時間：2023-03-16 15:50:15
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇納米材料論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
1.1納米金剛石近年來，納米尺度的金剛石作為新型碳納米材料已經(jīng)成為研究的熱點之一。納米金剛石具有優(yōu)異的機械、光學和電學等性能。在場發(fā)射、劑和生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。1961年Decarli等[5]首先用爆炸法制得了超細金剛石粉。目前，納米金剛石的制備方法主要包括爆炸法、激光蒸發(fā)法、CVD法、高能離子轟擊法及放電等離子燒結(jié)法等。Zhang等[6]使用碳納米管（CNTs）做原料，在1500℃和80MPa的條件下，采用放電等離子燒結(jié)法制得了納米金剛石。表征結(jié)果表明，制得的金剛石顆粒被一層無定形碳包裹著。Terranova等[7]采用熱絲CVD法，使用平均粒徑為40nm的碳顆粒做碳源，在分散有鐵納米顆粒的硅基底上制得了納米金剛石。表征結(jié)果表明，制得的金剛石呈金字塔形，直徑在20~100nm之間。
1.2碳納米洋蔥碳納米洋蔥是1992年Ugarte在顯微鏡中通過強電子束照射碳灰而發(fā)現(xiàn)的[9]。碳納米洋蔥的微觀形貌為多層石墨構(gòu)成的洋蔥狀顆粒，尺寸在納米數(shù)量級。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)展了多種制備碳納米洋蔥的方法，如電子束照射法、離子注入法、電弧放電法、碳煙灰的沖擊波處理法及等離子體噴頭上的碳沉積法等。電子束照射法是用具有一定能量的電子束照射含碳原料，使其汽化成碳原子和原子團，然后再重新結(jié)合、形成新的碳納米材料的方法。一般情況下，電子束照射法制得的碳納米洋蔥呈球形，對稱性好，形成的殼層在3~10層之間[8]。Sano等[9]采用水中電弧放電法，制得了碳納米洋蔥；表征結(jié)果表明，制得的碳納米洋蔥直徑在4~36nm之間，石墨化程度不高，具有較大的表面積（984.3m2/g）。
1.3碳納米籠碳納米籠的結(jié)構(gòu)和形貌多樣，具有優(yōu)異的理化性質(zhì)。籠狀結(jié)構(gòu)的碳納米顆粒之間存在空隙，很方便填充金屬顆粒或其它分子，制備成具有特殊性質(zhì)的納米復合材料。由于范德華力的作用，碳納米顆粒往往團聚嚴重，不易分散，使得其性質(zhì)和應(yīng)用研究受到限制。因此，制備分散性好、性質(zhì)優(yōu)異的碳納米籠顆粒具有重要的意義。碳納米籠的制備方法包括CVD法、超臨界流體法、模板法、激光蒸發(fā)法及溶劑熱法等。Li等[10]在超臨界二氧化碳中，使用二甲苯為原料，在Co/Mo催化劑上沉積制得了碳納米籠。表征結(jié)果表明，制得的碳納米籠的表面積和孔體積的大小與反應(yīng)溫度和壓力有關(guān)。在650~750℃之間制得的碳納米籠直徑在10~60nm之間；在650℃和10.34MPa的條件下，制得的碳納米籠的孔體積為5.8cm3/g，表面積為1240m2/g。Wang等[11]使用乙醇和Fe（CO）5為原料，采用模板法，在600~900℃條件下，制得了碳納米籠。研究結(jié)果表明，制得的碳納米籠的直徑在30~50nm之間，表面積在400~800m2/g之間；其可以分散在水中，幾個月都不會團聚。
2應(yīng)用
2.1催化劑載體碳元素以其特有的成鍵形式（sp、sp2和sp3）構(gòu)成了形貌和結(jié)構(gòu)多樣的納米顆粒材料，這類碳納米材料獨特的結(jié)構(gòu)和奇異的物理化學性質(zhì)賦予其廣泛的用途。尤其是碳納米籠顆粒，在眾多的應(yīng)用中作為催化劑載體而成為催化領(lǐng)域的研究熱點之一。Yun等[12]將鉑催化劑負載在中空碳納米球顆粒上，并且催化烯烴加氫反應(yīng)。結(jié)果表明，中空碳納米球顆粒負載催化劑的催化效果要高于活性炭；考察了碳納米顆粒的結(jié)構(gòu)對負載鉑催化劑催化環(huán)己烷脫氫反應(yīng)性能的影響。杜建平等[13]采用爆炸輔助化學氣相沉積法制得了石墨化程度不高，類似球形的碳納米顆粒?？疾炝似湄撦d鉬催化劑含量對環(huán)己烷脫氫反應(yīng)的催化性能。結(jié)果表明，鉬含量對環(huán)己烷脫氫催化反應(yīng)有較大影響。鉬含量15%時，催化性能最佳。
2.2生物醫(yī)藥與其它維數(shù)的納米材料相比，零維納米材料除了尺寸小之外，更重要的是其具有較大的比表面積，這使得其表面活性也有所增大。碳納米顆粒直徑越小，處于表面的原子比例就越大，反應(yīng)活性越高，其對生物組織、細胞傷害就越大；直徑越大，其在生物體內(nèi)的免疫性越強，容易遭到免疫系統(tǒng)的攻擊，從而被器官捕獲和降解。周兆熊等[14]采用高壓均質(zhì)方法，使用全氟碳納米顆粒荷載藥物地塞米松磷酸鈉或醋酸地塞米松。研究結(jié)果表明，荷載地塞米松磷酸鈉和醋酸地塞米松的全氟碳納米顆粒直徑分別為（224±6）和（236±9）nm。荷載地塞米松磷酸鈉和醋酸地塞米松的包封率分別為（66.4±1.0）%和（95.3±1.3）%，首日溶出比率分別為77.2％和23.6％。與不用全氟碳納米顆粒荷載相比，全氟碳納米顆粒荷載順磁性造影劑釓噴酸葡胺可增加信號強16％。因此，全氟碳納米顆粒荷載藥物具有較好的緩釋性，能增加磁共振造影劑的信號強度，從而提高其檢測靈敏性。
2.3磁性材料安玉良等[15]采用控溫還原炭化過程，利用纖維素和硝酸鐵為原料，制得了包裹金屬的碳納米顆粒。表征結(jié)果表明，該碳納米顆粒直徑分布在20~90nm之間；具有對電磁波的電損耗和磁損耗效應(yīng)；電損耗角正切值在1.1~1.2之間，磁損耗角正切值在0.45~0.70之間；電損耗角正切值隨著頻率的增加而增加；這些結(jié)果表明碳包覆鐵納米顆?？梢宰鳛檩^好的電磁材料。陳進等[16]采用電弧放電法制得了包裹銅粒子的碳納米顆粒，考察了該碳納米顆粒的導電性能。結(jié)果表明，該碳納米顆粒具有核殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為銅粒子核，外部為碳層且石墨化程度較高。該包裹銅粒子的碳納米顆粒的導電性隨著銅含量的增加而增加。當銅含量為80（wt）%時出現(xiàn)突躍。
