论文部分内容阅读
[摘 要]纳米功能材料由于其基本组成单位尺度小，具有体积效应、表面效应、量子尺寸等多个特性，科研工作者根据这些特性在化工、医药、隐身材料方面取得了重要进展。
[关键词]纳米功能材料 体积效应 碳纳米管 磁损耗
中图分类号：TQ323.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0346-01
一、纳米功能材料的定义
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）或由它们作为基本单元构成的材料。正是由于基本组成单位尺度小，纳米材料具有很多其他普通尺度的材料所不具备的效应，具体包括体积效应、表面效应、介电限域、量子尺寸、量子隧道等，其中最值得注意的是体积效应和介电限域。体积效应是指纳米粒子足够小时，纳米材料的催化性、热阻、内压、光吸收性都发生了很大变化，应用这个特性制成的纳米吸波涂料具有质量轻、厚度薄、吸波频带宽等优点。而介电效应是指纳米材料处于一定的介质包围之中时，由于不同材料对光的折射率不同，纳米表面及其附近的场强增大，这种效应广泛应用于多相反应中光催化材料。正是这些独特的效应使得纳米材料在传统材料、电子设备、医疗器材、机械制造、军工等领域有着巨大的应用前景。
二、纳米功能材料在隐身物质研究领域的应用
目前研究较深的纳米材料主要是在信息储存、生物标记、摄影技术等领域有广泛应用前景的金属纳米粒子研究，以及可应用在在催化剂、抗菌剂、润滑添加剂等领域的cu纳米材料。
目前已经实际应用的隐身材料主要包括电损耗型和磁损耗型，主要原理都是将电信号或磁信号转变为热能或相关能量形式，以降低物体的反射信号强度从而实现隐身。纳米隐身材料工作原理大多属于磁损耗型，微观机理是随着材料微观尺度减小，表面原子数相对越来越多使得材料活性增强，微观粒子加速运动的过程中将磁能转变为热能，减少信號反射[1]。
目前隐身材料发展方向主要是
（一）宽频化：所谓宽频化是指拓宽纳米隐身材料所能吸收雷达探测信号的波段更长。随着隐身技术的不断进步，军事领域开始使用多重频率雷达协同探测的方法进行对抗，特别是米波段和毫米波段雷达的发展对军用飞行器隐身技术提出了极大考验。目前只能吸收少数几种波段的隐身材料已经不能满足现实要求，研究制备宽频带隐身的纳米稀薄隐身材料至关重要[2]。
（二）轻薄化：通过改造现有纳米隐身材料的微观结构，在降低材料密度的同时提高隐身性能已经成为隐身材料研究的重点课题。具体方法是将一些特定铁磁性材料与纳米材料混合以调节电磁参数达到最优效果。
三、在医学领域应用
癌症作为当今年人类健康的一个巨大挑战，难以根治的主要原因在于癌细胞与正常细胞混杂难以选择性的消除，而纳米粒子包裹的智能药物可以主动探测癌细胞并进行定点消除，特别是磁性纳米材料作为药物载体时[3]，利用人体特殊的磁场使得药物在特定区域聚集并发挥作用，极大降低了使用药物的风险，此外还可以利用部分纳米材料的生物降解特性减少药物副作用，以及利用接种了抗原或抗体的纳米载体进行探测。
随着人类操纵纳米材料能力的提高，纳米机器人得到了长足发展。以搭建纳米机器人所用基础材料的尺度来划分，目前纳米机器人主要包括两类：一类是在分子尺度上通过操纵原子或分子构建机械甚至有特定功能的机器人以达到吞噬病变细胞的目的；另一类是以硅晶片存储器为代表的生物系统和机械系统的有机结合体，通过影响或改变人体正常生理代谢进程达到治愈疾病的目的。
四、在化工领域应用
由于纳米材料尺度极小，具备独特的电、磁、光特性，自80年代初期以来，科研工作者利用纳米功能材料体积效应、量子尺寸、表面效应等在化工领域取得了许多重大研究成果。
传统的催化剂催化效率低、环境污染严重，新兴纳米材料制成的催化剂通过优化反应路径、提高催化效率实现了化工行业革命性的变革。其基本原理是利用纳米材料尺度极小表面粒子相对较多，因此表面活性极大，为分子之间聚合、断链提供了大量的场所[4]。以Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒为例，这些催化剂替代了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。
