纳米金属材料

纳米金属材料（共8篇）

纳米金属材料 篇1

【中文摘要】纳米材料的合成和应用证明了其在物理、化学、材料科学等领域的巨大发展潜力,尤其是纳米材料所具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,使其产生了独特的光学、电学、化学性质以及催化性质。金属纳米颗粒的性质在近十几年受到了广泛关注。纳米尺度的金属纳米材料具备许多块体材料没有的优越性质,其中,金属纳米颗粒所具备的独特光学性质——表面等离子体共振性质已经成为研究热点之一。金属纳米颗粒中的表面等离子体共振是描述其导带电子在电磁场作用下集体振荡的一个物理概念,共振性质受尺寸、形状以及周围介质影响非常显著。对纳米颗粒尺寸及其形貌的有效控制一直都是大家关注的。近几年来,随金、银金属纳米颗粒表面增强拉曼散射效应、荧光效应的广泛应用,金属纳米颗粒已经广泛应用于催化、光催化、信息存储、表面增强拉曼、太阳能电池、生物传感器、化学传感器、非线性光学、光电子学等领域。本论文的工作主要致力于金、银纳米颗粒的合成、性质及应用：通过油相中无机金属盐的热分解,合成不同粒径的银纳米颗粒；在水相中利用柠檬酸盐

【英文摘要】The synthesis and applications of metal nanomaterials suggests their great potential foreground in the physical science, chemical science and materials science, especially for unique properties, such as surface effect，volume effect, quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect.These properties render new applications in optics, electrics, chemists and catalyzers.The properties of noble metal nanomaterials attract much attention in recent years.Metal materials in nano-scale have predominant characters which bulk metal lacks of.In particular, metal nanomaterials have excellent optical properties due to the surface plasmon resonance(SPR).SPR is a physical concept of describing the collective oscillations of conduction band electrons in the electromagnetic field, which is influenced significantly by size, shape and surrounding medium.Size and shape of nanoparticles has been the effective control of all concerned.In recent years, with a wide range use of surface-enhanced Raman scattering, fluorescence effect of gold and silver nanoparticles, metal nanoparticles have been widely used in catalysis, photocatalysis, information storage, surface-enhanced Raman, solar cells, bio-sensors, chemical sensors, nonlinear optics, optoelectronics and other fields.This thesis focus emphasis on the synthesis, properties and applications of gold and silver nanoparaticls:the thermal decomposition of inorganic salts in oil phase for synthesis of silver nanoparticles, resulting in different size;using of

citrate reduction of HAuC14 in the aqueous phase for synthesis of gold nanoparticles.With changing different protective agent(oil amine, carboxylic acides of different chain length), the size and solubility of the metal nanoparticles change.Besides, the means of transmission electron microscopy(TEM), high resolution transmission electron microscopy(HR-TEM), scanning electron microscopy(SEM), X-ray powder diffraction(XRD), UV-visible absorption spectroscopy(UV-Vis)were used to characterized the metal nanoparticle’s phase, size, morphology and optical properties;through different sulfhydryl groups replacing the surface protective agent, we studied the size and surface protective agents dependence of SPR effects.Furthermore, we use spin-coating after photolithography electrodes, to study the electronic properties of metal nanoparticles, and to explore the possible applications in semiconductor devices;when the size of metal nanoparticles drastically reduced, its boiling point sharply decline.After the sintering of the nanoparticles, they can be applied as the electrods of organic semiconductor devices.This paper illustrated the use of silver nanoparticles to serve as electrodes, and explored the role of sintering temperature and sintering time.Finally, we studied the interaction between the

absorption spectra of metal nanoparticles, semiconductors and dyes, exploring their prospects for the applications in solar cells.This thesis mainly focused on the use of chemical liquid phase synthesis methods, combining the structure, performance and applications together, expecting offering help in the preparation of fuctional devices and dye-sensitized thin film solar cells.【关键词】金属纳米颗粒 表面等离子体共振吸收 喷墨打印银电极 太阳能电池

【英文关键词】metal nanoparticles surface enhanced plasmon resonance silver inkjet printing electrodes solar cell 【目录】金属纳米颗粒的性质研究及其应用8-10ABSTRACT10-11

摘要

第一章 1.2 金

符号说明12-13引言13-19属纳米颗粒的应用15-1719-46

1.1 课题研究的背景和意义13-1414-15

1.3 本论文工作及内容安排参考文献17-19第二章 金属纳米颗粒研究现状

19-21

2.2 金属纳米2.2.2 光性质参考文献2.1 金属纳米颗粒的制备颗粒的性质21-3733-3739-4646-67

2.2.1 电性质21-33

37-392.3 金属纳米颗粒的表征第三章 金属纳米颗粒的制备及性质研究3.1 引言部分46

3.2 羧酸保护银纳米颗粒合成46-5747-483.2.1 实验部分46-473.2.3 结果与讨论48-57

3.3.1 实验部分

3.2.2 样品表征3.3 油胺保护银纳米57-58

3.3.2 样品颗粒的合成57-61表征58析58-593.3.3 结果与讨论58-613.3.3.1 样品形貌分

3.4 金纳3.4.2 金3.5 总结3.3.3.2 扫描电镜形貌表征59-61

3.4.1 实验部分61-623.4.3 结果与分析62米颗粒的合成61-62纳米颗粒的表征6262-6467-77参考文献64-674.1 引言部分67-68

第四章 金属纳米颗粒的应用

4.2 金属纳米颗粒SPR对

4.2.2 结果与4.3.1 实光阳极的增强68-70讨论68-70验部分7172-7479-80

4.2.1 实验部分68

4.3 喷墨打印银电极研究70-724.3.2 结果与讨论71-72参考文献74-77

4.4 总结

致谢学位论

第五章 结论77-79附录: 攻读硕士期间完成的论文80-90

纳米金属材料 篇2

金属材料是工业中应用最为广泛的材料, 在建筑、机械、医疗等行业都有着举足轻重的作用, 它具有相比其他材料更为优良的力学性能和特殊的物理性能, 如高强度, 较好的延展性等。一方面它能够适应科学技术方面和人民生活方面提出的各种要求, 另一方面, 金属材料无论是在性能方面还是在数量方面都还有巨大的发展潜力。因此, 探索与发展金属材料的力学性能影响因素也是至关重要的。

人们对传统的金属材料力学性能已经有充分的认识, 其理论也相对完善且能满足人们的日常生活需求。但随着科技的进步, 人们对金属材料的要求也越来越严格。轻质量、高强度、良好的导电导热性的材料受到更多科技工作者以及工业厂家的青睐。纳米金属材料发明, 其独特的力学性能引起了世界范围内的研究热潮, 越来越多的科研工作者对此进行了深入地研究。目前对金属材料进行微观研究的方法主要有实验研究和理论分析等[1]。常规的粗晶材料力学参数可以通过大量实验总结得到, 但纳米金属材料试件制备困难且实验设备要求较高, 这类金属材料的力学性能通过计算机数值模拟方法。

2 研究方法

对金属材料晶粒大小对材料性能的影响作用, Hall-Petch关系[4,5]对常规粗晶金属材料做了表征的解析式:

其中σy为材料的屈服强度, σ0为晶格摩擦阻力, 该值为与材料有关的常数, d为平均晶粒尺寸。但是, 它有其自身的局限性, H-P关系是基于位错塞积模型推导出的。在常规粗晶金属材料中, 晶粒内存在大量位错, 而晶界自由能较高, 是位错运动的势垒。晶粒滑移不能直接进入相邻晶粒, 于是位错在晶界处塞积, 造成应力集中, 成为晶粒内位错源移动的驱动力。细化晶粒可产生更多晶界, 增加位错运动障碍的数目, 假设晶界结果未发生变化, 则需施加更大外力才产生位错塞积, 从而使材料强化。但晶粒尺寸减小到纳米级别时, 晶粒由于尺寸较小而使存在位错的几率大大下降, 所以H-P关系在解释纳米尺度的金属材料强度性能问题上失效。

在对纳观尺度的材料性能研究中, 分子动力学是模拟微观原子运动的有效方法[6]。它可以模拟平衡状态和中间状态, 从而准确地描述原子尺度的微观力学行为。所有从分子动力学计算出来得到的宏观性质最终都取决于所选的势函数。所以, 精确的模拟结果需要选取合适原子间的相互作用的势函数。欧阳义芳[7]总结了原子间的相互作用势, morse[8]势函数在研究金属结构稳定性中取得巨大成功。

在本文模型中, 我们采用morse势函数来模拟原子间的相互作用势。

式中, D为原子结合能, α为与原子有关的常数, rij为原子i与j的原子间距, r0为两原子间平衡间距。下图[9]给出了几种材料的参数值。

由分子动力学基本理论, 势函数准ij对原子间的相对位移rij一次求导, 得到原子之间相互作用的力:

3 模型建立与数值模拟

在本文模型中, 采用二维平面单元plane182单元来模拟α-Fe晶粒和晶界的力学性能。

晶粒:纳米尺度上金属晶体内部一般不存在位错, 其内部原子严格分布在晶格点阵的位置上。本文晶粒按规则模型计算, 如图2所示。

在此仅对该模型进行简单的拉伸, 故边界条件为将左端原子全部固定, 经过位移加载, 得到该模型的各个节点的力, 通过整理可得到晶粒材料的应力应变曲线, 如图3所示。

晶界:晶界是取向不同的晶粒之间的夹缝原子, 它排列相对晶粒较松散, 每个原子都或多或少地偏离原来的点阵位置, 这使得晶界自由能较高, 故晶界材料的力学性能相对晶粒较差。在本文模型中, 假定晶界原子排列与晶粒内部内部原子排列相同, 仅是原子间距离有所变大, 其力学参数采用文献[10,11]计算结果。a-Fe晶界处应力应变曲线的解析式为:

采用复合有限元思想, 将金属材料视为晶粒与晶界的组合体。在分别取得晶粒和晶界的力学参数的基础上, 对组合的材料进行研究。

模型整体尺寸大小我们取为, 将晶粒与晶界按类似砖墙结构的错缝排列。晶粒尺寸分别采用100nm, 80nm, 60nm, 40nm。而晶界宽度统一取1nm, 这里偶数层 (从下面数) 的晶粒左边边缘都有一段0.5nm宽的晶界, 这是为了保证晶粒错缝排列的规律性。图4-5分别为60nm, 40nm模型。

边界条件:我们仅研究材料的简单拉伸性能, 故边界条件即可简化为对横轴底部和左边进行位移约束限制。在模型中, 晶粒与晶界交叉处由于材料性能的差别较大, 在位移的施加过程中该处会发生畸变, 需对此处的节点处进行自由度耦合, 使其在横向的位移上保持一致。

通过位移加载方法, 将材料进行简单拉伸, 得到的应力应变曲线以及晶界面积分数所占总体比例如图6-7所示。

图6中1-4线分别为晶粒尺寸100nm、80nm、60nm、40nm的材料应力应变曲线。可以看出, 随着晶粒尺寸的减小, 整体材料的屈服强度略有下降。其原因则是由于晶粒尺寸的减小, 晶界的面积分数逐步增大, 晶界对材料的影响越来越大。

4 结语

纳米尺度下的金属材料与常规粗晶材料力学性能有了很大的差别, 出现了反常的H-P关系。但这并不是完全否定H-P关系的正确性, 而是由于其局限性决定了它不能解释尺度过小引起的材料性能的变化。本文数值模拟中采用位移加载法避免了由于使用弧长法而设置收敛步长阶段, 从而大大减小了数据的计算量, 降低了对数值模拟设备的要求, 也为金属材料的数值模拟提供了一定的模拟基础。

参考文献

[1]孙伟, 常明, 杨保和.纳米晶体弹性模量的模拟研究[J].应用数学和力学, 1999 (5) :525-530.

[2]于长丰.金属单晶体杨氏模量的微观定量研究[J].吉林大学学报, 2005 (1) :73-78.

[3]王宏涛, 杨卫.纳晶金属的力学行为[J].力学进展, 2004 (3) :314-326.

[4]Hall E O.Proc Phys Soc B, 1951, 64:747.

[5]Petch N J.Iron Steel Inst, 1953, 174:25.

[6]张田忠, 郭万林.纳米力学的数值模拟方法[J].力学进展2002 (2) :175-187.

[7]欧阳义芳, 钟夏平.凝聚态物质计算和模拟中使用的相互作用势[J].力学进展, 2006 (3) :321-343.

[8]Morse P M:Diatomic molecules according to the wave mechanics, vibrational levels.Phys Rev.1929, 34:57-64.

[9]卢柯, 中国科学基金, 1994 (4) :4-345.

[10]李林安, 邸玉贤, 李鸿琦.纳米金属单向拉伸应力应变关系的数值模拟研究[J].机床与液压, 2004 (8) :67-69.

欧盟解释纳米材料定义 篇3

欧盟委员会日前通过了对纳米材料的定义，之后又对这一定义进行了解释。根据欧盟委员会的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在１纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50％以上。

——《科技日报》

智商并非稳定不变

古人说：小时了了，大未必佳。从科学角度看，这也是能说得通的。英国一项最新研究发现，人的智商并不像此前通常认为的那样基本稳定不变，而是很有可能大起大落，尤其在青少年时期，普通孩子可变成聪明人，聪明人也能泯然众人矣。——新华社

全球变暖导致动植物个头变小

最新一期《自然气候变化》杂志上的研究报告认为，受全球变暖影响，动植物的体型普遍在“缩水”。报告作者之一、新加坡国立大学生物学家大卫·比克福德指出，全球平均气温每上升1℃，植物体型可能缩小3%~17%，而动物体型缩小的比例可达6%~22%。——《新闻晨报》

科学家发现免疫系统“维和部队”

生活在人类皮肤和肠道的细菌比我们自身的细胞还要多，它们大多是人体需要的益生菌。澳大利亚悉尼大学世纪学院的科学家发现，在皮肤外层的免疫细胞中有一群“维和部队”，它们阻止了免疫系统攻击有益细菌。该研究有望为诸如炎性肠道疾病等免疫调节类疾病带来新的疗法。

——《美国国家科学院院刊》

专家用细菌构造“逻辑门”

英国伦敦大学帝国学院研究员证实称，科学家现使用细菌构造出生物计算机的基本组件——“逻辑门”，未来有望通过模块化处理，形成不同类型、更为复杂的逻辑门，使在人体内巡游监控健康的微型生物计算机成为可能。

