阳能材料的选择上，更大的体表面积和节能上面具有有序性是其考虑选择的前提条件，它的主要发展技术最大程度上将太阳的光能转为电能，二氧化硅材料的好坏将直接影响其转化率的高低，也决定了太阳能电池技术的整体水平，目前在这种应用中，具有相互性和连通性的介孔二氧化硅薄膜最为人们普遍使用。在我国青海和宁夏等地区，利用太阳能光进行发电，全面服务于人们的生活和工作中，保证了发电的质量和效率，太阳能电池技术不仅仅反映了中国科学的进步，还推动了整体二氧化钛纳米技术的发展步伐，为实现中国能源的可持续发展提高根本动力［8］。

3．3锂离子电池技术由于介口二氧化硅纳米材料的自身特色，锂离子电池技术应运而生，首先这种技术具有体积小，容量大的特点，具有比较低的毒性，因此被广泛的应用和普及，这种锂离子电池技术成本小，效率高，在生产过程中简单安全，经过大量的用户使用，获得了普遍的好评，在制作过程中可以根据自身要求来进行电压设计，制成各种容器。

3．4离子吸附介口二氧化硅材料近几年被专注于我国的脏污水处理方面，主要是将介口二氧化硅的化学物质与其他化合物发生反应，将水中的化合物进行吸附交换，从而将脏水中的砷化合物进行处理，最终达到离子吸附清洁的目的。

4介孔二氧化钛应用研究展望

通过以上具体的研究我们可以看出，介孔二氧化钛纳米材料在我国得到了快速的发展和广泛的应用，介孔二氧化钛纳米材料通过相关过程的掺杂，以及合成得到了深度的研究，从传统意义上来说，模板法、凝胶溶胶、溶剂、水热法等等，是其主要采用的合成方法，采用的合成方法不同导致二氧化钛最终表现的面貌不同。通过二氧化钛材料自身的性能因素，我们可以看出，国内的研究产物主要应用为锂离子电池，有无有害物质处理，太阳能电池，和光催化剂等等，在人们的生活和工作的方方面面都有不同程度的影响，将这些技术得以深度的研究和开发，最终对社会经济和科学文化的进步有积极的促进作用。其次，二氧化钛纳米技术在人们的医学和建筑方面都有一定的造诣。例如，先进的介孔二氧化钛纳米技术对人类移植血管，支架血管，和人造器官方面具有良好的应用，可以在一定程度上阻碍增殖细胞的发生，最后介孔二氧化钛可以应用于光催化和消灭细菌的技术之中，在一定程度上减少了室内材料危险的发生，保证了安全性，其次，介口二氧化钛纳米技术在生物和保护生态方面发挥着积极的作用。国内相关纳米技术研究者认为，对纳米材料展开研究，就一定要将纳米材料的表征研究和纳米材料的制备科学放在首先考虑的前提。作为物理问题，对制备科学本身的概念以及流程应该进行深入的研究，对于制备材料中出现的科学问题应注意及时的进行解决和总结。

篇（9）

1.1物理吸附束缚功能离子液体Hlderich等［31，32］报道不同金属氯化物的Lewis酸性离子液体(Al-ILs，Sn-ILs和Fe-ILs)杂化的非孔的无定形SiO2材料(图4)。他们分别通过芳香化合物的液相和气相酰基化反应对这些催化材料进行评价，发现这些新型的离子液体杂化SiO2催化材料表现出较高的催化活性和选择性，尤其是Fe-ILs/SiO2催化剂表现出最好的催化性能。但是，这些催化材料在液相反应过程中表现出明显的活性组分流失的问题，而在气相反应过程中则可以避免活性组分流失的问题。因此，对于这种物理吸附来束缚离子液体的催化剂其本质的催化过程是否属于多相催化存在质疑。Karimi等［33］将一种疏水的Brnsted酸性离子液体引入到—SO3H改性的有序介孔硅基材料SBA-15的纳米孔道内(图5)。这种带电的离子液体与相邻的磺酸基团的静电相互作用将其有效地束缚在SBA-15的纳米孔道内，同时由于两者的协同作用加强了酸强度，从而在室温下对醇和羧酸的酯化反应表现出了优异的催化性能(产率93%)。另外，由于离子液体本身的疏水性质促进了反应物的传质扩散性能和产物水分子的脱除。

