纳米化学论文范文
纳米化学论文范文第1篇
关键词：纳米材料 太阳电池 光催化 兴趣小组
中图分类号：N39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0001-01
为了更好地开展“纳米科技”兴趣小组，将兴趣小组分成以下几个部分来实施：纳米材料的基本知识及制备方法，染料敏化纳米薄膜太阳电池，纳米科技在光催化、光吸收等方面的应用。
1 纳米材料的基本知识及制备方法
“纳米科技”兴趣小组刚开展时，指导学生查阅文献的方法，为小组成员提指导学生制作太阳电池，首先制作纳米二氧化钛，有很多参数会影响到纳米供相关科技书籍，指导学生掌握相关知识：纳米概念、纳米微粒结构、纳米材料的物理化学性质、纳米材料的制备方法等，启发学生主动学习科学知识，激发学生对纳米科技的兴趣。
针对小组成员是大一新生，理论知识和实验技能相对不足，利用课余时间指导小组成员学习理论知识和常规的实验技能，指导小组成员做一些简单的材料制备实验，熟悉紫外-可见分光光度（UV-Vis）、pH计等分析仪器。给小组成员布置学习任务，按期提交学习心得，督促小组成员尽快掌握基本的理论知识和实验技能。给学生做演示实验，指导实验的关键点。通过言传身教，让学生懂得科学的严谨性，养成多动脑筋、勤观察现象、善于分析的好习惯。指导学生掌握如何设计实验方案，如何记录实验现象，如何进行实验分析和数据处理。组织小组成员进行讨论交流，提高学生独立思考、分析理解能力、动手操作和自主创新的能力；增强学生的综合能力，促进学生素质的全面发展。
在兴趣小组的实施过程中，小组成员通过查阅资料、文献检索、听讲座、看演示实验、动手做实验、讨论交流等方式了解纳米科技，熟悉纳米材料的基础知识，纳米材料的制备方法：共沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法和微乳液法等，能动手制备一些纳米材料，如：纳米二氧化钛、纳米二氧化硅等。
随着小组成员理论知识和实验技能的提高，指导学生掌握实验方案及注意事项，让学生动手做一些实验。指导学生利用实验数据分析实验结果，比较各个工艺路线的优劣，讨论如何设计下一步的实验方案。指导学生记录实验过程，实验现象，以及一些困惑和思考。学生在做科学研究时，兴趣更大，操作更加细致认真。先后做的实验有：纳米二氧化钛的制备，并用紫外-可见分光光度分析纳米二氧化钛的的光化学性质；制备掺杂型纳米二氧化钛材料，纳米二氧化钛和二氧化硅复合材料的制备。纳米TiO2颗粒容易团聚形成较大的聚集体，对纳米TiO2进行表面改性以避免其团聚现象。纳米TiO2颗粒的晶型、颗粒大小对光催化性能起着决定性的作用，分析影响光催化剂晶型、粒径的因素，控制纳米TiO2的晶型和粒径。
2 染料敏化纳米薄膜太阳电池
给学生介绍染料敏化纳米薄膜太阳电池（DSC），DSC具有廉价的原材料和简单的制作工艺以及稳定的性能等优势。DSC采用有机染料来敏化纳米多孔TiO2半导体，由于有机染料分子设计合成的灵活性和纳米半导体技术的迅猛发展，DSC在技术发展和性能提高上有很大的潜力。
TiO2的形态（粒径、颗粒形状、孔隙和比表面积等），还有pH值及反应温度和时间等。在第一阶段已经做过纳米二氧化钛，然后合成染料敏化剂联吡啶钌，染料敏化剂在太阳电池中的作用是极其重要的，它具有很宽的光谱吸收范围和良好的稳定性，能有效地捕获太阳光，并通过染料分子的吸附功能基团与纳米TiO2薄膜表面形成化学键，使染料能够有效地敏化纳米TiO2薄膜电极。将合成的染料溶于乙醇中，配制成染料溶液。第三步配制电解质。第四步，准备好导电玻璃，将二氧化钛薄膜印刷到导电玻璃上，然后浸泡到染料溶液中，在反电极的玻璃上镀上一层铂。最后将两片导电玻璃固定好，注入电解质，密封好就得到太阳电池了。学生亲自动手制作电池，兴趣很大，动手能力也得到很好的锻炼。
3 纳米科技在光催化、光吸收等方面的应用
指导小组成员学习纳米材料在光催化、光吸收、生物、医药、磁性材料及传感器等方面的应用；指导小组成员分析纳米二氧化钛的应用研究，如在水处理、气体净化、抗菌保洁等方面的应用；指导小组成员学习工业废水的常规处理方法，以及催化剂的性质和应用；指导学生将所学知识运用到实践中，将金属离子掺杂纳米二氧化钛光催化剂应用到光催化降解工业废水中。
