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納米材料運(yùn)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景的思考論文
摘要：納米材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的一種新型材料, 從整體上分析了納米材料的結(jié)構(gòu)特征、主要性能, 制備工藝和當(dāng)今對(duì)納米材料研究趨勢(shì)。納米材料有許多特殊的性能, 可以運(yùn)用到航天、醫(yī)療、生物技術(shù)等領(lǐng)域。在未來的研究里, 納米材料將會(huì)對(duì)人類做出巨大貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：納米材料; 應(yīng)用; 發(fā)展趨勢(shì);
從概念來說, 納米材料是由無數(shù)個(gè)晶體組成的, 它的大小尺寸在1~100納米范圍內(nèi)的一種固體材料。主要包括晶態(tài)、非晶態(tài)的金屬、陶瓷等材料組成。因?yàn)樗拇笮〕叽缫呀?jīng)接近電子的相干長度, 它有著特殊的性質(zhì)。這些特殊性質(zhì)所表現(xiàn)出來的有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)、磁性等。目前國內(nèi)、國際的科學(xué)家都在研究納米材料, 試圖打造一種全新的新技術(shù)材料, 將來為人類創(chuàng)造更大的價(jià)值。納米科學(xué)技術(shù)也引起了科學(xué)家的重視, 在當(dāng)代的科學(xué)界有著舉足輕重的地位。納米技術(shù)的范圍包括納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù), 納米材料技術(shù)等。其中納米材料技術(shù)主要應(yīng)用于材料的生產(chǎn), 主要包括航天材料、生物技術(shù)材料, 超聲波材料等等。從1861年開始, 因?yàn)槟z體化學(xué)的建立, 人們開始了對(duì)直徑為1~100納米粒子的研究工作。然而真正意義上的研究工作可以追溯到20世紀(jì)30年代的日本為了戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利進(jìn)行了“沉煙實(shí)驗(yàn)”, 由于當(dāng)時(shí)科技水平落后研究失敗。
1 納米材料的性能
研究表明, 大多納米金屬的室溫硬度比相應(yīng)粗晶高2~6倍;納米材料的強(qiáng)度是普通材料的10倍, 比如, 8nm的納米晶體的強(qiáng)度比普通晶體高15倍, 硬度提高了4~7個(gè)數(shù)量級(jí);韌性更大, 比如美國argonnel實(shí)驗(yàn)室制成的納米Cs F2陶瓷晶體在室溫下可彎曲100%。室溫下的納米Ti O2陶瓷晶體表現(xiàn)出很高的韌性, 壓縮至原長度的15仍不破碎。納米材料的熱學(xué)性能是普通材料的5倍一般納米材料的熱容是傳統(tǒng)金屬的2倍;直徑為10nm的Fe、Au和Al熔點(diǎn)分別由其粗晶熔點(diǎn)的1500℃、1263℃和700℃降到35℃、30℃和20℃。2nm的金的顆粒熔點(diǎn)僅為330℃, 比通常金的熔點(diǎn)低700℃以上, 而納米銀粉的熔點(diǎn)僅為100℃;此外, 納米材料的熱膨脹可調(diào), 可用于具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的連接納米材料的磁學(xué)性能;當(dāng)所有的晶粒尺寸減小到納米級(jí)時(shí), 晶粒之間的鐵磁相互作用開始對(duì)材料的宏觀磁性有著非常重要的影響, 這就使得納米材料具有高磁化率和高矯頑力, 低飽和磁矩和低磁耗納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍, 而飽和磁矩是普通金屬的13倍。納米材料的光學(xué)性能;各種納米微粒幾乎都呈黑色, 它們對(duì)可見光的反射率將顯著降低, 一般低于1%。粒度越細(xì), 光的吸收越強(qiáng)烈, 利用這一特性, 納米金屬有可能用于制作紅外線檢測(cè)元件、隱身飛機(jī)上的雷達(dá)波吸收材料等, 還可以運(yùn)用到生物技術(shù)領(lǐng)域, 比如激光檢測(cè)儀、電子顯微鏡等。
2 納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
研究表明在紡織和化纖制品中添加納米微粒, 不僅可以除去異味和消毒。還使得衣服不易出現(xiàn)折疊的痕跡。很多衣服都是纖維材料制成的, 通常衣服上都會(huì)出現(xiàn)靜電現(xiàn)象, 在衣服中加入金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)象。利用納米材料, 冰箱可以消毒。利用納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經(jīng)可以在商場(chǎng)買到了。另外利用納米粉末, 可以快速使廢水徹底變清水, 完全達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)技術(shù)可以提高水的重復(fù)使用率, 可以運(yùn)用到化學(xué)工業(yè)中。比如污水處理廠、化肥廠等, 一方面使得水資源可以再次利用, 另一方面節(jié)約資源。納米技術(shù)還可以應(yīng)用到食品加工領(lǐng)域, 有益健康。納米技術(shù)運(yùn)用到建筑的裝修領(lǐng)域, 可以使墻面涂料的耐洗刷性可提高11倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米材料, 可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚, 根本不用擦洗。這樣就可以節(jié)約成本, 提高裝修公司的經(jīng)濟(jì)效益。使用納米微粒的建筑材料, 可以高效快速吸收對(duì)人體有害的紫外線。納米材料可以提高汽車、輪船, 飛機(jī)性能指標(biāo)。納米陶瓷未來很有可能成為汽車、輪船、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要材料, 不僅可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、還可以延長工作壽命和增強(qiáng)可靠性。納米衛(wèi)星發(fā)射升空可以隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)宇航員安全駕駛。在生物醫(yī)療領(lǐng)域里, 采用納米技術(shù)制成的大型藥物輸送器, 可以攜帶一定劑量的藥物, 在體外電磁信號(hào)的引導(dǎo)下可以準(zhǔn)確到達(dá)身體的各個(gè)部位, 不僅有效地起到治療作用, 還可以減輕疼痛感并減輕藥物的不良的反映。