2.4發(fā)光材料熒光碳納米顆粒是一類較為理想的熒光標記和檢測材料。因此，目前制備和研究熒光碳納米顆粒成為一項受到廣泛關(guān)注的課題。郭艷等[17]在恒定電壓下，利用鄰苯二甲酸氫鉀、乙二胺四乙酸二鈉、檸檬酸鹽為電解液，采用電化學刻蝕石墨的方法，制得了帶有熒光的碳納米顆粒。與鄰苯二甲酸氫鉀和檸檬酸鹽的電解液相比，同濃度的乙二胺四乙酸二鈉為電解液制得的碳納米顆粒的熒光最強。熒光強度隨某種電解液濃度的減小而降低。研究表明，具有sp2結(jié)構(gòu)的碳簇可能是碳納米顆粒的發(fā)光中心。Bourlinos等[18]利用有機物碳化的方法制得了不具有晶體結(jié)構(gòu)的，直徑小于10nm的碳納米顆粒，其可以發(fā)出多種可見光，得到了3%的熒光量子產(chǎn)率。
3結(jié)語與展望
納米材料制備技術(shù)的發(fā)展為解決這個問題提供了可能。隨著制備技術(shù)的提高，納米材料的晶粒尺寸、制造成本不斷降低，而致密度、晶粒尺寸均勻度不斷提高。例如，采用脈沖電沉積技術(shù)制備納米Ni和Ni基合金薄板，通過各種參數(shù)的控制可使晶粒尺寸接近10nm，且沉積層具有很窄的晶粒尺寸分布范圍。采用納米材料進行微塑性成形，即使零件特征尺寸降低到微米尺度，零件內(nèi)部依然包含大量的晶粒，可以排除各向異性的影響，從而抑制甚至消除尺度效應(yīng)，解決微成形技術(shù)工程化應(yīng)用的瓶頸問題。同時，納米材料具有優(yōu)異的力學性能，可以提高零件的質(zhì)量。采用納米材料進行塑性微成形，又帶來了新的問題。隨著晶粒尺寸的顯著降低，納米材料的強度、硬度成倍增加，塑性變形能力卻明顯變差［18］，如果采用常規(guī)微成形工藝進行成形，為保證成形精度，對模具材料性能的要求明顯增加，模具昂貴，摩擦磨損嚴重，壽命短。這會嚴重阻礙微塑性成形的廣泛應(yīng)用。研究經(jīng)驗表明，比較好的解決方式是采用超塑成形技術(shù)進行微成形，例如，Saotome等人采用超塑微成形技術(shù)制造了微齒輪［7］，張凱鋒等人采用該技術(shù)制造了微槽和微柱［13］。在超塑狀態(tài)下，材料的變形抗力可以降低幾十甚至上百倍［19—21］，變形抗力和摩擦力都明顯降低，從而顯著降低微成形工藝對模具性能的苛刻要求，提高工藝穩(wěn)定性和成形精度。采用超塑微成形技術(shù)的條件是，成形的材料必須是超塑性材料，幸運的是，納米材料通常具有超塑性。Mcfadden等人［22］發(fā)現(xiàn)1420鋁合金和Ni3Al材料的晶粒減小到納米尺度后，材料在較低的溫度就可以獲得良好的超塑性。在超塑狀態(tài)下，應(yīng)力明顯降低，從而降低對微小尺寸成形模具的性能要求，使得大批量生產(chǎn)微小零件成為可能。隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，微型零件的需求量不斷增加。微陣列是一種典型的微結(jié)構(gòu)零件，在醫(yī)療、通訊、光學、化學等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如生物微針陣列、微生物芯片、光存儲器、微化學反應(yīng)芯片、微傳感器等。微陣列的制造工藝包括光刻、離子蝕刻、同步X射線光刻塑模電鑄等，但各種工藝間的生產(chǎn)成本、制造周期、產(chǎn)品質(zhì)量及適用材料等方面有較大差別。如果采用超塑微成形技術(shù)制造微陣列，可以顯著降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和工藝穩(wěn)定性。而且，采用超塑微成形技術(shù)還可以脹形出空心圓柱微陣列，在生物芯片、微化學反應(yīng)芯片上會有重要應(yīng)用。擬采用電沉積技術(shù)制備鎳基納米材料，系統(tǒng)研究其超塑性微成形機理，實現(xiàn)微陣列的批量制造，不僅能夠解決微成形技術(shù)工程化應(yīng)用的瓶頸問題，而且有助于深入理解微成形的科學理論。
2微成形研究現(xiàn)狀
微成形的工藝可以分為體積微成形和薄板微成形兩種。體積微成形的加工工藝主要有微壓縮、微鍛造、微鑄造等;薄板微成形工藝主要有微拉深、微彎曲、微沖裁等。隨著微成形技術(shù)的發(fā)展，工件尺寸越來越微小，而在加工過程中，會由于工件尺寸的變小，得到的實驗結(jié)果與宏觀理論恰恰相反，許多宏觀上得到應(yīng)用的理論，不能簡單地縮放就應(yīng)用在微成形上［23—24］，對于微成形中的尺寸效應(yīng)，需要得出全面的實驗結(jié)論和微觀可用的理論［25］。MichaelD．Uchic等人利用微壓縮實驗和模擬以位錯為基礎(chǔ)的變形過程進行了深入的研究［26］，清楚地證明了尺寸的變化對于材料性能的影響，如晶粒的受力變形或產(chǎn)生應(yīng)變梯度等，并也發(fā)現(xiàn)了小尺寸樣品會產(chǎn)生應(yīng)變突變，這對于理解位錯自由組合消耗能量具有新的理解意義，并可以推動尺寸變形理論的產(chǎn)生。美國的Mara等人利用微壓縮測試Cu/Nb納米層狀復合材料的機械力學性能，其微柱的壓縮形變在相對于圓柱軸和壓縮方向的45°方向被觀察到，剪切帶也是顯而易見地被發(fā)現(xiàn)，且出現(xiàn)了比較大的塑性變形和相對于壓縮軸的旋轉(zhuǎn)［27］。H．Justinger等人利用8mm到1mm直徑的沖頭對不同的晶粒尺寸和箔材的厚度比的材料進行了微拉深試驗，觀察到?jīng)_頭的力出現(xiàn)了明顯的變化，同時改變粗糙度會顯著影響杯型的幾何形狀［28］。建立了一個不同數(shù)量晶粒的單位體積的立方體基本模型，可以在下一個微成形過程中估計單一晶粒的可能取向，并解釋了不同影響條件在微拉深中壓縮和拉伸過程的流變應(yīng)力變化的原因。日本的K．Manabe等人成功地利用微拉深工藝將20μm厚的鋁箔制造成直徑為500μm的微杯，并對杯子的幾何形狀、厚度應(yīng)變分布以及表面粗糙度進行了測定［29］。研究表明，降低表面粗糙度更有益于微拉深的成形，表面粗糙度的增大不僅影響表面質(zhì)量，還對成形極限產(chǎn)生影響，材料表面的光滑和拉深沖頭的光滑，仍然是研究的重點方向。中國臺灣學者Cho-PeiJiang和Chang-ChengChen，利用V型彎曲測試系統(tǒng)研究了板材的晶粒尺寸效應(yīng)與彎曲板材厚度之間的關(guān)系，平均晶粒尺寸為25～370μm，板材厚度為100～1000μm，T/D為1～30，結(jié)果表明當平均晶粒尺寸恒定時，屈服強度和最大沖壓力隨著T/D的減小而降低，而隨著T/D的增大，回彈量變小;當板材厚度一定時，平均晶粒尺寸變化的回彈現(xiàn)象類似于宏觀尺寸的板材V型彎曲試驗結(jié)果［30］。