——英国《每日邮报》

俄罗斯欲建立月球“殖民地”

美国或许是首个载人登月的国家，但俄罗斯正紧盯更进一步的目标：建立月球“殖民地”。俄宇航员和科学家18日称，月球上发现的火山隧道，或为首个月球殖民地提供天然庇护。该训练中心另一名负责人克留奇科夫预计，2030年将建成首批月球“殖民地”。——《新快报》

俄罗斯计划打造“隐形舰队”

俄罗斯宣布计划建造一支全新舰队，这些舰艇将像电影《明日帝国》中的隐形船那样能够躲避雷达的监测。按照该计划，俄罗斯工程师将在未来20年打造16艘“隐形驱逐舰”，并配备以最前沿的武器装备，包括巡航导弹、防空导弹、反舰导弹和鱼雷等。这种适应性极强的舰只将能够取代3种目前常用的舰艇。——英国《每日邮报》

拉尼娜现象将使美国今冬“北冷南暖”

美国国家海洋和大气管理局20日公布《冬季展望》报告称，拉尼娜现象将成为影响美国今冬气候的最主要因素，受其影响，美国北部今冬将比正常年份更冷、更湿润，南部则更暖、更干燥。报告认为，拉尼娜现象导致的冬季暖干气候将给美国本已干旱严重的南部地区带来更多麻烦。——新华社

虹膜扫描系统可测定人种和性别

不久虹膜图像将不仅仅局限于识别人们的身份，它还能确定测试者的种族和性别。目前，美国印第安纳州圣母玛利亚大学科学家最新研制一套虹膜识别系统，能够90%地正确测定测试者的人种，62%地正确测定测试者的性别。这种虹膜系统未来可用于统计来自一个国家具有不同肤色人种的群体数量，而不记录群体的性别特征。

——英国《新科学家》

美国哥伦比亚大学地球研究所主任杰弗里·萨克斯17日在该大学举行的人口问题研讨会上，对世界人口迅速增长提出警告。他说，本月世界人口将达到70亿，全球将在环境、教育、消除贫困和饥饿等方面长期面临一系列问题

日本宇宙航空研究开发机构日前宣布，该机构已为太阳系内的5120颗小行星建立数据库，关于这些天体的信息可在这一机构的互联网主页上看到。他们认为，这个数据库除有利于继续开展小行星探测以外，还能用于探索太阳系诞生之谜

纳米材料 论文 篇4

于琳枫（12化学1班）

摘 要： 二氧化钛纳米管由于新奇的物理化学性质引起了广泛的关注，本文就近年来在制备方法﹑反应机理﹑二级结构及掺杂和应用方面予以综述，并讨论了今后可能的研究发展方向。

关键词: 二氧化钛, 纳米管, 制备, 反应机理, 二级结构

0 引言

TiO2俗称钛白粉，无毒、无味、无刺激性、热稳定性好，且原料来源广泛易得.它有三种晶型：板钛矿、锐钛矿和金红石型。TiO2最早用来做涂料。

自从1991年Iijima发现碳纳米管以来，已经用碳纳米管模板合成出各种不同的氧化物纳米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化钛由于其化学惰性，良好的生物兼容性，较强的氧化能力，以及抗化学腐蚀和光腐蚀的能力，价格低廉，在能量转换﹑废水处理﹑环境净化﹑传感器﹑涂料﹑化妆品﹑催化剂﹑填充剂等诸多领域引起了人们极大的关注。研究结果表明：TiO2的晶粒大小，形状，相组成或表面修饰以及其它成分的掺杂对其性质﹑功能有显著的影响，纳米管的比表面积大，因而具有较高的吸附能力，有良好的选择性，可望具有新奇的光电磁性质，具有很好的应用前景。本文对二氧化钛纳米管的制备，形成机理的最新进展进行综述，并对今后的发展方向予以展望。TiO2纳米材料的制备

1.1 气相法

TiO2纳米材料的气相合成主要是在化学技术和物理技术上发展起来的。由于反应温度高。气相法具有成核速度快、产品结晶度高、纯度高、生成粒子团聚少、粒径易控制等优点。气相法可以合成各种形貌的TiO2薄膜或粉体：纳米棒、纳米管、纳米带等。最常使用的气相法是高温溅射沉积法(SPD).Ahonen等用钛醇盐做前驱体。采用SPD法合成了TiO2纳米粉体和薄膜。其他的气相制备技术 1

包括：直流电溅射法、高频无线电溅射法、分子束取向生长法和等离子体法等。

1.2 液相法

目前制备TiO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法。这种方法的优点是：原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产。但是产品粒子的均匀性差，在干燥和煅烧过程中易发生团聚.应用最普遍的液相制备方法包括液相沉积法和微乳液法等。

1.2.1 液相沉积法

液相沉积法是以无机钛盐作原料，通过直接沉积来制备功能TiO2粉体和薄膜的液相法。Deki等用(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液为起始溶液，制备了TiO2薄膜.Imai等用添加了尿素的TiF4和Ti(SO4)2的水溶液制备了不同形貌的TiO2纳米材料。液相沉积法具有以下优点：对仪器要求比较低,温度要求低(30～50℃),基片选择比较广等。

1.2.2 微乳液法

微乳液法制备纳米TiO2是近年来才发展起来的一种方法。微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的液体混合物。该法的制备原理是在表面活性剂作用下使两种互不相溶的溶剂形成一个均匀的乳液。利用这两种微乳液间的反应可得到无定型的TiO2，经煅烧、晶化得到TiO2纳米晶体。贺进明等以TiCl4为原料、在十六烷基三甲基溴化铵、正己醇、水组成的微乳液体系中，在较低温度下，制备了球形、花状、捆绑丝和星形的金红石型TiO2纳米颗粒。微乳液法得到的粒子纯度高、粒度小而且分布均匀，但稳定微乳液的制备较困难。因此，此法的关键在于制备稳定的微乳液。TiO2纳米材料的反应机理

2.1氧化钛纳米管形成的反应机理

目前，对二氧化钛纳米管的形成机理和组成尚存在分歧。一般认为，锐钛矿或者金红石相以及无定形二氧化钛在碱性条件下转换为纳米管都要经过单层的纳米片的卷曲，类似于多层碳纳米管形成的机理，即从1D到2D，再到 3D的组合过程。Sugimoto等研究证实了层状的质子化的二氧化钛纳米片的存在，Sun和Masaki各自报道了钛酸钾或者钛酸钠形成的纳米带。在碱性条件下，各种钛酸盐可以形成层状的结构，再通过折叠或卷曲形成纳米管，但折叠或卷曲的顺序

尚不确定。理论上钛纳米带折叠或卷曲形成纳米管时，可形成下列3种形状：（a）蛇形的，即单层纳米管的卷曲；（b）洋葱式的，即几个有弱相互作用的纳米片的卷曲；（c）同心式的，通过卷曲或者折叠成多层的纳米管。但实际上，（c）种形状在合成时很难出现。Yao和Ma通过TEM研究分别证实了(a)和(b)构型钛纳米管的存在。

