纳米材料及其技术的应用
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什么是纳米材料
What is Nano Mateiral?
纳米本质上为计量长度的单位，1纳米的数值为十亿分之一米，其大小约等于发丝直径的一万倍。
纳米材料，是以纳米级（1-100纳米）的晶态或非晶态超微颗粒作为核心构造单元形成的物质。纳米材料中，表面电子的动态运动，以及晶格结构的错位与位移，常常会引发宏观材料所不具备的四种特殊现象，分别是微尺度影响、量子特性、表层作用和界面现象。纳米材料，可以依据不同的划分标准，采用多种方式进行归类。
实际上，纳米材料在日常生活中十分普遍，只是我们或许并未察觉其不凡的本质。譬如，蛋白质内部布满了微小的纳米通道，生物体的骨骼和牙齿等都蕴含纳米层面的构造，贝壳、昆虫的外壳以及珊瑚等天然物质均由规则排列的纳米级碳酸钙微粒组成，因而展现出非凡的力学特质。
02 ——
纳米材料的结构与性质
Structure and Features
1. 结构
纳米材料是一种亚稳态物质，其比表面积显著，颗粒细小，表面原子占比很高，展现出特殊的电子行为和表面现象，能够产生宏观量子隧穿现象和量子尺寸现象，这些结构特征赋予了纳米材料诸多优异性能。
比表面积代表每克物质包含的总面积，包含外部和内部两个部分。对于像活性炭、沸石、硅藻土这类多孔材料，外表面积通常远小于内表面积，可以忽略不计。因此，比表面积一般仅指内表面积，计量单位是每克多少平方米。当多孔物质的比表面积数值高，同时活性也强时，其吸附性能会表现得更好。这个数值是衡量催化材料、吸附材料以及各类多孔材料实际应用价值的关键参数，它反映了物质表面积的大小。
2. 性质
1.
纳米材料的颗粒极小，属于纳米尺度，其化学特性十分活跃，反应能力很强。比如，纳米级别的金属物质在空气中容易发生氧化过程，并且会产生耀眼的火花和燃烧现象；直径为45纳米的TiN晶体一旦在空气中被加热，就能够燃烧，最终形成TiO2晶体。
2.
纳米粒子具有较大的比表面积，并且表面原子处于不饱和配位状态，这导致其表面存在大量活性位点，因而表现出催化能力。这类纳米粒子催化剂内部没有孔隙结构，能够直接投入反应体系中，无需借助其他载体材料。同时，纳米粒子催化剂的表面呈现显著粗糙特征，进一步增大了有效反应区域。
3.
纳米颗粒能有效捕获光线，因此氧化还原能力会提升，进而促进催化过程。颗粒的尺寸越小，其光催化效果越显著，同时反应进程也会相应加快。
不仅如此，这类微粒还具备吸热能力强、可塑性强、抗压性高、电流通过顺畅以及磁性表现突出的诸多优点。随着探索持续展开，预计未来会揭示出更多超凡的特性。
03 ——
纳米材料的应用
Applications in Life
1. 生物医学中的抗菌剂
微生物侵染是当前科研人员着力解决的挑战之一。抗菌药物的出现曾带来曙光，然而其产生的抗药性又限制了实际应用。鉴于纳米材料的独特性能，一些学者开始关注这种材料。近些年，纳米材料的杀菌作用得到实际应用，同传统药物相比，纳米抗菌剂具备毒性小、能对抗抗药现象、价格低廉等优势。人们普遍认为，其抗感染原理在于锋利的棱角能够造成切割，同时引发氧化压力，并且干扰细胞活动。许多纳米物质，例如石墨烯、银、氧化银、二氧化钛、氧化锌、氧化铜等，都被当作抗感染物质使用。