1.2化学键结合锚定功能离子液体化学键结合的方法是一种最为普遍有效的杂化方法，这种方法可以将离子液体稳定地锚定在载体的表面和孔道内。Luo等通过共缩合的方法将二元的Brnsted酸性离子液体嫁接在硅胶的表面，这种酸性离子液体杂化的SiO2催化材料能够有效地催化多组分反应一步合成氨基烷基萘酚，并且该催化剂能够循环使用6次没有明显的失活(图6)。Yang等报道了一种首先用离子液体改性的SBA-16的介孔纳米笼，然后将一种含氮的卡宾Pd的配合物催化剂(NHC-Pd/SBA-16-IL)引入到纳米笼内，这种新型的催化材料结合了均相催化剂和SBA-16纳米笼微环境的共同优点，对Suzuki偶联反应和Heck反应表现出优异的催化性能和重复使用性能(图7)。Han等制备了一种离子液体杂化的Al-MCM-41催化材料，这种催化剂表面同时具有Lewis和Brnsted酸性位点，能够有效催化CO2和环氧氯丙烷的环加成反应(图8)。Park等在合成SBA-15的过程中原位引入ImCl离子液体，利用微波辐射直接合成了一种离子液体杂化的薄片状SBA-15介孔催化材料(图9)。这种催化剂的孔道长度(200～500nm)可以通过有机硅烷和硅酸钠的摩尔比来控制合成，并且其孔道的长度和离子液体的担载量对Knoevenagel缩合反应具有一定的影响。结果发现7.5%的ILs能够合成出较短的介孔孔道，有利于反应物的传质和扩散，从而表现出最佳的催化性能。Guan等报道了一种一步共缩合制备乙烯基磺酸离子液体杂化的SiO2催化材料，并将这种催化剂应用于一系列的酯化反应，结果发现该催化剂表现出较好的催化活性和重复使用性。

2离子液体杂化磁性纳米材料

磁性催化纳米材料在催化应用中更容易实现催化剂和反应体相的分离，因此磁性杂化催化材料引起了越来越多的关注。Fe3O4是最常见的磁性材料，其合成方法简单，表面可以选择功能化，同时也很适合制备核壳结构的新型材料。Alper等通过有机硅烷咪唑离子液体改性Fe3O4纳米颗粒，改性后的Fe3O4纳米颗粒由于表面存在烷基链在有机溶剂中更趋于稳定，不容易发生团聚。通过引入贵金属前驱体K2PtCl4，经肼还原得到负载Pt纳米粒子的磁性催化剂。这种催化剂在炔烃的选择加氢反应中可以高选择性得到顺式产物，并且通过磁性诱导很容易回收利用(图11)。Taher等根据相同的方法首先用有机硅烷功能化的咪唑离子液体对磁性纳米Fe3O4表面进行改性，然后进一步引入均相含氮杂环的卡宾Pd的配合物催化剂。通过Suzuki偶联反应对该催化剂进行了活性评价，结果发现该催化剂能够有效催化该反应，而且对不同底物的偶联反应均表现出优异的催化性能。同时，在磁场的作用下很容易分离，循环使用5次后反应产率依然能够保持93%。丙基三甲氧基硅烷(MPS)偶联剂首先对Fe3O4纳米粒子改性来引入活性官能团乙烯基，然后在其表面用1-乙烯基-3-(3-磺丙基)咪唑硫酸氢盐(［VSim］［HSO4］)和交联剂1，4-丁基-3，3-双-1-乙烯基咪唑硫酸盐原位嫁接离子液体，制备出一种Brnsted酸性离子液体杂化的磁性纳米Fe3O4催化剂。这种催化剂可以作为一种有效的磁性固体酸催化剂来催化乙醛合成二乙酰化合物，并且可以通过磁性诱导分离重复使用(图13)。无机硅包覆磁性纳米Fe3O4核壳结构材料是另外一种磁性材料。功能离子液体杂化这种核壳类型的磁性催化材料也有一些相关报道。制备这种杂化材料的主要方法一般是通过TEOS原位水解包覆磁性纳米Fe3O4，通过控制TEOS的摩尔量和水解条件来控制核壳结构;然后使其与有机硅烷类型的离子液体硅烷化，从而将离子液体活性组分锚定在其表面(图14)。Luo等［43］报道了3-磺丁基-1-(3-丙基三乙氧基硅烷)咪唑硫酸氢盐的二元Brnsted酸性离子液体杂化的磁性SiO2-Fe3O4催化材料，这种催化剂具有准均相催化剂的特点，可以有效催化三组分(双甲酮、醛、2-萘酚)缩合合成苯氧杂葱酮。Karimi等［44］合成一种含有PdCl42－的离子液体杂化磁性SiO2-Fe3O4催化材料，该催化剂在水相中对Suzuki-Miyaura偶联反应表现出非常高的催化活性，而且对不同卤代芳烃普遍适用。最重要的是，这些离子液体杂化的核壳结构催化材料都能够在外界磁场的作用下迅速分离，继续循环使用。