梁建等则认为钛纳米管的生长机理符合3-2-1D的生长模型，在水热合成的过程中，在高压高温和强碱作用下，二氧化钛块体沿着(110)晶面被剥落成碎片，在片的两面有不饱和悬挂键，随着反应的进行，不饱和悬挂键增多，使薄片的表面活性增强，开始卷曲成管状，以减少体系的能量，这一点从反应中间产物中观察到大量的片状及卷曲态得的到证明。Dimitry V.Bavykin[19]等系统地研究了合成温度以及TiO2/NaOH mol 比对制备二氧化钛纳米管形貌的影响.认为 图3-b 符合氧化钛纳米管的形成机理，并给出了形成机理的原始驱动力的解释。Dimitry V.Bavykin等进行了氧化钛纳米管形成的热力学和动力学研究。该模型见图4 能够很好的解释实验中增加TiO2/NaOH的摩尔比，氧化钛纳米管的平均管径也增大。同时也可以解释反应温度增加有利于纳米管的平均管径增大。

2.2 纳米管的热稳定性及氧化钛纳米管的晶型

由于二氧化钛纳米管为无定形结构，在热力学上，属于介稳态。因此研究温度对其热稳定性的影响颇有必要。王保玉等以TiO2为原料制备成TiO2纳米管，通过不同温度焙烧得到不同的样品，用TEM,XRD,FT-IR,BET等手段详细的研究了温度对晶型，比表面积的影响。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙烧存在着两次比表面积的突降，用化学法合成的纳米管在400 ℃时，比表面积降到很小，管的结构严重被破坏。用化学法合成的纳米管是无定形的，而模板法制备的纳米管为锐钛矿型的。这可能是因为化学法制备的纳米管为多层，层与层之间不能形成三维空间的点阵结构。而王芹等研究则发现钛纳米管经过400 ℃热处理后能保持其纳米管的形貌，600 ℃有纳米管间烧结的现象，800 ℃时管的形状完全被破坏。可见合成方法的不同，氧化钛纳米管的热稳定性也有很大的差异。

Graham Armstrong等用水热法合成的氧化钛纳米管晶型为TiO2-B，具有竹子状的二氧化钛，是以TiO6八面体为基础通过共用边和共顶点形成的多晶，不同于锐钛矿相，金红石相和板钛矿相，密度比上述三种晶型都稍低。但XRD的 3

结果表明，TiO2-B的结构中仍还有痕量的锐钛矿相。梁建等用水热法合成，控制温度130 ℃，晶化时间2~3天，成功制备了多层的锐钛矿和金红石混晶的TiO2纳米管。王保玉等研究发现，氧化钛纳米管为多层管，每个单层相当于 一个氧化钛分子的厚度，层与层之间不在以化学键存在，Ti在纳米管中的配位和八面体结构未达到饱和，拉曼光谱表明，TiO2纳米管以无定型的形态存在。Tomoko Kasuga等用10 M NaOH溶液水热条件下110 ℃处理20小时，得到具有针状结构的纳米管，晶型为锐钛矿型。可见纳米管的晶型，随着水热处理的温度和时间变化而有所不同。TiO2纳米材料的的二级结构

在水热处理的过程中，除了生成纳米管本身的一级结构外，还存在纳米管之间的聚集，因而产生了氧化钛纳米管的二级结构。Dimitry V.Bavykin等研究发现，纳米管的二级结构取决于前驱体二氧化钛的量和所用NaOH的体积，其比例越小，生成的氧化钛纳米管越倾向聚集成球状。这可能是由于在水热条件下生成纳米管的过程是一个比较缓慢的过程，影响因素较复杂造成的。TiO2纳米材料的改性

TiO2纳米材料的很多应用都是和其光学性质紧密相连的。但是，TiO2的带隙在一定程度上限制了TiO2纳米材料的效率。金红石型TiO2的带隙是3.0eV，锐钛矿型是3.2eV，只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光中只占很小的一部分(<10%)。因而，改善TiO2纳米材料性能的一个目的就是将其光响应范围从紫外光区拓展到可见光区，从而增加光活性。目前经常采用的改性方法包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合等方法。

5.1 贵金属沉积

半导体表面贵金属(包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag)沉积可以通过浸渍还原、表面溅射等方法使贵金属形成原子簇沉积附着在TiO2表面.由于贵金属的费米能级比TiO2的更低,光激发电子能够从导带转移到沉积在TiO2表面的贵金属颗粒上,而光生价带空穴仍然在TiO2上.这些行为大大降低了电子和空穴再结合的可能性,从而改善其光活性.Anpo和Takeuchi制备了Pt沉积TiO2用于光催化分解水制氢实验,发现产氢效率得到了明显提高.Sakthivel等研究了用Pt、Au和Pt沉积TiO2做光催化剂时对酸性绿16的光致氧化作用,发现与未沉积贵金属的TiO2相比,光催化效率得到了不同程度的提高.5.2 离子掺杂

TiO2半导体离子掺杂技术是用高温焙烧或辅助沉积等手段，通过反应将金属离子转入TiO2晶格结构之中。离子的掺杂可能在半导体晶格中引入缺陷位置和改变结晶度等。影响了电子和空穴的复合或改变了半导体的激发波长，从而改变TiO2的光活性。但是，只有一些特定的金属离子有利于提高光量子效率，其他金属离子的掺杂反而是有害的。Choi等系统地研究了21种金属离子掺杂对

TiO2光催化活性的影响，发现Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh离子掺杂可以把TiO2的光响应拓宽到可见光范围，其中Fe离子掺杂效果最好，而掺杂Co和Al会降低其光催化活性。Wu等定性分析了过渡金属(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)离子掺杂对TiO2的光催化活性的影响。Xu等比较了不同稀有金属(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)离子掺杂对TiO2光催化活性的影响。

阴离子掺杂可以改善TiO2在可见光下的光催化活性、光化学活性和光电化学活性。在TiO2晶体中掺杂阴离子(N、F、C、S等)可以将光响应移动到可见光范围。不像金属阳离子，阴离子不大可能成为电子和空穴的再结合中心，因而能够更有效地加强光催化剂的催化活性。Asahi等测定了取代锐钛矿TiO2中O的C、N、F、P和S的掺杂比例。发现p态N和2p态O的混合能使价带边缘向上移动从而使得TiO2带隙变窄。尽管S掺杂同样能使TiO2带隙变窄，但是由于S离子半径太大很难进入TiO2晶格。研究表明C和P掺杂由于掺杂太深不利于光生电荷载体传递到催化剂表面，所以对光催化活性的影响不是很有效。Ihara等将硫酸钛和氨水的水解产物在400℃的干燥空气中煅烧，得到了可见光激发的N掺杂TiO2光催化剂。

5.3 染料敏化

有机染料被广泛地用作TiO2的光敏化剂来改善其光学性质。有机染料通常是具有低激发态的过渡金属化合物，像吡啶化合物、苯二甲蓝和金属卟啉等。Yang等用联吡啶、Carp等用苯二甲蓝染料作为感光剂敏化TiO2,发现这些染料可以改善光生电子空穴对的电荷分离，从而改善了催化剂的可见光吸收。