采用溶胶-凝胶法制备共掺杂锌、银的纳米TiO2光催化剂，提高纳米TiO2的光催化效率。考察掺杂量、催化剂加入量等对光催化性能的影响。在处理制浆造纸工业、农药制造、印染、化工等多种工业排放废水方面显示出良好的应用前景。这种光催化技术对解决环境污染，治理环境有重要的意义，特别是在全球环境恶化，病毒性传染病时有发生的今天，加强光催化降解有机污染物技术更为重要。以甲基橙染料废水的光催化降解为例，分析锌、银共掺杂纳米TiO2光催化剂的降解效率。分析影响甲基橙染料废水的光催化降解的因素：光照强度、反应时间、催化剂用量、pH值、有机废水浓度等。
4 结语
通过“纳米科技”兴趣小组的开展，小组成员对科学研究产生了很大的兴趣，学到了很多有用的科技知识和实验技能，掌握了科研的一些基本方法和技能，能进行文献的检索，实验方案的选择等，能用紫外-可见分光光度（UV-Vis）对纳米光催化剂的光化学性质进行分析，能比较各个工艺路线的优劣，讨论如何设计下一步的实验方案。“纳米科技”兴趣小组的开展大大提高了小组成员对专业课的学习兴趣，为今后走向工作岗位奠定了一定的理论知识和实验操作技能。
通过“纳米科技”兴趣小组的开展，小组成员能制备出纳米二氧化钛、共掺杂锌、银纳米TiO2光催化剂等纳米材料。这种新型光催化剂是造纸、农药、印染、化工等多种企业所需要的，为企业解决工业废水的治理问题。
参考文献
[1] O'Regan B，Graetzel M.A low-cost， high-efficiency Solar Cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films[J]. Nature，1991，353（6346）：737-740.
纳米化学论文范文第2篇
1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。
（1）发达国家和地区雄心勃勃
为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。
欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。
（2）新兴工业化经济体瞄准先机
意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。
中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。
（3）发展中大国奋力赶超
综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。
2、纳米科技研发投入一路攀升
纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。
美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。
在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。
中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。
另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。
3、世界各国纳米科技发展各有千秋
各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。
（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下
根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。
2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。
在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。
另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头