以碳纳米管为增强材料[5]可以制成贮氢材料等多种复合材料。目前已经可以通过20V直流电在两个石墨电极之间产生电弧，使阳极在4000K-10000K温度下不断蒸发消耗引起电弧喷射得到纳米颗粒，其中30%为长3-10nm，直径1-5nm的碳纳米管颗粒。美国西南纳米技术公司与大陆菲利普斯公司合作，实现了通过硫化床反应器工艺制造多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
五、我国在纳米功能材料领域研究现状
纳米材料自20世纪80年代正式问世以来，基础理论研究与实际产品开发均取得重大进展，以1997-2004年为例，世界范围内对纳米材料相关科学研究投资从8.2亿增长到32亿，通过对其体积效应、表面效应、介电限域等特性的开发，纳米材料已经在化工制造、军用航天器隐身、医药与生物等领域得到广泛应用，纳米碳酸钙、纳米氧化硅、纳米氧化锌等都已经形成比较大的市场规模[1]。中国通过集中科研力量以及各领军企业加大投资力度，实现了纳米产业飞速发展，目前基于原料价格低廉与市场需求旺盛等原因，纳米碳酸钙、纳米氧化锌等均已形成产业集群甚至完整的产业链。但也同时面临以下几个问题：一是纳米材料研究投资需求大，民营性质中小企业科研力量弱、资金实力普遍不强，亟须国家层面支持。二是科研力量分散，重复劳动明显，未形成集中有序的科研梯队，缺少大型科研基地。三是产学研结合能力不足，纳米材料研究到纳米材料实际应用对接能力较弱，限制了纳米功能材料研究特别是高纯度高指标纳米材料研发的资金来源。
参考文献
[1] 赵东林，周万城.纳米雷达波吸收剂的研究和发展.材料工程，l998.
[2] R. C. Che， et al， Applied Physics Letters 88， 033105 2006. “Fabrication and microwave absorption of carbon nanotubes/CoFe2O4 spinel nanocomposite”.
[3] 李向辉，王宏魁.纳米技术在生物制药领域中的应用研究[A].畜牧与饲料科学，2011（32）.
[4] R. C.Che， et al， Nanotechnology 18 （35）：Art. No. 355705 SEP 5 2007.
[5] 夏正才，曹霞.碳纳米管[A].材料导报，2000.
[关键词]纳米功能材料 体积效应 碳纳米管 磁损耗
中图分类号：TQ323.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0346-01
一、纳米功能材料的定义
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）或由它们作为基本单元构成的材料。正是由于基本组成单位尺度小，纳米材料具有很多其他普通尺度的材料所不具备的效应，具体包括体积效应、表面效应、介电限域、量子尺寸、量子隧道等，其中最值得注意的是体积效应和介电限域。体积效应是指纳米粒子足够小时，纳米材料的催化性、热阻、内压、光吸收性都发生了很大变化，应用这个特性制成的纳米吸波涂料具有质量轻、厚度薄、吸波频带宽等优点。而介电效应是指纳米材料处于一定的介质包围之中时，由于不同材料对光的折射率不同，纳米表面及其附近的场强增大，这种效应广泛应用于多相反应中光催化材料。正是这些独特的效应使得纳米材料在传统材料、电子设备、医疗器材、机械制造、军工等领域有着巨大的应用前景。
二、纳米功能材料在隐身物质研究领域的应用
目前研究较深的纳米材料主要是在信息储存、生物标记、摄影技术等领域有广泛应用前景的金属纳米粒子研究，以及可应用在在催化剂、抗菌剂、润滑添加剂等领域的cu纳米材料。
目前已经实际应用的隐身材料主要包括电损耗型和磁损耗型，主要原理都是将电信号或磁信号转变为热能或相关能量形式，以降低物体的反射信号强度从而实现隐身。纳米隐身材料工作原理大多属于磁损耗型，微观机理是随着材料微观尺度减小，表面原子数相对越来越多使得材料活性增强，微观粒子加速运动的过程中将磁能转变为热能，减少信號反射[1]。
目前隐身材料发展方向主要是
（一）宽频化：所谓宽频化是指拓宽纳米隐身材料所能吸收雷达探测信号的波段更长。随着隐身技术的不断进步，军事领域开始使用多重频率雷达协同探测的方法进行对抗，特别是米波段和毫米波段雷达的发展对军用飞行器隐身技术提出了极大考验。目前只能吸收少数几种波段的隐身材料已经不能满足现实要求，研究制备宽频带隐身的纳米稀薄隐身材料至关重要[2]。