3离子液体杂化高分子聚合材料

功能离子液体杂化的高分子聚合物材料在催化领域也逐渐受到了越来越多的关注。高分子聚合物由于其化学结构的多样性，可控的选择合成以及表面丰富的有机官能团使其非常适合用来后合成改性。目前，作为催化剂载体的高分子聚合材料主要有聚苯乙烯(PS)、改性树脂、聚乙二醇(PEG)、交联二乙烯基苯、聚电解质和壳聚糖等。You等［45］首次报道了一种新颖的氨基酸离子液体杂化的聚苯乙烯材料。他们首先制备了一种离子液体功能化的聚苯乙烯(PS)小球，然后与脯氨酸离子交换，从而合成出一种脯氨酸离子液体杂化的聚苯乙烯催化材料。这种催化剂能够有效催化咪唑和对芳香化合物的芳基化反应(图15)。Guan等［46］报道了一种硫酸氢盐酸性离子液体杂化的聚苯乙烯小球催化材料。他们首先定向合成了一种具有氯乙基官能团的功能聚苯乙烯小球，然后通过与咪唑季铵化形成离子液体前驱体，进一步与磺内酯作用以及硫酸交换，最终制备出一种酸性离子液体杂化的聚苯乙烯多相催化剂(图16)。该催化剂在酯化反应中表现出优异的催化活性，TON值达到43.8，并且催化剂可以重复使用13次没有明显的失活。Chi等合成了较长烷基链的1-己基-3-甲基咪唑离子液体杂化的聚苯乙烯材料，并将其用于催化亲电取代反应，结果发现这种多相催化材料的催化性能优于均相的离子液体催化性能(图17)。Shen等［49］报道了一种离子液体杂化聚电解质材料，他们首先分别合成一种羧基化的离子液体和氨基化的聚电解质，然后通过酰胺化作用将离子液体嫁接在聚电解质材料上，并且将这种杂化材料用于直接电催化氧化β-酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)反应。Luo等合成了一种双阴离子酸性咪唑离子液体杂化的聚乙二醇材料，这种材料是一种具有吸湿性的棕色液体，可以在空气中和加热条件下稳定存在。他们发现这种材料在低温下不能溶解在甲苯溶剂中，但是升高温度可以使其溶解。根据这样的特性他们通过改变温度来控制溶液的相转变过程，并且将这种温控的两相催化体系应用于三组分(芳香醛、丙二腈和5，5-二甲基-1，3-环己二酮)缩合反应合成吡喃类化合物。这种催化剂不仅呈现出优异的催化性能，并且对不同取代基的芳香化合和活泼亚甲基化合物的缩合产物得到了较高的产率。另外，这种催化剂可以通过温控来选择回收重复利用(图18)。