据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。
专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。
（3）就整体而言纳米科技大国各有所长
美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。
虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。
日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。
日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。
日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。
欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
4、纳米技术产业化步伐加快
目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。
美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。
美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。
日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。
欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。
纳米化学论文范文第3篇
这是一个小型印刷厂车间,面积只有70平方米左右,不到两节地铁车厢那么大。车间有七名女性和一名男性工人,每天的工作是将一种白色涂料喷到有机玻璃板上。
不幸很快就降临在这些工人的身上:七名女工相继发病,其中两名女工去世。
在2009年9月号的《欧洲呼吸杂志》(European Respiratory Journal)上,首都医科大学附属朝阳医院(下称朝阳医院)医生宋玉果及其同事发表研究论文称,上述女工“所患的可能是‘一种与纳米材料有关的疾病’”。
这大概是全球首宗关于纳米颗粒可能致命的临床毒理病例报告。论文的发表,在国际学术界引发了一场小型“地震”。无论那些与纳米技术有关的学术会议,还是科学新闻网站和科学家博客,中国女工之死和纳米安全都是激烈争论的话题。
喷涂车间悲剧
从研究论文披露的情况看,七位女工的年龄在18岁至47岁之间,平均不到30岁,在车间工作的时间从5个月至13个月不等。患病之前,她们的身体健康状况良好。
2007年1月至2008年4月期间,这几位女工被送到朝阳医院职业病与中毒科救治。这个科室专业水准较高,其医生经常被派往中国各个地方,协助处理血铅超标、重金属污染等职业安全事件。
女工们的症状比较类似。所有病人的肺部都受到严重损害,并且有胸腔积液,脸上、手上和胳膊也都出现了严重的瘙痒皮疹。其中,有四位女工体内的器官组织还面临缺血缺氧的危险。
无论对于患者,还是对于医生,治疗过程都令人煎熬。胸腔积液反复出现,常用的治疗方法均告失效。
最终,一名19岁的病人在接受外科手术16天之后去世;另外一名29岁的病人在症状出现后的第21个月,死于呼吸衰竭。
负责诊断和治疗这些女工的,是朝阳医院职业病与中毒科副主任医师宋玉果。根据医院网站的介绍,他多年来从事尘肺、有毒化学物中毒的诊治和临床研究。
宋玉果及其同事开始追究女工们患病的原因,并将嫌疑对象锁定为那个印刷厂车间的工作环境。
该车间所使用的原料是一种象牙白色的聚合物材料――聚丙烯酸酯混合物。聚丙烯酸酯作为一种黏合剂,广泛运用于建筑、印刷和装修材料中,被认为毒性很低。不过,为了让材料更加结实和耐磨,制造商有时会加入硅、锌氧化物、二氧化钛等金属纳米颗粒。
1纳米等于1米的十亿分之一,大致相当于人头发丝直径的数万分之一。通常,粒径在100纳米以下的材料,均被称为纳米材料。