5.4 半导体复合

半导体复合是提高TiO2光效率的有效手段。通过半导体的复合可以提高系统的电荷分离效率，扩展其光谱响应范围.从本质上说，半导体复合可以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰。Sukharev等将禁带宽度与TiO2相近的半导体ZnO与TiO2复合，因复合半导体的能带重叠使光谱响应得到发展。通过对ZnO/TiO2、TiO2/CdSe、TiO2/PbS、TiO2/WO3等体系的研究表明，复合半导体比单个半导体具有更高的光活性。GurunathanK等将CdS(带隙2.4eV)和SnO2(带隙3.5eV)复合在可见光下制氢得到了更高的产氢率。总结与展望

针对TiO2纳米材料的性质、合成、改性和应用，人们已经做了广泛的研究。随着TiO2纳米材料的合成和改性方面的突破，其性能得到不断地改善，新应用也不断的被发现。但从目前的研究成果看，可见光催化或分解水效率还普遍很低。因此如何通过对纳米TiO2的改性，有效地利用太阳光中的可见光部分，降低TiO2光生电子空穴对的复合机率，提高其量子效率是今后的研究重点。

参考文献

[1] 梁建,马淑芳,韩培德等, 二氧化钛纳米管的合成及其表征,稀有金属材料与工程, 34(2): 287-290, 2005.[2] 王保玉, 郭新勇, 张治军等, 热处理对TiO2纳米管结构相变的影响高等学校化学学报, 24: 1838-1841,2003.[3] 王芹, 陶杰, 翁履谦等, 氧化钛纳米管的合成机理与表征, 材料开发与应用, 19: 9-12, 2004.[4] 张青红, 高濂, 郑珊等, 制备均一形貌的长二氧化钛纳米管, 化学学报, 60(8): 1439-1444, 2002.[4] 赖跃坤, 孙岚, 左娟等, 氧化钛纳米管阵列制备及形成机理, 物理化学学报, 20(9): 1063-1066, 2004.[5] 王芹, 陶杰, 翁履谦等, 氧化钛纳米管的水热法合成机理研究, 南京航空航天大学学报, 37(1): 130-134, 2005.[6] 韩文涛, 马建华, 郝彦忠, 二氧化钛纳米管的研究进展,河北科技大学学报, 26(3): 199-202，2005.[7]洪樟连.唐培松.周时凤.樊先平.王智宇.钱国栋.王民权 水热法制备纳米TiO2的可见光波段光催化活性的溶剂效应[期刊论文]-稀有金属材料与工程 2004(z1)[8]张景臣 纳米二氧化钛光催化剂[期刊论文]-合成技术及应用 2003(3)[9]蔡登科.张博.孟凡 纳米TiO2在有机废水处理方面的研究进展[期刊论文]-电力环境保护 2003(3)60.陈琦丽.唐超群.肖循.丁时锋 二氧化钛纳米晶的制备及光催化活性研究[期刊论文]-材料科学与工程学报 2003(4)[10]江红.戴春爱 纳米TiO2光催化降解技术在污水处理方面的研究进展[期刊论文]-北方交通大学学报2003(6)

纳米材料论文 篇5

姓名：王骞

学号： 2012301040055

学院：化学与分子科学学院

摘要：21世纪，纳米技术，纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的结构类型和基本特性以及其在催化，生物医学，化工，国防等方面的主要应用，并着重介绍了其在化学领域的应用，如纳米金，石墨烯，二氧化钛，氧化锌纳米线等等。

关键字：纳米材料 性能 氧化锌 二氧化钛 石墨烯 纳米金 纳米材料是什么

纳米材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料, 它是以组成纳米材料的结构单元——晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的。目前, 国际上将处于1-100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体, 以及由纳米微晶所构成的材料, 统之为纳米材料, 包括金属，非金属，有机，无机和生物等多种粉末材料。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。纳米材料的结构类型与基本特性

纳米粒子改性复合材料可以涉及结构，功能及智能等各个方面, 分类的方法甚多。为了叙述方便,按照纳米结构材料的空间维数可以分为4 种类型。1.零维的原子簇和原子簇的集合（0-0复合）采用不同成分，不同相或不同类型的纳米粒子复合而成纳米固体。2.一维的多层薄膜（0-1复合）把纳米粒子分散到线性固体材料中, 制成线体材料。一般不是直接复合。3.二维的超细颗粒覆盖膜（0-2复合）把纳米粉末分散到二维薄膜材料中, 这种0-2 复合材料又可分为均匀分布和非均匀弥散两大类。非均匀分布粒子可以是随机、混乱地分散在薄膜基底中, 也可以是人为、有侧重地为满足某种局部的特殊需求而安排。3.三维的纳米块体材料（0-3复合）把纳米粒子分散或埋置到常规的三维固体中,用这种方法获得的固体材料性能稳定优越, 材料本身适用范围广泛, 故应用最多。例如介孔固体作为纳米复合材料的母体, 通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中(孔洞尺寸为纳米或亚微米级),这样的介孔复合体便成了纳米复合材料, 用以释放药物或赋予新理化性能等等。由于粒子填充分布的组态不尽相同, 这种材料将显示出多种多样的微观性质。

纳米材料的特性主要有：1.表面效应：指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化, 如图1所示。从图1中可以看出, 粒径在10nm 以下, 将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm 时, 表面原子数比例达到约90% 以上, 原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多, 带来表面原子配位数不足, 使之具有很高的表面化学活性, 所以, 金属纳米粒子在空气中易自燃, 无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应。表面效应主要表现为:熔点降低，比热增大。2.尺寸效应：指由于颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化。随着纳米微粒尺寸的减小, 与体积成比例的能量, 如磁各向异性等亦相应降低, 当体积能与热能相当或更小时, 会发生强磁状态向超顺磁状态转变。当颗粒尺寸与光波的波长, 传导电子德布罗意波长, 超导体的相干长度或投射深度等物理特征尺度相当或更小时, 会产生光的等离子共振频移, 介电常数与超导性能的变化。3.体积效应：由于纳米粒子体积极小, 所包含的原子数很少。因此, 许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同, 就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明, 这种特殊的现象通常称之为体积效应。4.量子效应：介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒, 将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级, 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时, 就会呈现一系列与宏观物体戳然不同的反常特性, 即量子效应。5.幻数结构：粒径小于2nm 的纳米粒子往往被称为原子簇。当原子簇含有某些原子数目时, 显得特别稳定, 这个特别数目称为幻数。原子簇的幻数与相应粒子的对称性、相互作用势有关。纳米材料的应用

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家在各个领域都取得了重大的进展，也同时促进了纳米材料应用越来越广泛化。

1.在催化方面：纳米粒子表面活性中心多，为它作为催化剂提供了必要的条件，纳米粒做催化剂，可大大提高反应速率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也可以发生，纳米粒做催化剂比一般催化剂反应速度提高10-15倍。例如半导体光催化剂，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，可近似看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能系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不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化还原反应。2.在生物医学方面的应用：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。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。

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。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Al2O3，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。

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。化学中的纳米世界

1.纳米金：指金的微小颗粒，其直径在1～100nm，具有高电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性。由氯金酸通过还原法可以方便地制备各种不同粒径的纳米金，其颜色依直径大小而呈红色至紫色。作为现代四大标记技术之一的纳米金标记技术(nanogold labelling techique)，实质上是蛋白质等高分子被吸附到纳米金颗粒表面的包被过程。可作为显微镜示踪物，应用于均相溶胶颗粒免疫测定技术，应用于流式细胞仪，应用于斑点免疫金银染色技术，应用于免疫印迹技术，应用于斑点金免疫渗滤测定技术，应用于免疫层析技术，生物传感器，生物芯片等等。