納米材料的運(yùn)用市場(chǎng)是十分廣的, 納米技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是不可低估的。根據(jù)國際上的一些權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè), 2012年由納米技術(shù)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)達(dá)到15000億美元, 納米技術(shù)在未來幾十年的應(yīng)用范圍將會(huì)超過互聯(lián)網(wǎng)。納米材料、玻璃、帶來的技術(shù)進(jìn)步, 納米涂料的運(yùn)用和發(fā)展, 將會(huì)給傳統(tǒng)建筑公司、裝飾公司造成巨大的技術(shù)沖擊。很多傳統(tǒng)行業(yè)也會(huì)隨之發(fā)生改變。國內(nèi)科學(xué)家指出, 傳統(tǒng)的建筑、化學(xué)、生物醫(yī)藥、工業(yè)制造, 通訊設(shè)備等領(lǐng)域, 將會(huì)迎來新的一次“技術(shù)革命”現(xiàn)在國際上用納米技術(shù)注冊(cè)的企業(yè)已經(jīng)超過1000家, 同時(shí)這些企業(yè)建立了納米材料和納米技術(shù)的工廠和標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)車間。納米玻璃、納米涂料, 已經(jīng)在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步打開一些陌生領(lǐng)域的大門。納米材料納米技術(shù)的出現(xiàn), 擁有著無限可能, 納米機(jī)器人、納米計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本, 人們也可以享受到科技的樂趣。未來我們身邊都是納米材料制造的產(chǎn)品, 不僅環(huán)保、而且價(jià)格低廉。人們?cè)谏虉?chǎng)可以買到物美價(jià)廉的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。這是科學(xué)技術(shù)在生活領(lǐng)域的運(yùn)用。未來可能我們坐的汽車、飛機(jī)等都是納米材料制造的。納米材料屬于材料學(xué)的一個(gè)分支, 應(yīng)該加大研發(fā)力度, 讓更多的學(xué)者投入到研究納米材料的隊(duì)伍。另外政府可以加大資金支持, 不斷派遣這方面的專家出國考察、深造。為國家、為社會(huì)創(chuàng)造巨大財(cái)富同時(shí), 增加就業(yè)崗位, 緩解大學(xué)生就業(yè)壓力。科技改變生活, 科技改變世界, 納米技術(shù)將會(huì)顛覆很多傳統(tǒng)行業(yè)。
3 納米材料的未來研究方向
研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義在于它開辟了人們認(rèn)識(shí)自然的新層次, 是知識(shí)創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度 (1~100urn) 與物質(zhì)中的許多特征長度, 如電子的德布洛意波長、超導(dǎo)相干長度、隧穿勢(shì)壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當(dāng), 從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子, 也不同于宏觀物體, 從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識(shí)的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象, 認(rèn)識(shí)新規(guī)律, 提出新概念, 建立新理論, 為構(gòu)筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ), 也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究內(nèi)涵。世紀(jì)之交高韌性納米陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題;納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元 (零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲) 的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn), 人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。
4 結(jié)束語
納米技術(shù)作為一種新的科學(xué)技術(shù)。自從這個(gè)科學(xué)概念被提出來后, 一直成為科學(xué)家研究的重要方向。在未來的時(shí)間里, 它將影響我們生活的方方面面。無論是吃穿住行, 還是醫(yī)療、交通、娛樂。納米技術(shù)會(huì)帶來新的技術(shù)革命, 不斷為人類創(chuàng)造福祉。提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和產(chǎn)品。在信息化、智能化的今天, 由納米材料制造的產(chǎn)品已經(jīng)面世。納米材料具有很強(qiáng)的生命力, 是能夠改變?nèi)祟惿畹男录夹g(shù)。隨著國家對(duì)高新技術(shù)的越加重視, 納米技術(shù)有望成為推動(dòng)人類向前進(jìn)步的重要力量。
參考文獻(xiàn)
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