七名女工和一名男工被分为两组,每天工作8个至12个小时。工人们每天要将大约6000克聚丙烯酸酯混合物,用勺子涂到机器的底盘上;这些混合物随即被高压喷射装置喷涂在聚苯乙烯材质的有机玻璃板上;然后,有机玻璃板在75摄氏度至100摄氏度的温度下被加热烘干。
车间只有一扇门,没有窗户。喷射装置附带有一个燃气排气口,对喷涂过程中产生的烟雾起到一定的排除作用。
女工们发病以后,来自中国疾病预防控制中心、北京疾病预防控制中心、当地疾病预防控制中心的流行病学专家,以及朝阳医院的医生,对这家印刷厂的工作环境进行了调查。
在喷射装置燃气排气口的吸气口中,专家们找到了累积的尘埃粒子。女工们发病前五个月,燃气排气口发生了故障。由于室外温度很低,车间的门也经常被关闭。专家们推断,在这期间,车间内的空气流动非常缓慢甚至处于静止。
这些工人都是工厂附近的农民,没有任何职业安全卫生知识。她们所得到的惟一用来保护自己的工具,就是棉纱口罩。而且,她们工作时只是偶尔戴戴。
据工人们反映,在喷涂过程中,经常会有一些原料喷溅到他们的脸上和胳膊上。惟一的一名男性工人在工作三个多月后离开,并没有显示出任何症状。在其他车间工作的工人,其中包括女工们的亲属,也没有出现类似症状。
研究论文没有透露这家印刷厂的名称及其所在地区。在朝阳医院的办公室,宋玉果也谢绝了《财经》记者的采访。
女工之死谜团
在女工们的肺部和胸液中,均发现了直径约30纳米的颗粒。而这般尺寸和形态的颗粒,同样存在于她们接触的喷涂材料之中。
此外,女工们出现了罕见的非特异性间质性肺炎,以及奇特的肺部增生组织――异物肉芽肿等症状。这些症状与纳米材料毒理的动物实验结果相似。
宋玉果及其同事因此认为,很可能是纳米颗粒导致这些女工发病甚至死亡。
但不少专家对这一结论持有保留态度。
9月1日至3日,在北京举行的中国国际纳米科技会议上,多位专家提及宋玉果及其同事的论文。
美国纳米健康联盟(Alliance for NanoHealth)主席、得克萨斯大学医学中心教授毛罗法・拉利(Mauro Ferrari)告诉《财经》记者,这篇论文非常重要,但他不认同作者关于纳米颗粒导致工人患病和死亡的分析。
法拉利说,要确定纳米颗粒与疾病之间的关系,首先应该分析纳米颗粒的组分,确认这些颗粒来自工作环境;即便病人肺部的纳米颗粒来自工作环境,在没有对照试验的情况下,也很难证明这些纳米颗粒一定是女工患病的罪魁祸首。
他还强调,这家印刷厂的工作环境恶劣而封闭,有毒化学品和气体充斥其中,工人们又没有好的保护措施。这些因素对于工人患病和死亡究竟有怎样的作用,都值得推敲。
对于论文中的一个推论――纳米颗粒进入工人身体的途径是吸入和皮肤接触,中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮表示,这并不总是正确的。他强调,通过吸入方式进人体内是可能的,但是纳米颗粒穿过皮肤直接进入生物体内的证据还很少。
美国麻省大学洛厄尔分校健康与环境学院助理教授迪米特尔・贝罗(Dhimiter Bello)因故取消了行程,未能到北京参加此次学术会议。但他通过电邮对《财经》记者说,在工人肺部和工作环境中都发现纳米颗粒,只能说明纳米颗粒有可能是一个致病因素。实际上,从论文提供的信息来看,并不能排除其他的可能致病因素。例如,喷涂过程中用到的聚合物材料在高温下的降解产物,也可能是主要或者惟一造成女工患病的原因。
在贝罗看来,这场悲剧或许不应归咎于纳米颗粒,而应怪罪车间内原始的、不人道的工作条件,“这是一次警醒,无论(悲剧)是否与纳米颗粒相关,工作场所的暴露条件都应当被控制在安全范围内。在这方面,中国还有很长的路要走。”
美国加州大学洛杉矶分校纳米毒理研究中心主任安德烈・内奥教授(Andre Nel)也说,在这起事件中,工人们没有得到应有的生产安全保障,政府部门应该负起监督的责任,以保证生产过程中不会产生对人体和环境有害的物质。
实际上,论文本身也承认了研究存在局限:由于缺乏环境监测数据,无法弄清印刷厂车间纳米颗粒的浓度;纳米颗粒的组成也不清楚。
此外,令宋玉果及其同事疑惑的是,究竟是特定的纳米颗粒,还是所有纳米颗粒都有可能致病?如果的确是纳米颗粒导致那些女工患病,对其他在工作中也会接触纳米颗粒的工人来说,又意味着什么?