3實驗研究與討論
3．1電沉積過程影響因素研究
3．1．1電流密度變化Ni-Co/GO復合材料電沉積過程中，不同電流密度(1．1，1．4，1．7，2．0，2．3，2．6A/dm2)的常溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖1所示，總體的變化趨勢是隨著電流密度的增大，應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，應(yīng)力在1．1A/dm2時較小，為721MPa，在2．0A/dm2時達到最大，為1260MPa，其余的電流密度對應(yīng)的應(yīng)力大小較接近，在870～930MPa之間變化。不同電流密度的高溫拉伸真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖2所示，圖中右上角的曲線圖為不同電流密度與延伸率的關(guān)系圖。隨著電流密度的增大，延伸率出現(xiàn)先增大后減小的情況，在電流密度為2．0A/dm2時產(chǎn)生的延伸率最大，達到535．8%。較高的電流密度可以得到較高的過電勢，產(chǎn)生較大的成核速率，形成較多的晶核數(shù)，從而使得晶粒細化，因此隨著電流密度的提高，復合材料的晶粒尺寸減小，能夠有效地提高材料的常溫和高溫拉伸性能。當電流密度過高時，在一個脈沖周期的導通時間內(nèi)會快速沉積，因為受到電鍍液中擴散速率的影響，導致達到下一個脈沖周期時陰極表面的金屬離子較少，對沉積速率及沉積得到的復合材料的性能產(chǎn)生較大的影響。
3．1．2pH值變化圖3是鍍液中不同pH值制備的復合材料常溫拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，pH值依次為2，3，4，5．5。在工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可以看到，隨著pH值的增加，應(yīng)力、應(yīng)變隨之增加，在pH值為2時應(yīng)力最小，為773MPa，當pH值為5．5時，應(yīng)力達到1260MPa。當pH值較低時，雖然能夠提高陰極電流密度的范圍，增大了沉積速率，但會導致陰極析氫增加，從而導致內(nèi)部和外部出現(xiàn)氣孔，降低復合材料的力學性能。而過高的pH值會使鍍層的脆性增加，也不利于力學性能的提高。
3．2單向拉伸試驗研究
3．2．1應(yīng)變速率變化研究圖4為常溫條件下應(yīng)變速率變化的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。當應(yīng)變速率為1．68×10－2和1．68×10－3時，應(yīng)力約為630MPa，應(yīng)變約為0．41;當應(yīng)變速率為1．68×10－4時，應(yīng)力和應(yīng)變都出現(xiàn)明顯增加，應(yīng)力可以達到1245MPa，應(yīng)變約為0．69;而當應(yīng)變速率為1．68×10－5時，應(yīng)力出現(xiàn)非常明顯的減小，降到937MPa，應(yīng)變變化較小，約為0．67。出現(xiàn)這個現(xiàn)象主要是因為，復合材料中由于存在一些空隙和位錯，當應(yīng)變速率較大時，位錯來不及滑移，其他晶粒也來不及補充到空隙位置，導致在位錯或空隙位置出現(xiàn)斷裂，從而得不到較好的力學性能;隨著應(yīng)變速率變小，晶?？梢蕴畛淇障段恢?，位錯也出現(xiàn)滑移等，有效地增加復合材料的應(yīng)力應(yīng)變等力學性能;而當應(yīng)變速率繼續(xù)減小，填充的量增加，滑移也比較明顯，出現(xiàn)了應(yīng)變增大但應(yīng)力增加較小的現(xiàn)象。
3．2．2復合材料的厚度變化研究圖5是復合材料不同厚度的常溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。從圖中可以看出，隨著復合材料的厚度的增加，材料應(yīng)變隨之增大，這主要是因為復合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同樣存在位錯和空隙的情況下，會一直存在晶粒被拉應(yīng)力的作用，不會因為空隙導致突然斷裂，從而導致應(yīng)變增大。當復合材料較薄時，應(yīng)力會稍小一些，這主要是因為試樣薄，位錯和間隙存在的情況下，會出現(xiàn)某部位突然斷裂，從而影響材料的應(yīng)力，而當復合材料厚度增加后，會因為存在較多晶粒，從而增加材料的應(yīng)力。
3．2．3試樣寬度變化研究圖6是不同寬度試樣的常溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖6可以看出，隨著試樣寬度的增加，應(yīng)變也隨之增加。當試樣寬度增加時，復合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同樣存在位錯和空隙的情況下，會存在有效的拉應(yīng)力作用在不同的晶粒上，導致應(yīng)變增大;同時不同的試樣寬度，拉應(yīng)力基本相同，這是因為雖然試樣的寬度不同，但是作用在每個晶粒上的力基本相同，拉應(yīng)力變化不大。
3．3微半球體高溫氣體脹形圖7是電沉積液中GO不同加入量時的高溫氣體脹形得到的微半球體，圖7a—c的GO的添加量依次為0．01，0．03，0．05g/L。所得到的高溫脹形件的高度依次為2．5，2．7，3．0mm，模具的孔半徑為2．5mm，因此，H/r依次為1，1．08，1．2。這與高溫拉伸的數(shù)據(jù)符合，都實現(xiàn)了高溫超塑性。圖8為脹形件厚度分布圖。微半球自底端至頂端，厚度逐漸變薄。厚向應(yīng)變不均勻，這主要是脹形件在不同位置應(yīng)力狀態(tài)差異造成的。脹形件的頂端為等軸應(yīng)力狀態(tài)，而靠近底端的部分，由于模具夾持作用，限制了板材沿圓周方向變形，因此這個位置的應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)變狀態(tài)。由于局部應(yīng)力的差異導致不同位置具有不一樣的應(yīng)變速率，最后造成零件不同位置厚度的差別。在頂端區(qū)域由于有較大的應(yīng)變速率，造成了顯著的變薄效應(yīng)。圖9為脹形件脹破斷口的SEM圖。斷口的晶粒粒徑比較均勻，為1～2μm，在圖9中發(fā)現(xiàn)存在GO，且存在GO的位置的晶粒較其他部分的晶粒稍小一些，說明GO的加入可以提高材料的熱穩(wěn)定性，抑制金屬晶粒在高溫下的長大，但加入量比較少，對材料晶粒長大的抑制作用較小。在脹破斷口很難尋找到GO的存在，是因為在高溫下，GO出現(xiàn)了揮發(fā)，且由于GO的厚度比較小，在產(chǎn)生揮發(fā)后很難在SEM下發(fā)現(xiàn)。