4离子液体杂化纳米碳材料

近些年来，纳米碳材料的合成和应用是研究热点。纳米碳材料主要包括C60，单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotubes，SWNTs)、多壁碳纳米管(multi-walledcarbonnanotubes，MWNTs)、纳米碳球和石墨烯(图19)。其中，多壁碳纳米管和石墨烯一直受到广泛的关注，这是因为他们的碳原子以sp2杂化为主，形成了高度离域化的π电子共轭体系，而且表面的缺陷和端口都会形成具有较强化学活性的碳原子，使得他们具有特殊的化学反应性，通过一定的化学反应可对其表面进行化学功能化处理来引入官能团(如羧基和卤素)。Chen等用3-乙基-1-乙烯基咪唑四氟硼酸离子液体(［VEIM］BF4)对碳纳米管(CNTs)进行预处理，利用乙烯基与CNTs表面发生的自由基聚合反应，在其表面形成离子液体聚合物，进一步在其表面引入贵金属Pt和PtRu纳米粒子。结果发现这种离子液体聚合膜在CNTs表面呈正电性，可以阻止贵金属纳米粒子的团聚长大。与普通CNTs负载的贵金属Pt和PtRu纳米粒子相比，通过离子液体聚合膜改性后的纳米粒子的粒径更小，并且分布更均匀。这种杂化材料作为电催化剂对甲醇的直接氧化表现出较好的性能(图20)。Wang等在N，N-二环己基碳二亚胺(DCC)偶联剂的作用下将1-(3-氨丙基)-3-甲基咪唑溴化物离子液体与CNTs表面的羧基发生缩合作用，形成一种离子液体杂化的CNTs材料。通过阴离子交换的过程将贵金属前驱体K2PtCl4引入到杂化材料的表面，然后用维生素C还原，制备出Pt纳米粒子沉积在离子液体杂化的CNTs的表面上。结果发现有通过改变离子液体的量来控制合成的Pt纳米粒子在CNTs表面的分散度，Pt纳米粒子的平均粒径大约为3nm(图21)。Lee等［54，55］报道了氨基咪唑溴化物离子液体共价键杂化的MWNTs，这种离子液体在水中具有非常好的溶解性，因此他们将杂化后的ILs-MWNTs分散到水体系中，加入贵金属前驱体Na2PdCl4，在室温下用H2还原，制备出离子液体稳定Pd纳米粒子杂化的MWNTs材料。这种催化材料对烯烃的加氢反应表现出优异的催化性能(图22)。Kim等利用离子液体杂化的石墨烯来锚定Mn3O4纳米粒子。他们首先用氨基功能的离子液体修饰氧化石墨烯表面，在N，N-二环己基碳二亚胺(DCC)环境下使氨基与羧基缩合来固定氨基离子液体，再锚定Mn3O4纳米粒子。这种杂化材料被用来作为Zn-空气电池的电化学催化剂，结果发现离子液体不仅仅增加了电池系统的传导性，而且可以与石墨烯协同催化氧化还原反应(图23)。Lee等报道了一种Au-ILs杂化的石墨烯材料，他们研究发现Au纳米粒子在离子液体杂化的石墨烯表面可以加强电子转移速率，降低电荷转移的阻抗，增大电催化的面积。

5离子液体杂化金属有机骨架材料

金属有机骨架(MOFs)配位聚合物是一种新纳米多孔材料。近年来，它们在气体储存、吸附和分离，药物的储存和缓释以及多相催化等领域引起了广泛的研究。MOFs材料是利用有机桥联配体与无机金属离子通过超分子自组装而形成的有机-无机杂化类多孔框架材料(图24)。这种材料本身的骨架结构、化学组成以及孔径可以通过选择不同金属离子和有机配体来控制合成。因此，这种具有开放骨架结构的MOFs材料呈现出很多独特的化学和结构特性，如较大比表面积、高孔隙率、化学和结构多样性等。另外，本身结构中的金属中心和有机配体可以作为一些功能位点来引入一些催化活性的客体分子，从而形成一种新型的杂化材料。目前，功能离子液体杂化的金属有机骨架材料正处于起步阶段，相关的研究报道相对较少。但是，这样一个新的杂化理念已经引起了一定的关注，尤其是在催化领域，这种新颖的材料表现出一些独特的催化特性。其中研究最多的金属有机骨架材料主要是一些化学稳定性较好的MOFs材料，如MIL-101，HKUST-1和ZIF-8，这些材料非常适合后合成改性。尤其是MIL-101和HKUST-1，其本身具有金属不饱和空位(CUS)，这种CUS可以用来引入富电子的含氮离子液体(图25)。Luo等首次利用一种含有双氮原子的杂化化合物作为一种化学桥在MIL-101的纳米笼内合成了Brnsted酸性离子液体。这种新颖的离子液体杂化的MOFs材料结合离子液体催化剂和MIL-101纳米笼微环境的共同优点，在缩醛反应中表现出优异的催化性能。与传统的均相离子液体催化剂相比，这种多相催化剂更有利于反应物的扩散和与催化活性中心的接触，促进了副产物半缩醛进一步转化为缩醛产物，从而提高了缩醛产物的选择性，该催化剂可以重复使用6次(图26)。Jhung等［紧接着报道了一种Lewis酸性离子液体(1-丁基-3-甲基氯化铝)杂化的MIL-101材料，这种材料可以有效地吸附脱出燃料油中的硫组分。Luo等报道了一种氨基功能化的碱性离子液体杂化的金属有机骨架HKUST-1材料。他们首先制备了一种氨基功能化的碱性离子液体，然后通过后合成改性的方法将离子液体引入到HKUST-1的纳米孔穴内，通过—NH2与Cu-CUS形成配位键来束缚离子液体活性组分。这种催化材料对苯甲醛和乙二腈的Knoevenagel缩合反应具有非常好的催化活性。最重要的是制备的这种微孔杂化材料对不同分子尺寸的芳香醛呈现出选择催化的性能，对于较大的分子，其催化活性较差，只有当分子尺寸与催化剂的孔结构相匹配，反应物才可以自由顺利地扩散到催化剂的纳米孔穴内，与活性中心接触。