（二）轻薄化：通过改造现有纳米隐身材料的微观结构，在降低材料密度的同时提高隐身性能已经成为隐身材料研究的重点课题。具体方法是将一些特定铁磁性材料与纳米材料混合以调节电磁参数达到最优效果。
三、在医学领域应用
癌症作为当今年人类健康的一个巨大挑战，难以根治的主要原因在于癌细胞与正常细胞混杂难以选择性的消除，而纳米粒子包裹的智能药物可以主动探测癌细胞并进行定点消除，特别是磁性纳米材料作为药物载体时[3]，利用人体特殊的磁场使得药物在特定区域聚集并发挥作用，极大降低了使用药物的风险，此外还可以利用部分纳米材料的生物降解特性减少药物副作用，以及利用接种了抗原或抗体的纳米载体进行探测。
随着人类操纵纳米材料能力的提高，纳米机器人得到了长足发展。以搭建纳米机器人所用基础材料的尺度来划分，目前纳米机器人主要包括两类：一类是在分子尺度上通过操纵原子或分子构建机械甚至有特定功能的机器人以达到吞噬病变细胞的目的；另一类是以硅晶片存储器为代表的生物系统和机械系统的有机结合体，通过影响或改变人体正常生理代谢进程达到治愈疾病的目的。
四、在化工领域应用
由于纳米材料尺度极小，具备独特的电、磁、光特性，自80年代初期以来，科研工作者利用纳米功能材料体积效应、量子尺寸、表面效应等在化工领域取得了许多重大研究成果。
传统的催化剂催化效率低、环境污染严重，新兴纳米材料制成的催化剂通过优化反应路径、提高催化效率实现了化工行业革命性的变革。其基本原理是利用纳米材料尺度极小表面粒子相对较多，因此表面活性极大，为分子之间聚合、断链提供了大量的场所[4]。以Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒为例，这些催化剂替代了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。
以碳纳米管为增强材料[5]可以制成贮氢材料等多种复合材料。目前已经可以通过20V直流电在两个石墨电极之间产生电弧，使阳极在4000K-10000K温度下不断蒸发消耗引起电弧喷射得到纳米颗粒，其中30%为长3-10nm，直径1-5nm的碳纳米管颗粒。美国西南纳米技术公司与大陆菲利普斯公司合作，实现了通过硫化床反应器工艺制造多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
五、我国在纳米功能材料领域研究现状
纳米材料自20世纪80年代正式问世以来，基础理论研究与实际产品开发均取得重大进展，以1997-2004年为例，世界范围内对纳米材料相关科学研究投资从8.2亿增长到32亿，通过对其体积效应、表面效应、介电限域等特性的开发，纳米材料已经在化工制造、军用航天器隐身、医药与生物等领域得到广泛应用，纳米碳酸钙、纳米氧化硅、纳米氧化锌等都已经形成比较大的市场规模[1]。中国通过集中科研力量以及各领军企业加大投资力度，实现了纳米产业飞速发展，目前基于原料价格低廉与市场需求旺盛等原因，纳米碳酸钙、纳米氧化锌等均已形成产业集群甚至完整的产业链。但也同时面临以下几个问题：一是纳米材料研究投资需求大，民营性质中小企业科研力量弱、资金实力普遍不强，亟须国家层面支持。二是科研力量分散，重复劳动明显，未形成集中有序的科研梯队，缺少大型科研基地。三是产学研结合能力不足，纳米材料研究到纳米材料实际应用对接能力较弱，限制了纳米功能材料研究特别是高纯度高指标纳米材料研发的资金来源。
参考文献
[1] 赵东林，周万城.纳米雷达波吸收剂的研究和发展.材料工程，l998.
[2] R. C. Che， et al， Applied Physics Letters 88， 033105 2006. “Fabrication and microwave absorption of carbon nanotubes/CoFe2O4 spinel nanocomposite”.
[3] 李向辉，王宏魁.纳米技术在生物制药领域中的应用研究[A].畜牧与饲料科学，2011（32）.
[4] R. C.Che， et al， Nanotechnology 18 （35）：Art. No. 355705 SEP 5 2007.
[5] 夏正才，曹霞.碳纳米管[A].材料导报，2000.