4結(jié)論
1．1炭干凝膠的制備
傳統(tǒng)炭凝膠的制備一般經(jīng)過有機凝膠的形成、干燥和炭化過程3個步驟，炭干凝膠的具體合成步驟如下：首先采用間苯二酚和甲醛為原料在堿性催化劑下合成聚合物中間體，再經(jīng)過進一步的交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠；然后在常壓下直接蒸發(fā)干燥；最后在惰性氣氛（氮氣或氬氣）或真空條件下高溫炭化。經(jīng)上述步驟制得的炭干凝膠具有比表面積大、導電性能好等特性。炭干凝膠是指在干燥步驟采用常壓干燥的方式制備所得的材料。盡管常壓干燥會引起材料孔道塌陷，但因其成本低廉成為近年來研究的熱點。
1．2炭干凝膠的改性
近年來，國內(nèi)外學者采用摻雜和復合的方法對炭干凝膠進行改性，改善并提升了其物理化學性質(zhì)，使其更為廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
1．2．1氮摻雜炭干凝膠
Castilla等采用3－羥基吡啶等為氮源合成了氮摻雜炭干凝膠，研究結(jié)果表明，采用不同的原料配比和不同的炭化溫度（500～900℃）可以得到一系列氮含量不同的炭干凝膠。Gorgulho等在間苯二酚和甲醛為原料的基礎(chǔ)上，添加三聚氰胺和尿素為氮源，成功合成了氮摻雜炭干凝膠，以調(diào)控炭干凝膠的表面功能基團。結(jié)果表明，經(jīng)過氮源摻雜合成的炭干凝膠，材料的表面堿度均有提升。
1．2．2金屬摻雜炭干凝膠
為了增強炭干凝膠的導電、催化等性能，很多學者成功制備了各種金屬摻雜的炭干凝膠。Pramanik等成功合成了錳、鈷和鈣等金屬摻雜的炭干凝膠，研究了金屬摻雜對材料比表面積及形貌的影響。研究結(jié)果表明，當間苯二酚與甲醛摩爾比為0．35，初始酚醛樹脂溶液pH為3．0，摻雜的錳鹽同間苯二酚質(zhì)量比為11％時，得到的錳摻雜炭干凝膠比表面積最大。Liu等對鐵、鈷和鎳摻雜的炭干凝膠進行了表征，并對其磁性進行了檢測。結(jié)果表明，不同金屬摻雜對炭干凝膠的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有顯著影響，3種金屬摻雜的炭干凝膠在室溫下均呈現(xiàn)出典型的鐵磁特性。
1．2．3炭干凝膠復合材料
Gomes等采用溶膠－凝膠法合成了二氧化鈦－炭干凝膠的復合材料，炭干凝膠作為載體增強了二氧化鈦與鉑顆粒的結(jié)合作用，該復合材料也成功應(yīng)用于鉑納米顆粒的光化學沉積。此外，F(xiàn)ernández等成功合成了碳納米管－炭干凝膠的復合材料，通過循環(huán)伏安法、充放電等手段對該復合材料的電化學性質(zhì)進行測試后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的引入提升了材料的電容，而且在提升材料有效固相電導率的同時，還提升了液相電導率。
2炭干凝膠的應(yīng)用研究進展
2．1儲氫
近年來，多孔炭材料因其具有高比表面積和輕質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于儲氫領(lǐng)域。Tian等采用酸性催化劑合成了炭干凝膠，并測試了其儲氫性能。結(jié)果表明，在pH為4．8的條件下合成的炭干凝膠，比表面積為1924m2／g，微孔容積為0．86cm3／g。在溫度為77K以及壓力為3．9MPa的條件下，合成所得炭干凝膠的儲氫量為4．65％（wt，質(zhì)量分數(shù)），證實了炭干凝膠是一種極具前景的儲氫材料。
2．2電化學領(lǐng)域
炭干凝膠由于具有成本低廉、高比表面積和高電導率等優(yōu)良性能，是一種理想的電極材料。FernNdez等將炭干凝膠用于電化學超級電容器，通過循環(huán)伏安法、計時電勢分析法及交流阻抗測試研究了電容器阻抗理化參數(shù)同電化學行為之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明炭干凝膠具有極高的比電容，可達280F／g。此外，炭凝膠電容器電吸附去除水溶液中重金屬和無機鹽的研究表明炭干凝膠用作電吸附劑在水體凈化等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用空間。
2．3催化劑及其載體
炭干凝膠所具備的比表面積大、穩(wěn)定性好、高度交聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)等特性使之成為催化劑及其載體的最佳選擇。Xin等采用錳摻雜的炭干凝膠作為催化劑，進行了液相放電等離子體去除微囊藻毒素的研究，隨著炭干凝膠的加入，微囊藻毒素的去除率從75．3％提升到90．2％，并提出了相應(yīng)的氧化－吸附動力學模型。Xu等將炭干凝膠作為金催化劑的載體，并篩選了用于苯甲醇選擇性氧化的最佳載體，原因在于炭干凝膠材料表面具有足量的含氧官能團。Rodrigues等同樣將金催化劑負載于炭干凝膠上，并將其用于甘油的氧化，通過改變炭干凝膠的中孔大小來改變催化劑的選擇性。此外，Ale－gre等將鉑負載在炭干凝膠上用來催化甲醇的電氧化，同催化劑Pt／E－TEK相比，其催化性能提升了2倍多。炭干凝膠還可以用作用作質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑載體，該催化劑具有較高的循環(huán)電壓和一氧化碳及甲醇氧化電流，并且在采用炭干凝膠作為催化劑載體的燃料電池中，貴金屬顆粒的燒結(jié)趨勢很小。還有許多研究人員將炭干凝膠作為催化劑用于污染物的催化氧化。CA等研究了炭干凝膠以及二氧化鈰摻雜的炭干凝膠催化臭氧氧化的性能。對草酸的催化臭氧氧化結(jié)果表明，所有的催化劑均能在1h內(nèi)將其全部降解。
2．4環(huán)境保護領(lǐng)域