2.石墨烯，二氧化钛：半导体的光催化原理是：照射到半导体上的光能量能够将其中的电子从价带激发到导带，产生具有极高氧化能力的电子(e-)-空穴(h+)对，并氧化催化表面的有机物、蛋白等生成二氧化碳和水，从而达到自清洁效果。该技术可降解的物质包括有机物、无机物、蛋白质等，且无二次污染。在半导体材料中二氧化钛以其光敏性高、氧化活性强、化学稳定性好、无毒及成本低等优点而倍受关注。TiO2纳米管阵列（TiO2 nanotubes array ,TiO2 NTAs）具有大的比表面积，同时为空穴-电子提供了传输通道，在生物传感器等领域具有很好的应用前景。而对其进行掺杂，提高导电性和检测灵敏度是拓宽TiO2 NTAs 在生物传感器应用中的一种有效途径。例如ITO（氧化铟锡）微电极阵，与在ITO导电玻璃上光刻，做成微电极阵，在电极上先沉积一层石墨烯，在将其还原，在石墨烯上在沉积一层二氧化钛，在二氧化钛上再沉积一层石墨烯并将其还原，形成ITO-IGO-TiO2-IGO电极，由于二氧化钛球比较大，两层石墨烯可以将其包裹而导电，从而可以完成对细胞多巴胺的检测，而且是一种自清洁电极，用过后水洗在紫外线下光照几分钟之后就可以再次使用。

3.氧化锌纳米线：氧化锌作为一种新型的第二周期第四主族宽禁带，也是一种重要的直接宽带隙半导体。氧化锌的能隙为Eg为3.37 eV的半导体材料,激子束缚能高达60 meV ,禁带宽度对应于紫外光波段 ,有望开发出蓝光、蓝绿光、紫外光等多种发光器件 ,现已在太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件、高温、高压等方面显示出了广泛的应用前景。特别是对于纳米 ZnO 来言 ,由于其具有量子尺寸效应、小尺寸效应和大的比表面积，纳米ZnO表现出了与固体材料不同的特殊性质,更具有很多奇特的性能。目前,纳米ZnO材料的研究已取得极大的进展 ,实验上已经合成了不同形貌、不同维度的ZnO纳米材料,如纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米带、纳米环、纳米盘等等。于ITO导电玻璃上生长纳米线，在其上沉积一层金，可以完成对细胞释放多巴胺的检测。

结语：纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。纳米技术将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向，相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代-纳米材料时代。

参考文献

纳米材料论文 篇6

关键词：光催化; 纳米材料; 环境保护;

工业废水和废气中都含有较多的毒害物质， 比如有机磷农药或是二氯乙烯等， 这些物质对于人体的影响都是十分明显的。传统的水处理方式， 比如吸附法、混凝法等方法在现阶段实际应用环节中仍然存在较大的困难， 效果并不理想， 所以在今后的实际发展过程中就需要不断探索和获取一种经济、合理的方式， 实现对传统方法处理后水中的残留物质进行更有效的降解。1976年， 科学家在对紫外线光照射下对纳米Ti O2进行了研究， 发现这种方式可以将难以降解的有机化合物多氯联苯脱氯进行有效降解。当前， 已经发现超过3000余种难降解的有机化合物都可以借助此种方式进行降解， 尤其是水中有机污染物浓度较低或是其他降解方式不佳的时候， 这项技术更是能发挥出前所未有的技术优势。

一、光催化纳米材料

光催化的纳米材料采用的绝大多数都是金属氧化物或是硫化物等半导体材料， 是一种特殊的电子结构。和金属相比， 这种半导体存在明显的不连续性， 在对电子的低能价带进行填满的过程中会和空的高能导带存在明轩的禁带， 所以当二者产生的能量大于光照射的时候， 在价带上的电子就会被转移到导带上， 最终在半导体表面形成具备高活性的电子[1]。

二、光催化降解原理

在光催化反应中， 获取光激发所出现的空穴， 和对给体或是受体产生的作用也是有效的。所以在实际工作中为了确保光催化反应能更有效的进行， 就应该适当降低电子和空穴之间的简单复合。

三、光催化纳米材料在环保中的应用

(一) 光催化纳米技术在污水处理中的应用

传统的水处理方式中可以对污水中出现的悬浮物质或是泥沙等大颗粒的污染物进行去除， 但是对于浓度较低的可溶性物质却很难进行有效的处理， 并且由于这项工作的工作效率比较低， 花费的经济成本比较高， 所以很多时候并不能进行有效的处理。但是借助纳米材料的光催化方法， 就可以将很多难以降解而定污染物进行合理转变， 从而将原本水中的污染物转化为水分子或是二氧化碳等无污染的分子物质。

比如在对有机废水的处理环节中， 光催化纳米材料就可以将水中的绝大多数有机污染物进行转化， 使其成为无污染的物质， 比如可以将酸。表面活性剂等有机污染物进行氧化， 使其转变为水或二氧化碳等无害的物质。借助纳米材料可以的对物质表面性能进行转变， 通过这种方式对水中纳米的分散性进行优化。从而实现对光激发作用下产生的电子和空穴复合问题进行抑制， 进一步实现对催化活性的提升[2]。

再比如对无机废水的处理环节中， 由于无机物在纳米粒子表面存在明显的光化学活性， 因此光催化纳米材料后所出现的电子和空穴都可以对高氧化状态的物质进行还原， 也就是借助此种方式实现对无机物污染的有效消除。

(二) 光催化纳米技术在大气污染治理中的应用

对大气污染产生影响的主要成分就是二氧化硫、一氧化碳等物质， 这些气体如果长期存在于空气中必然会对人体的健康造成不利的影响。光催化剂可以和一些气体吸附剂进行有效结合， 从而更有效的实现对降解浓度的有效降低。

将一些对日光有相应的半导体纳米材料涂抹在墙壁或是其他合理的位置上可以形成空气清洁剂的作用， 而二氧化硫、一氧化碳等物质吸附在上面的时候， 就可以在光的作用下被转变为无害物质， 这种方式对于去除臭气的影响也是十分重要的环节[3]。纳米对于氟利昂具备较强的光催化活性， 因此将这以技术进行融合后， 可以在表面对酸性进行催化， 通过这种方式获取较高的光催化活性作用， 这对于物质稳定性的提升也将起到一定的帮助作用。

此外， 纳米技术还能对室外的气象有机污染物进行分解， 比如在紫外线的照射下， 纳米材料可以将室内装饰建材中产生的甲醛、氯乙烯等物质进行有效分解。将活性炭纤维作为重要载体的过渡金属离子中适当进行纳米材料光催化剂的融合， 通过此种方式将紫外线光照射下浓度更低的甲醛进行或降解， 但是这种技术手段对于浓度高的污染物降解效果比较差， 同时由于使用时间的增加， 最终催化剂的活性也将大大降低， 最终甚至会出现活性的完全消失。

结束语:

综上所述， 光催化纳米材料在当前环境保护中有着越来越显着的应用， 不仅可以对难处理的污染物进行有效处理， 同时还能借助自身的吸附作用对低浓度的有害物质进行分解。在当前光催化纳米技术的不断发展过程中， 环境保护工作效率和质量也必然会得到显着提升。总而言之， 当前我国环境保护工作已经受到了越来越多的影响， 甚至对人们的身体健康产生了威胁， 所以在此种背景下， 更需要加强对相关技术的研究， 不断为我国环保工作的顺利开展提供帮助作用， 实现可持续工作的顺利进行。

参考文献

[1]熊玉宝.光催化纳米材料在环境保护中的应用研究[J].低碳世界， ， 58 (06) :28-29.