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许多药物都有细胞毒性，在杀死病毒细胞的同时，也会对正常细胞造成损伤。因而，理想的药物载体不仅应有较好的生物相容性、较高的载药率，还应具有靶向性，即到达目标病灶部位才释放药物分子。无机纳米材料的大小和表面的电荷等理化性质决定了纳米材料的性能，研究这些可控特性可应用在生物医学领域中。例如，用多孔硅作为药物载体递送柔红霉素，治疗视网膜疾病持续时间从几天延长到3个月。通过调控将纳米粒子孔径从15nm变为95nm，使柔红霉素的释放率增大了63倍，从而调控药物的释放。用介孔二氧化硅纳米粒子运载化疗药物、探针分子向肿瘤细胞进行递送，可用于癌症等疾病的靶向性治疗和早期诊断。介孔二氧化硅在药物传输、靶向给药、基因转染、组织工程、细胞示踪、蛋白质固定与分离等方面有广泛的应用。碳纳米管及其衍生材料可开发用于电敏感的透皮药物释放，又可作药物载体进行持续性释放。比如，用超支化聚合物修饰碳纳米管，可以从复合物的羟基末端聚集活性基团，从而增强溶解性能，作为抗癌的药物载体，也可以用作药物缓释载体。用聚乙烯亚胺修饰多壁碳纳米管，分散性好，能降低对细胞的毒性，进一步结合在壳聚糖/甘油磷酸盐上，能增加凝胶的机械强度。同时，改变溶液的pH值、温度等来构建具有双缓释功能的温敏性凝胶，能减少凝胶的突释现象。纳米钻石（dND）装载化疗药物具有较低的毒性和较高的生物兼容性。将叶酸等靶向分子修饰纳米钻石表面，用于装载抗癌药物，以H2N-PEG-NH2作为桥梁分子，形成纳米靶向载药系统，对C6细胞具有靶向作用，为研制肿瘤靶向治疗提供了参考依据。为了避免被单核细胞、巨噬细胞系统等非特异性吸收，并让药物优先进入肿瘤细胞，用超支化缩水甘油（PG）修饰纳米钻石得到dND-PG，有较好的生物相容性，能避免被正常细胞的巨噬细胞非特异性摄取。加载抗癌药物阿霉素显示出对肿瘤细胞具有选择性的毒性作用，可作为肿瘤药物载体，对肿瘤细胞进行选择性给药。将药物分子插入LDHs的层间形成药物-LDHs的纳米杂化物，药物与LDHs层间的相互作用以及空间位阻效应能有效地控制药物释放，减少药物发生酶解作用。LDHs表面存在大量的羟基，便于进行表面功能化修饰，增强靶向性，避免被巨噬细胞吞噬而从人体内清除，提高药物的输送效率。LDHs适合装载不同类型的药物，将药物插入到LDHs的层间结构，药物以阴离子形式装载并被控释。通过共沉淀法在LDHs层间成功地嵌入维生素C，维生素C的阴离子垂直插于LDHs层间，热稳定性显著增强。通过离子交换反应来释放维生素C，延长释放时间。