在環(huán)境保護領(lǐng)域，炭干凝膠已廣泛地應(yīng)用于水處理方面。Ca等將炭干凝膠應(yīng)用于亞甲基藍的吸附。結(jié)果表明，炭干凝膠微孔容積和微孔比表面積的增加能夠顯著提升其對亞甲基藍的吸附量，并且通過朗格繆爾模型計算得到的結(jié)合能同商業(yè)的微孔活性炭相比有了45倍的提升。Figueiredo等將制備得到的炭干凝膠用于2種陰離子染料的吸附，獲得了良好的吸附效果。Almazan等研究了炭干凝膠結(jié)構(gòu)特性對于揮發(fā)性有機物甲基碘動力學吸附的影響，結(jié)果表明吸附量同孔容密切相關(guān)，而且內(nèi)擴散的傳質(zhì)阻力同孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。此外，Girgis等將炭干凝膠用于水中銅離子的吸附，吸附量為32～130mg／g，該研究為去除水體中的重金屬離子提供了一種新型的納米級多孔性炭材料。
3結(jié)語與展望
炭干凝膠作為一種新型的納米材料。具有許多獨特的性能，在近年來引起了廣泛關(guān)注。針對目前存在的問題，炭干凝膠今后努力的方向大致為以下幾個方面。
（1）制備工藝的完善與創(chuàng)新。
雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)成功合成了不同孔徑結(jié)構(gòu)的炭干凝膠，并采用各種手段對其進行了性能改良，但是離實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。尋求適合工業(yè)發(fā)展的制備工藝，簡化流程、降低生產(chǎn)成本是今后努力的方向。
（2）理論體系的完善。
盡管目前已經(jīng)對炭干凝膠合成的機理有了很深入的研究，但如何實現(xiàn)孔徑結(jié)構(gòu)的完全可控還需要進一步的研究。此外，在炭干凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機理以及聚合單體的生長動力學等方面也需要進一步的努力。
（3）應(yīng)用領(lǐng)域的進一步拓展。
自70年代納米顆粒材料問世以來，80年代中期在實驗室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學和凝聚態(tài)物理研究的前沿熱點是在80年代中期以后。從研究的內(nèi)涵和特點大致可劃分為三個階段。
第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。
第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復合，納米微粒與常規(guī)塊體復合及發(fā)展復合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導方向。
第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。
如果說第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機性，那么這一階段研究的特點更強調(diào)人們的意愿設(shè)計、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學家費曼曾預言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實現(xiàn)費曼預言，創(chuàng)造新奇跡的起點。美國加利福尼亞大學洛倫茲伯克力國家實驗室的科學家在《自然》雜志上，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學和物理學的重要前沿課題?？梢姡{米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導方向。
二、納米材料研究的特點
1、納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴大
第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90％，孔徑大小為納米級，這就導致孔隙間的材料實際上是納米尺度的微?；蚪z，這種納米結(jié)構(gòu)為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個三維空間。納米管的出現(xiàn)，豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的機遇。
2．納米材料的概念不斷拓寬
1994年以前，納米結(jié)構(gòu)材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)涵變得豐富多彩。
3．納米材料的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點
經(jīng)過第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米材料所具備的不同于常規(guī)材料的新特性，對傳統(tǒng)工業(yè)和常規(guī)產(chǎn)品會產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實驗室的成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，國際上已有20多個納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線，其中陶瓷納米粉體對常規(guī)陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開始已陸續(xù)進入市場，所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益以20％速度增長。
三、納米材料的發(fā)展趨勢
1．加強控制工程的研究