[2]王骞.Ti O_2光催化纳米材料在环境保护中的应用[J].鞍山师范学院学报， ， 13 (06) :17-20.

纳米金属材料 篇7

一、教学内容的安排与更新

《纳米技术与纳米材料》这门课基本涵盖了纳米科技的整个领域, 具有内容多, 更新快, 范围广等特点, 且需要在规定的时间内将整个纳米领域讲授给学生, 这就需要教学内容条理清晰, 重点突出, 逻辑性强, 结合纳米科技的特点具有较强的创新性和启发性。在我校这门课所选用的教材为国防工业出版社的《纳米技术与纳米材料》 (张志焜, 崔作林著) , 该书主要以纳米材料为中心, 介绍了纳米材料的制备、特性以及纳米材料的加工、表征手段, 内容丰富, 知识面广, 介绍详细且深入, 是一本较为全面的图书。但对于课程的授课对象———本科生以及学校的实际授课课时来说, 这本书的还存在一定的问题, 如学时较少, 涉及的知识面较宽, 书中涉及到的理论较为深奥, 而学生的基础知识较为薄弱, 且授课课时受限, 因此导致学生很难接受教材中的知识, 全面地理解书中内容。为此, 需要将整个教材的内容重新规划, 根据纳米科技领域中所涉及到的学科, 故将这门课分为纳米基础及概况、纳米材料的应用、纳米材料的制备、纳米材料加工、纳米电子学、纳米机械学, 纳米生物学, 纳米的发展前景八个部分, 这八个部分既相互独立, 也相互联系。以这八个部分为主线, 将纳米材料的制作, 性能, 原理以及应用通过总体介绍、分类介绍、综合讲述, 全面地介绍纳米科技以及纳米材料的总体以及两者的相互联系。并且在实际授课中, 需要言简意赅, 重点突出, 条理分明, 前后贯通, 对于纳米科技所涉及的知识尽量深入浅出, 对于抽象的知识, 通过比喻等方法, 将其形象化, 易于让学生接受。如讲授纳米电子学的时候, 就需要将纳米材料有哪些特殊的电子学特性及优越性明确指出来, 以提起学生的兴趣, 随后介绍出为什么纳米材料以及纳米结构会出现这种特性, 通过比喻等方法, 形象化介绍纳米电子机理、机制。针对本科生基础知识薄弱, 所以要尽量减少一些不必要的理论知识, 并且重点介绍纳米科技中的方法以及思路, 从而能够让学生既能够了解纳米科技, 又能从纳米科技的发展中学习到纳米科技的创新思路, 从而能够培养学生的创新精神和科学素养。同时针对纳米科技这一新兴学科不断发展的特性, 适时、适当地开展专题课程介绍目前纳米科技发展的最新动态, 从而能够让学生更多地了解目前纳米科技的科研动态, 引导学生关注纳米科技的最新动态。希望能够通过这些内容的学习, 从而能够使学生真正的了解纳米科技, 掌握其中的基础知识, 以及其中的一些实用基础, 并拓宽知识面, 养成科学、严谨、创新的基本素质。

二、课堂教学方式方法的改变

课堂讲授在教学中是一个非常重要的环节, 如何有效地利用课堂时间, 激发学生的兴趣、注意力, 提高学生的学习能力在教学中一直是一个至关重要的问题。这就需要通过启发、诱导、提问、互动等方式, 引起学生的注意力, 让学生能够参与到课堂中, 培养学生的学习自学能力。[2,3,4,5,6,7]在讲授方面需由浅入深、深入浅出, 务必让学生能够理解课堂所讲述的内容, 并根据学生的兴趣, 引入一些相关感兴趣的内容, 激发学生的学习热情和兴趣。这就需要在教学方式, 以及教学方法上, 根据课程自己的特点和学生的特点对课程的教学进行一些改革, 充分利用多媒体教学, 通过影像、板书、图片等方法将一些抽象的知识以丰富多彩的方式讲授给学生, 同时, 这种课堂的互动, 通过提问, 自发提问, 以及课堂小讲演等方法, 激发学生的学习兴趣以及自学能力, 培养学生的基础素质。首先针对纳米科技教学内容的特点, 其中第一部分纳米的基础及概况即导论将介绍整个课程大体情况, 是一门课的开篇, 这部分将总体介绍课程的特点, 课程的结构, 以及教学大致内容, 纳米导论部分的讲授将直接影响学生对这门课的印象以及日后学习的兴趣。纳米科技已成为人们普遍关注的一个热点领域, 并且已经有一部分纳米产品已经在军事, 医疗以及日常生活中出现, 并且展示出其独特的魅力, 如在军工已经应用的雷达波隐身涂层, 纳米衣物, 纳米灭菌涂层等, 由于纳米科技诞生不久, 这些只是纳米科技在未来应用的冰山一角, 而目前很多性能奇特的纳米材料以及纳米科技还在科学工作者的研究中, 所以很多同学对于纳米科技的了解很浅, 知其名而不解其意。针对这个现状, 就要通过导论的讲授, 让学生了解纳米科技的整体轮廓以及纳米科技的长远意义, 使学生能够对纳米科技产生较为浓厚的兴趣。为此, 对于导论的讲述需要分为四个部分, 第一部分, 首先要介绍什么是纳米, 以及纳米材料和纳米科技的定义, 并举一些纳米材料特例, 第二部分介绍纳米材料与纳米技术所研究的范围以及构成, 从而让学生能够了解纳米科技的整体雏形以及纳米材料与纳米技术在整个纳米中的关系, 以及与传统学科之间的关系。第三部分为纳米科技的发展历程, 第四部分为纳米科技的研究热点以及研究现状, 结合科技和生活实例, 并且配合丰富多彩的图像, 引领学生进入纳米领域, 让学生对纳米科技有一个直观全面的了解, 同时激发学生的学习兴趣。同时在课堂上让同学举出自己所了解的一些纳米科技以及纳米材料, 进行互动式讨论。让学生对纳米科技有一个较为深刻的印象。其次, 利用多媒体教学中丰富的图片以及影像, 直观地让学生了解纳米科技中的一些内容。图片以及视频以直观形象的讲授, 让学生更容易了解纳米科技中的一些抽象难懂的内容。利用多媒体教学, 可以通过文字讲解, 配合形象的图片以及视频可以以多种方式相互配合, 让学生了解纳米科技, 并对其产生兴趣, 同时丰富了教学内容。纳米科技日新月异, 在纳米领域, 不断有新的科技成果出现。针对这一个特点, 对于纳米科技的授课, 就需要不断地给学生介绍一些最新的具有价值的科技成果, 从而能够对学生有所启发, 培养学生的创新精神。同时通过学生参观纳米科技相关的科学仪器, 组织学生进纳米材料实验室自己动手制备一些纳米材料, 培养他们的科研和创新能力。另外, 在教学中需要学生能够积极参与, 通过讨论、上台讲解的方式将学生的思维、思想引入课堂, 以互动的方式进行教学, 能够让学生更加深入地了解纳米科技。