有研究认为，OCP-GO/CS支架极有可能成为骨修复领域的首选材料，这种支架能够刺激骨髓间充质细胞生长并分化，还能引导骨骼组织再生，同时能控制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的繁殖，并且与人体的相容性极佳。另外，ZnO/GO-COOH材料同样展现出对变形链球菌的抑制效果，并且具备很强的促进骨骼形成的能力。
清华大学未来实验室首席研究员乐恢榕教授携手英国普利茅斯大学生物学院知名纳米病毒学家R. Handy教授，共同研发出钛合金表面TiO2纳米多孔构造，并嵌入多样纳米微粒。譬如，运用溶胶-凝胶技术植入含Ag、ZnO等抗微生物纳米颗粒，显著提升了牙科及骨科材料在植入初期的抗菌效能。
2. 能源环保领域分解和减少污染
目前，世界范围内经济与工业的迅猛推进，导致有毒或难以分解的有机污染物造成的环境污染问题愈发突出，已构成不容小觑的全球性挑战。科研发现，由两种不同半导体纳米材料形成的类似半导体p-n结结构，能够显著增强对可见光的捕获效率，进而加速有机染料的分解过程。
NiO属于p型半导体类别，CdS则归于n型半导体范畴。当CdS纳米颗粒沉积于NiO晶片之上时，会引起能带排列的调整，由此在CdS表层形成更多自由电子，而在NiO表层则出现更多空穴。这种物质以粉末形态加入含有刚果红的染料废水中，借助可见光照射，可以显著增强对有机污染物的降解作用。
超薄层级的二维物质，例如氧化石墨烯、MoS2和WS2开yun体育app官网网页登录入口，有助于提升界面光催化效果开元棋官方正版下载，最初用于太阳能分解水制取氢气。斯坦福大学H. Dai研究员团队通过溶剂热技术，在氧化石墨烯薄片上生长MoS2纳米点，在水分解过程中展现出极佳的光催化作用kaiyun全站网页版登录，这与MoS2纳米片层的边缘效应以及石墨烯的优良导电特性相关。台岛国立大学的J. H. He研究集体在p-型硅基片上生长了单层二硫化钼膜，增强了太阳光能的捕获能力，换算成能量转换比率可达到20毫安每平方厘米。另外，锌氧化物和二氧化钛构成的复合层展现出良好的光线吸收特性以及催化性能，也在太阳能转换以及水制取氢气等方向获得了普遍关注。
3. 航空航天领域的升级
纳米材料制造技艺进步，工业应用步伐加快，国内外许多研究者关注其在航天、能源等范畴的实践。纳米碳结合体能将纳米碳的卓越特质保留在较大范围，彰显出复合材质和纳米科技互相促进的效果，它拥有的重量轻、用途多样等优势能够符合航空航天的轻量化要求，为航空航天材料革新带来新的动力。
美国佐治亚理工学院Kumar团队的研究揭示，经碳化处理后，由冻胶纺丝制备的单壁碳纳米管与聚丙烯腈纳米复合材料制成的碳纤维，其抗拉性能显著优于聚丙烯腈基碳纤维，增幅达五十个百分点，该性能优势主要源于聚丙烯腈纤维内部纳米管呈现的有序排列状态。在复合材料中掺入碳纳米管，既能提升材料的抗拉伸能力，又能减小材料的热膨胀指数，还能降低材料在极端温度下的形变程度，这种特性对于需要高精度指向功能的卫星天线来说十分关键。
Peng及其团队运用跨越不同尺度且模仿自然的设计理念，构想并制作了石墨烯纳米带海绵构造，成功获取这种海绵材料并完成复合处理，导致复合材料的抗拉能力、弹性系数与抗撕裂性能分别增强四倍、四倍和十倍。借鉴了“药物在水介质中均匀分布”的思路，研发了石墨烯多孔结构结合技术，攻克了纳米碳质点在聚合物基质内不易均匀铺展的难题，将此方法应用于碳纤维增强材料，显著增强了该材料的抗剪切及抗压能力，相关成就在中国运载火箭技术研究院官方网站进行了公布。