在納米材料制備科學和技術(shù)研究方面一個重要的趨勢是加強控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻大小、強弱往往很難區(qū)分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現(xiàn)象的解釋帶來困難，同時也給設(shè)計新型納米結(jié)構(gòu)帶來很大的困難。如何控制這些效應(yīng)對納米材料性能的影響，如何控制一種效應(yīng)的影響而引出另一種效應(yīng)的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面：一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；三是通過設(shè)計納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。
2．近年來引人注目的幾具新動向
（1）納米組裝體系藍綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍綠光發(fā)光強度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強的藍綠光，比多孔Si的最強紅光還高出1倍多，250nm波長光激發(fā)出極強的藍光。
（2）巨電導的發(fā)現(xiàn)。美國霍普金斯大學的科學家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強的高電導現(xiàn)象，當金顆粒的體積百分比達到某臨界值時，電導增加了14個數(shù)量級；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導增加8個數(shù)量級；
研究表明，聚苯乙烯納米粒子的大小與DCs的相互作用關(guān)系密切。20nm與500nm的納米粒子注射C57BL/c小鼠后，500nm的納米粒子經(jīng)淋巴結(jié)中CD8α+、CD8α－DC及類漿細胞DCs(plasmacytoidDCs，pDCs)轉(zhuǎn)運，相反，20nm納米粒子可自由運輸，清除了DCs的小鼠中未見到500nm納米粒子的轉(zhuǎn)運。Kunzmann等［11］發(fā)現(xiàn)，硅包被的氧化鐵納米粒子誘導劑量依賴的DCs細胞毒性，但同樣大小的葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子對DCs無細胞毒性;硅和葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子均可以刺激DCs產(chǎn)生致炎性細胞因子。Winter等［12］報道，14nmSi和TiO2均可以活化小鼠骨髓來源的DCs，促進CD11c和MHCⅡ的表達，活化炎癥復合體，即14nmSi和TiO2通過影響DCs細胞的功能影響免疫反應(yīng)。
2納米粒子對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響
關(guān)于納米材料對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響的研究較少。Gustafsson等［13］報道，單劑量(5mg/kg)的TiO2納米粒子吸入后，DarkAgouti大鼠氣道中介導免疫反應(yīng)的是CD4+T細胞，早期的炎癥因子是T細胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、細胞因子誘導的中性粒細胞趨化因子1(CNIC-1)和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)。Schanen等［14］用1．56μmol/L的TiO2納米粒子處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞(humanumbilicalveinendothelialcells，HUVECs)和人外周血單個核細胞(peripheralbloodmononuclearcells，PBMCs)24h，導致HUVECs和PBMCs產(chǎn)生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性細胞因子;而且，納米粒子可刺激DCs成熟，表達CD86、CD83、CCR7分子，促進NaveCD4+T細胞的活化與增殖。同樣，Ghoneum等［15］發(fā)現(xiàn)，體外50～200μg/mL的納米鉆石或納米鉑(DPV576)刺激人單核細胞來源的DCs24h，可活化DCs，誘導DCs表達CD86、CD83，產(chǎn)生IL-6、TNF和IL-10，隨后活化NaveCD4+T細胞并刺激其增殖。因而這些納米粒子可通過刺激DCs成熟、增強CD4+T細胞的增殖，從而增強機體的免疫反應(yīng)。Ogunwale等［16］發(fā)現(xiàn)，4nm的鈷鉻(Co-chromium，CoCr)納米粒子對DCs、T細胞、B細胞產(chǎn)生的效應(yīng)不同，25μg/mL的CoCr納米粒子不能活化DCs和B細胞，但能抑制T細胞的增殖反應(yīng)。與單獨的DNA疫苗相比，DNA吸附陽離子聚苯乙烯(poly-L-lysine-coated)的納米粒子皮內(nèi)免疫小鼠，可增強抗體的產(chǎn)生，增強CD4+、CD8+T細胞的增殖反應(yīng)［17］。而且，納米粒子的大小也影響適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型。40～49nm納米粒子包被的OVA抗原單次免疫小鼠，可誘導小鼠CD8+T細胞產(chǎn)生IFN-γ;而93～123nm納米粒子包被OVA單次免疫小鼠，可誘導小鼠CD4+T細胞的活化，產(chǎn)生IL-4。49nm納米粒子結(jié)合呼吸道合胞病毒(respiratorysyncytialvirus，RSV)抗原G88免疫小鼠，與單純G88免疫組相比，能誘導更高水平的IFN-γ，顯著減少經(jīng)RSV滴鼻攻擊感染后的病毒滴度。因而，選擇不同大小的納米粒子作為抗原載體免疫小鼠，可影響小鼠適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型［18］。
3納米粒子的免疫調(diào)節(jié)機制