1.2蛋白质载体

纳米材料在诊断、药物输送、生物功能材料、生物传感器等方面得到了迅猛的发展，出现了疾病治疗、诊断、造影成像等多种功能的组合。无机纳米材料在生物大分子药物的载体，包括运载蛋白质、多肽、DNA和siRNA等方面的研究较多。纳米多孔硅有较好的生物相容性、生物可降解性和可调控的纳米粒径，可作为药物输送系统。壳聚糖修饰多孔硅后可用于运载口服给药的胰岛素，改善胰岛素的跨细胞渗透，增加与肠道细胞黏液层的表面接触，提高细胞的摄入，可用于口服递送蛋白质和多肽。纳米羟基磷灰石与蛋白质分子有高亲和性，可用作蛋白质药物缓释载体，能提供钙离子，造成肿瘤细胞过度摄入，从而抑制肿瘤细胞活性，诱导肿瘤细胞凋亡。

1.3基因载体

基因治疗是遗传性疾病的临床治疗策略，主要依赖于发展多样性的载体。无机纳米材料用于基因疗法是利用无机粒子和可生物降解的多聚阳离子合成新型的纳米药物载体，如介孔二氧化硅作为基因载体可用于肿瘤治疗，促进体外siRNA的递送。乙醛修饰的胱氨酸具有自身荧光的特点，可对pH值和谷胱甘肽进行响应。通过荧光标记类树状大分子的二氧化硅纳米载体具有分级的孔隙，不仅毒性低、基因装载率高，转染率也较高。引发谷胱甘肽二硫键裂解，可促进质粒DNA（pDNA）释放，并能使用自发荧光来实时示踪。又如，通过π-π共轭、静电作用等非共价键作用力结合，能将DNA、RNA等生物大分子和化学药物固定在氧化石墨烯上。

1.4骨移植

临床上可用自体骨移植来治疗创伤、感染、肿瘤等造成的骨缺损，由于骨移植的来源有限，且手术时间长，易导致失血过多和供骨区并发症等，应用受到限制。将异体骨用作骨移植，则存在免疫排斥反应，且易被感染。而人工骨同自体骨有相近的疗效，人工骨材料可采用钛、生物陶瓷、纳米骨、3D模拟人工骨髓等纳米材料。例如，纳米二氧化硅可替代骨组织，促进人工植入材料与肌肉组织融合。纳米羟基磷灰石与人体内的无机成分相似，其粒子有小尺寸效应、量子效应及表面效应等，可用作牙种植体或作为骨骼材料，能避免产生排斥反应，促进血液循环，促进人体骨组织的修复、整合和骨缺损后的治愈。