三、考核方式的改变

与基础知识课程不同, 纳米科技是一门新兴的且实践性较强的课程, 所以通过传统的闭卷或者开卷考试, 让学生了解知识点对于纳米科技这门课不是非常适合。对于这门课程, 需要注重学生的学习效果, 学生的平时表现, 平时成绩, 学习态度, 以及独立创新的素质养成, 避免学生为应试而死记硬背, 所以需要取消考试, 以出勤 (10) , 课堂表现 (10) , 平时作业 (20) , 书面调研报告 (30) , 口头报告 (30) 的考查形式考核学生, 培养学生良好的学习习惯。综上所述, 在教学工作中教师应有效地掌握所学知识, 激发学生的学习热性, 引导学生养成良好的学习习惯, 培养学生实事求是的科学素养, 以及用于探索的创新精神。

参考文献

[1]翟华嶂, 李建保, 黄勇.纳米材料和纳米科技的进展、应用及产业化现状[J].材料工程, 2011, (11) :43-48.

[2]第23期高校中青年干部培训班“高校教学改革”课题研究组.关于高校“两课”教学方法改革的若干思考[J].国家教育行政学院学报, 2006, (2) :31-34.

[3]李进才, 孙超.教学方法改革的关键在于教育思想观念的转变[J].中国大学教学, 2009, (11) :55-57.

[4]钟延强, 李国栋, 鲁莹, 等.讨论式授课在药剂学教学方法改革中的尝试与体会[J].药学实践杂志, 2006, 24 (5) :307-308.

[5]胡卫东.发达国家职业能力培养的教学方法改革经验借鉴[J].大家, 2010, (9) :276.

纳米材料的生物安全性 篇8

关键词：纳米材料；生物安全；应用

中图分类号：G301 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0082-02

一、什么是纳米材料

纳米材料是处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称，根据物理形态划分，纳米材料大致可分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应等，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。1984年，德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

二、纳米材料生物安全性问题的提出

进入21世纪以来，纳米科技发展迅猛，大规模生产的各种人造纳米材料已经在生活消费品和工业产品中广泛使用。据统计，纳米材料已经应用在近千种消费类产品中，来提高原有的功能或获得崭新的新功能，包括化妆品、食品、服装、生活日用品、医药产品等领域。然而，近年来的研究发现，由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有很强的“双刃剑”特性，即在提高原有材料功能同时也存在巨大的安全风险。例如，美国科学家让一组小鼠生活在含20纳米特氟隆颗粒的空气里，结果小鼠在4小时内全部死亡；而另一组生活在含120纳米特氟隆颗粒的空气里的小鼠，却安然无恙。仅仅尺寸改变，竟导致如此巨大的生物毒性变化。美国科学家还发现纳米颗粒可通过胎盘屏障由母体进入到胎儿体；碳纳米颗粒可经嗅觉神经直接进入动物脑部；一些人造纳米颗粒在很小剂量下也容易引起器官炎症，或导致大脑损伤，使机体产生氧化应急，随纳米尺寸减小生物毒性有增大的趋势。研究还发现，纳米颗粒非常容易进入细胞，它们对细胞的结构和功能产生什么影响？一些人工纳米结构具有自组装能力，它们在生物体内的不同微环境里，会自组装成不同的可蔓延生长的特殊结构，这些结构对生物大分子的结构和功能将产生什么影响？它们是否会干扰生命过程的正常进行？

三、纳米材料的生物安全性成为科学前沿问题

2005年12月，美国政府以世界“经济合作发展组织（OECD）”的名义，召集世界各国政府，在美国首都华盛顿召开了“人造纳米材料的安全性问题”圆桌会议，讨论如何采取措施，保障“人造纳米材料的安全性问题”。纳米安全性问题之所以引起各国政府和科学界的如此重视，是因为纳米材料的应用事关人体健康和安全，而“健康和安全”永远是国家的重大需求。纳米科技事关国家前沿科技的发展，美国国务院代表在华盛顿的“纳米安全会议”上说“保障纳米科技的健康可持续发展，是保持我们科技领先地位的国家战略”。纳米科技居于21世纪公认的前沿科技之首。因此，为纳米科技保驾护航，是国家层面的重要战略目标之一。同时，率先开展纳米材料的生物安全性研究，就有可能抢占先机，抓住在科学上取得重大突破的机遇：人造纳米结构或纳米颗粒与生命体相互作用过程是一个未知领域，存在许多新现象、新问题、新规律，无论对纳米科技的发展或者对理解生命过程本身都孕育着新的挑战和机遇。抢占先机，就意味着拥有取得重大突破的机会。

四、目前急需解决的难题

近年来，欧洲等地不断出现反对纳米技术和纳米材料应用的大规模游行，其实是因为人们不清楚纳米材料毒理学效应和纳米材料的安全性所导致的误解。因此，建立科学客观评价纳米材料生物安全性的方法，是扭转目前一提到纳米材料就认为不安全的误区的唯一办法。目前，国际学术界、政府和企业界已经达成共识：当务之急要研究人造纳米材料的生物安全性问题，从结构明确、成分明确、剂量明确的人造纳米颗粒入手，在此基础上建立各种模型，分析预测纳米颗粒在生物体内的行为以及它们的协同效应对生命过程所产生的影响。但是，目前国内外还没有建立出合适的纳米材料生物效应的评价方法，这也是目前发展纳米技术的最大瓶颈之一。尤其是生物微环境中纳米颗粒的检测方法，细胞环境中纳米颗粒的检测方法，体内纳米颗粒的检测方法等。已有的纳米毒理学研究结果存在三个突出的问题，发现了一系列复杂的毒理学现象，但是机制不清；研究在大剂量，急性暴露下引起的毒性反应，虽然可用于“突发事故”的安全性评估，但对纳米材料含量低的纳米产品并不适用；缺乏实际工作现场的研究，导致无法对生产场所的安全评价做出正确的结论。综合考虑目前国内外纳米材料的生产和应用中出现的生物安全性问题，我们首先要开展的工作是围绕与工作场所和纳米产品相关，已经规模化生产或使用的重要纳米材料的生物效应与安全性展开研究，在科学上重点揭示生产场所纳米颗粒的释放与团聚行为；揭示在食品中大量应用的纳米颗粒进入胃肠道后的行为和命运；在细胞、分子水平上研究这些纳米材料与呼吸系统、心血管系统、胃肠道以及皮肤相互作用机理；力争阐明影响工作场所和消费品中纳米颗粒生物安全性的关键因素和共性规律，以及纳米颗粒与产品添加剂的复合——协同效应关系。同时，在应用上，筛选出能够用于评价纳米材料安全性的生物学或毒理学的指标，提出我国自主知识产权的与工作场所和消费产品相关的纳米材料生物安全性评价方法和评估程序，向国家提出相关纳米材料的职业接触限值，为国家建立相应的安全评价体系提供科学依据。