固有免疫和適應(yīng)性免疫間存在精細的平衡。納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應(yīng)性免疫細胞的功能來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，但其具體的作用機制仍不清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)納米材料影響Th1/Th2細胞的平衡。10－5～10－7mol/L的鈷納米粒子刺激后，人PMBCs可產(chǎn)生大量的TNF-α、IFN-γ等Th1相關(guān)細胞因子，但IL-10等Th2相關(guān)細胞因子減少［19］。Liu等［20］報道，0．5μmol/kg的水溶性富勒烯C60注射小鼠后，血清中IL-2、IFN-γ、TNF-α等Th1相關(guān)細胞因子的產(chǎn)生增加，IL-4、IL-5等Th2相關(guān)細胞因子的產(chǎn)生減少，CD4+/CD8+T細胞的比例增高，小鼠免疫反應(yīng)明顯增強。納米粒子的另一個重要調(diào)節(jié)機制是誘導或改變DCs的分化和成熟，因而，納米材料可作為疫苗佐劑增加疫苗的免疫反應(yīng)。Wang等［21］報道，乙型肝炎病毒的DNA疫苗用SiO2、層狀雙金屬氫氧化物納米顆粒負載，可刺激DCs成熟。體內(nèi)免疫BALB/c小86江蘇大學學報(醫(yī)學版)第25卷鼠，納米粒子負載的DNA疫苗誘導比單獨DNA疫苗誘導有更強的血清抗體反應(yīng)，能促進T細胞增殖，使T細胞向Th1方向極化，說明納米粒子可作為一種有效的非病毒基因傳遞系統(tǒng)，增強疫苗的免疫反應(yīng)。攜帶DNA疫苗的聚丙烯酸酯納米顆粒，體外轉(zhuǎn)染小鼠DC2．4細胞系，可促進DCs的分化成熟，轉(zhuǎn)染了該DNA納米顆粒的DCs可刺激活化NaveCD8+T細胞產(chǎn)生高水平的IFN-γ，表明聚丙烯酸酯納米顆?？勺鳛楦咝У腄NA疫苗佐劑，增強疫苗的免疫反應(yīng)［22］。
4結(jié)論
自70年代納米顆粒材料問世以來，80年代中期在實驗室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學和凝聚態(tài)物理研究的前沿熱點是在80年代中期以后。從研究的內(nèi)涵和特點大致可劃分為三個階段。
第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。
第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復合，納米微粒與常規(guī)塊體復合及發(fā)展復合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導方向。
第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。
如果說第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機性，那么這一階段研究的特點更強調(diào)人們的意愿設(shè)計、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎金獲得者，美國物理學家費曼曾預言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實現(xiàn)費曼預言，創(chuàng)造新奇跡的起點。美國加利福尼亞大學洛倫茲伯克力國家實驗室的科學家在《自然》雜志上，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學和物理學的重要前沿課題?？梢?，納米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導方向。
二、納米材料研究的特點
1、納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴大
第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90％，孔徑大小為納米級，這就導致孔隙間的材料實際上是納米尺度的微?；蚪z，這種納米結(jié)構(gòu)為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個三維空間。納米管的出現(xiàn)，豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的機遇。
2．納米材料的概念不斷拓寬
1994年以前，納米結(jié)構(gòu)材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)涵變得豐富多彩。
3．納米材料的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點
經(jīng)過第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米材料所具備的不同于常規(guī)材料的新特性，對傳統(tǒng)工業(yè)和常規(guī)產(chǎn)品會產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實驗室的成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，國際上已有20多個納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線，其中陶瓷納米粉體對常規(guī)陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開始已陸續(xù)進入市場，所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益以20％速度增長。
三、納米材料的發(fā)展趨勢
1．加強控制工程的研究
在納米材料制備科學和技術(shù)研究方面一個重要的趨勢是加強控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻大小、強弱往往很難區(qū)分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現(xiàn)象的解釋帶來困難，同時也給設(shè)計新型納米結(jié)構(gòu)帶來很大的困難。如何控制這些效應(yīng)對納米材料性能的影響，如何控制一種效應(yīng)的影響而引出另一種效應(yīng)的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個方面：一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；三是通過設(shè)計納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。