1.5临床诊断和治疗

磁性氧化铁纳米粒子可作为造影剂用于肿瘤诊断中，对肿瘤分子产生磁共振分子影像或多模态肿瘤分子影像，也可用于循环肿瘤细胞的分离、富集。免疫磁分离法基于磁性杂化材料可导电，在外部磁场下积累，可用于临床热疗。磁热疗以磁流体形式进入肿瘤组织，利用肿瘤细胞与正常细胞之间不同的热敏感度，将外部磁场产生的磁能转化成热能从而杀死肿瘤细胞。磁性纳米粒子还可用于生物传感器中，利用磁现象和纳米粒子从液相中分离并捕获生物分子。用绿色荧光蛋白标记，形成温敏的磁性纳米固相生物传感器，用磁性材料制成固相生物传感器的支架，在磁场作用下，响应更快，表面易于更新，可用于免疫诊断。磁性纳米氧化铁作为临床应用的磁性纳米材料，受到人们的广泛关注。Fe3O4和γ-Fe2O3的特殊磁性质使其在靶向肿瘤药物载体、磁疗、热疗、核磁共振成像、生物分离等生物医学领域中得以应用。用无机纳米材料制作激发荧光探针进行临床诊断，如用介孔二氧化硅制成的细胞荧光成像探针利用量子点良好的光稳定性、较长的荧光寿命和较高的生物相容性，结合介孔二氧化硅可特异性地识别Ramos细胞的特点，并用激光共聚焦显微镜对Ramos细胞进行荧光成像，实现了对肿瘤细胞的早期诊断、检测成像。富勒烯特殊的结构和性质使其可以广泛地应用于光热治疗、辐射化疗、癌症治疗等医学领域，也可作为核磁共振成像的造影剂用于临床诊断。但富勒烯不溶于水，对生物体存在潜在的毒性，限制了其在临床的应用。富勒烯结合含羟基的亲水性分子可改善其溶解性，羟基化富勒烯无明显毒性，可作为抗氧化剂。聚羟基富勒烯利用近红外光激活体内的纳米材料，用光热对肿瘤细胞定位，避免了金纳米粒子、碳纳米管等在体内造成聚积，利用免疫刺激作用来抑制肿瘤细胞的转移、生长，从而减小肿瘤的尺寸，最终造成肿瘤细胞凋亡。因此，改造碳纳米结构，在成像、吸附、药物装载与靶向运输等生物医学工程方面有潜在的应用价值。银纳米粒子杀菌活性远高于银离子，在杀菌抑菌方面得到广泛的应用，可用于外科手术中的伤口愈合、药学、生命科学等生物和临床医学领域。金纳米粒子有较好的生物相容性，功能化的金纳米粒子可用于生物分析、药物检测、临床诊断等生物医药领域，可作为纳米探针检测重金属离子、三聚氰胺等小分子，也可检测DNA、蛋白质等生物大分子，还可以用于对细胞表面和细胞内部的多糖、核酸、多肽等的精确定位。镍纳米粒子固定在海藻酸水凝胶中，通过热敏感粒子与镍磁纳米粒子交联形成囊状结构，组成热磁双敏感的磁性纳米粒子。在交变磁场下缓慢释放水凝胶中的镍纳米粒子，通过远程调控来激发水凝胶中成纤维细胞的凋亡。无机纳米材料的类别不同，在尺寸、形貌上有很大的变动范围，因其核心材料的量子特性，已日益成为涉及临床诊断、成像和治疗的手段，为纳米材料在生物医学上的应用提供更多的可能。

2展望

纳米技术作为新时代的疾病治疗模式，为未来的临床用药提供了新的可能，在生物医学的应用上有很大的前景。目前，癌症治疗主要包括手术、放疗和化疗等手段，而药物剂量增多会造成副作用。纳米粒子可以作为靶向药物载体、成像造影剂、化疗、热疗、磁疗系统，可通过血脑屏障，在治疗神经系统疾病中有很大的潜力，有望成为攻克癌症的新手段。无机纳米材料在药物载体、临床诊断和治疗等方面有广阔的应用前景，但目前的研究大多处于实验阶段。无机纳米材料在生物医学应用中有待解决的问题包括：

（1）提高疾病治疗的针对性、靶向性和可调控性；

（2）使无机纳米材料相对固定在肿瘤细胞表面，不至于扩散到正常组织，从而提高肿瘤部位的有效浓度，减少毒副作用；

（3）纳米材料有潜在的毒性，可降低纳米材料的毒副作用以达到临床应用的标准；

（4）寻找优质材料，优化结构，提高材料的生物相容性、生物安全性，并针对不同的药物溶解性设计特定的载体和功能材料骨架，增加细胞的摄取和利用；

篇（11）

1.1.1中国科学技术大学教授倪向贵等众多科学家对纳米铜丝、纳米镍丝、等进行了拉伸过程的模拟实验,重点放在纳米结构与能量应力变化的模拟研究上面,以及表面效应如何影响单晶纳米材料的整体力学和原子运动的各种行为,根据反复的实践和精确的计算，终于研究出了纳米材料的破坏失效原理.这一实验同时也表明通过建立模拟模型和有效的计算方法能非常有效地模拟纳米金属材料在微观方面的变化过程.

1.1.2梁海弋等一批科学家利用EAM原子势函数的相关原理模拟研究了纳米铜丝的拉伸性能.结果表明，截面的变化对直接影响纳米丝拉伸性能.这是由于表面原子松散,纳米丝的表面张应力等综合因素造成的.而且拉伸强度会随着纳米丝截面减小而提高，同时会推迟屈服和增加初始拉伸模量的软化程度.