2．近年來引人注目的幾具新動向
（1）納米組裝體系藍綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍綠光發(fā)光強度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強的藍綠光，比多孔Si的最強紅光還高出1倍多，250nm波長光激發(fā)出極強的藍光。
（2）巨電導的發(fā)現(xiàn)。美國霍普金斯大學的科學家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強的高電導現(xiàn)象，當金顆粒的體積百分比達到某臨界值時，電導增加了14個數(shù)量級；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導增加8個數(shù)量級；
納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學性質(zhì)，使人們意識到它的可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的帶來新的機遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨特魅力。
1.在催化方面的應(yīng)用
催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。
納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應(yīng)。
光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來催化不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在上的應(yīng)用帶來革命性的變革。
2.在涂料方面的應(yīng)用
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。
3.在其它精細化工方面的
精細化工是一個巨大的領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應(yīng)用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境領(lǐng)域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。
4.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用
21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前，人們對藥物的需求越來越高。控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向，已提到日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應(yīng)用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域獲得成功。南京希科集團利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。
微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。
納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。
納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學性質(zhì)，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨特魅力。
1.在催化方面的應(yīng)用
催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。
納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應(yīng)。
光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來革命性的變革。
2.在涂料方面的應(yīng)用
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。
3.在其它精細化工方面的應(yīng)用
精細化工是一個巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應(yīng)用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學領(lǐng)域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。
4.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用
21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高?？刂扑幬镝尫?、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥薄Ｔ摷夹g(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應(yīng)用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域獲得成功。南京希科集團利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。
微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。
納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。