1.2二维的研究历程在纳米薄膜的制备研究过程中,得出了很多薄膜生长现象,人们需要对其从理论计算上进行科学的解释.日本的Huang等一批科学家对Au原子在MgO表面（100）点缺陷处的团簇生长进行了模拟实验,同时也进行了Au原子扩散聚集对成膜的模拟研究;通过研究得出，原子的几何形状会随着扩散力的不同以及能量的不同而发生变化.我国知名科学家张庆瑜在分子动力学研究的基础上建立了气相沉积原子动力学模型,同时采用MonteCarlo方法对Au外延薄膜的初期生长过程也进行了模拟研究,指出了薄膜外延生长会随基体温度的变化而发生怎样的变化.刘祖黎等一批科学家采用MonteCarlo模型探索出了Pt/Pt（Ⅲ）薄膜生长初始阶段岛的形貌与基底温度之间的具体关系.模型中充分考虑了吸附原子扩散、原子沉积与蒸发等过程,与过去的模型不同的是采用Morse势来计算粒子之间的相互作用,并详细充分考虑了临近和次临近原子所产生的影响.研究结果表明,岛的形貌随基底温度的升高,从一个分形生长到凝聚生长的变化全过程.通过进一步的深入研究表明,岛的形貌和基底形貌两者之间的关系会随着基底温度的升高发生显著的变化,而基底温度低时,岛的形状与基底形貌没有任何关联.

2目前计算机模拟研究需要解决的问题

一般来说，纳米金属材料的计算模拟方法所采用的大多都是原子级模拟技术,它是将纳米金属材料作为数量较多的单个金属原子的集合体,并且将每个金属原子当作彼此独立的研究单元来进行模拟实验,然后通过统计力学和经典力学对其进行规律性的描述,并预测纳米金属材料的微观结构以及功能.但是由于纳米金属材料自身结构非常复杂，以及它对周围环境无法得到迅速的反应,所以目前还无法运用相关的模拟技术来得到理想的答案.本人建议可以从以下方面进行努力：

2.1选定模拟算法在进行纳米金属材料分子动力学的模拟实验中,应当是对包括金属、氧化物、金属氧化物等一系列的多原子体系实验.因为原子间的作用是一个多体效应,在这个效应当中所有的粒子会全部聚集到一起,是无法采用解析的方法进行求解的.这时我们可以选用有限差分方法来进行求解,目前运用的最多的包括：蛙跳法、预测-校正算法和Verlet算法三种类型.值得注意的是，虽然目前的计算机技术发展迅速,但是纯粹依赖提高单个CPU的计算速度根本就不能满足越来越繁琐的计算需要,鉴于此，我们可以考虑进行并行化进行计算，这样会更加有效.

2.2要充分考虑粒子间的相互作用微观粒子的运动本来是需要使用量子力学来进行描述的,但纳米金属材料的结构与性能往往会涉及到大量微观粒子而且还是多体作用,因此用量子力学第一性原理来对粒子间相互作用求解并非易事,而绝大多数模拟认为粒子的运动遵循牛顿力学规律,因此可以考虑采用半经验的原子间相互作用势来对粒子间的作用进行描述.一般来讲，势函数是否可靠决定了一个分子动力学模拟能否成功.原子或者离子间的相互作用势越复杂、拟合性质越多就越与实际的相互作用接近,不过越复杂的相互作用同时也会加大计算量和模拟量,因此在构建或使用原子间相互作用势的过程中,应根据所要研究的问题的具体情况,选择既能反映相互作用的本质,又可以在计算上切实可行的相互作用势.

2.3处理和分析模拟结果找到一种合适的分析模拟结果的方法对于计算机模拟来说是至关重要的.通常情况下，模拟的轨迹文件只包含了各个粒子的位置、速度和力的相关信息,因此一定要对这些信息进行有效的处理以后才能得到想要的物理量.而计算机模拟走向应用的关键之处在于，找到合适的方法处理结果,将宏观现象与微观轨迹进行有机联系.模拟结果的处理无疑会是一个非常复杂的过程,其重点问题是要从MD模拟的轨迹文件中讲可与实验直接比较的统计量提取出来.除此之外,轨迹中的坐标信息对于分析结构体系信息也十分重要,而这却是非常耗时的工作过程.