如今,关于女工之死的研究论文已经成为了纳米技术研究者们的一个热点话题。据《财经》记者了解,欧洲和美国还有科学家打算组成一个专家小组,到中国开展调研,并希望取到样品回去研究。
诱人前景与安全隐患
不管纳米颗粒是否被确认为几位女工悲惨命运的元凶,纳米技术的安全性问题都因此再度引发各界关注。
纳米技术正在走进人们的生活。从一桶涂料、一瓶防晒霜到一件衣服,都有可能用到纳米技术。
纳米材料颗粒小、表面积巨大,会显示出很多独特的物理化学性质,从而在电子、光学、磁学、能源化工、生物医学、环境保护等领域有巨大的应用前景。例如,很多纳米材料都可用作涂料,替代那些强毒性的化学物质;用碳纳米管等纳米材料改良电池,可以推动电动汽车的发展,使电力更持久等。
纽约一家名为“卢克斯研究”的市场分析公司称,2007年销售的纳米技术相关产品,价值约1470亿美元。到2015年,这一数字可能突破3万亿美元。
纳米技术在展现出诱人前景的同时,其安全性问题也进入了人们的视野。
随着纳米材料的大规模应用,研究人员和工人容易暴露在纳米颗粒浓度较大的实验室或生产车间之中。此外,普通公众也可能暴露在纳米颗粒之下:涂料、化妆品等产品中用到的纳米材料,可能在产品损坏或分解时释放。
这些纳米颗粒物可能经过呼吸道吸入、胃肠道摄入、药物注射等方式进入人体,并经过淋巴和血液循环,转运到全身各个器官。
根据多项流行病学研究,空气中的细颗粒物,尤其是纳米级别的颗粒物,浓度的大量增加会导致死亡率的增加。伦敦大雾曾经导致居民大量死亡,就是一个被经常引用的案例。
那么,人造的纳米材料进入人体后,是否会导致特殊的生物效应,并对人体健康构成危害呢?从理论上说,纳米物质由于尺寸小,与常规物质相比更容易透过人体的各道屏障;由于表面积大,也可能有更多毒害人体的方式。
朝阳医院的宋玉果在8月31日《健康报》发表文章说,相关的动物实验研究发现,许多纳米物质具有明显的毒性,其中研究较多的为碳纳米管、纳米二氧化钛等。一些纳米物质还被认为可致动物肺脏、肝脏、肾脏和血液系统等损伤。
对于与纳米物质相关的疾病,宋玉果称之为“纳米相关物质疾病”。当然,他也表示,公众不必为纳米物质相关疾病感到恐慌,不是所有纳米颗粒物都有毒性。
动物毒理性实验的结果,也不能简单地推到人的身上。但由于科学界对纳米安全性的研究刚刚开始,几乎没有任何相关人体毒理性资料――这也是宋玉果及其同事的论文引起国际科学界高度关注的一个原因。
中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮告诉《财经》记者,目前开展过安全性研究的纳米材料只有十几种,还非常有限。但他相信,随着研究队伍的壮大和研究投入的加大,将来必定可以从大量的数据积累中寻找到一些规律。
在国际上,纳米安全性研究的热潮大约始于2003年。《科学》和《自然》等著名学术杂志纷纷发表文章,探讨纳米材料与纳米技术的安全问题:纳米颗粒对人体健康、自然环境和社会安全等是否有潜在的负面影响。
这之后,各国明显增加了纳米安全性方面的研究。美国的国家纳米技术计划(NNI)将总预算的11%投入纳米健康与环境研究。欧盟每年支持三个左右与此相关的项目,每个项目的经费规模在300万至500万欧元之间,而欧盟各个国家还有自己国内支持的纳米安全性项目。
中国在极力推进纳米技术研究和产业化的同时,也开展了纳米安全性的研究。其中,中国科学院在2001年就开始筹建纳米生物效应与安全性实验室。科技部在2006年启动了为期五年的国家重点基础研究发展计划(即“973”计划)项目“人造纳米材料的生物安全性研究及解决方案探索”,经费2500万元,首席科学家由赵宇亮担任。
不过,赵宇亮告诉《财经》记者,与美国和欧盟相比,中国在纳米安全性研究上的投入只是“一个零头”。
政治决策与公共参与
中国科学家在纳米安全性方面的研究工作,得到了国际同行的认可。其中,在每年召开的与纳米毒理学相关的国际会议上,几乎都会邀请中国科学家作大会报告。赵宇亮还与其他科学家共同主编了第一本纳米毒理学英文专著。美国纳米健康联盟主席法拉利称,中国科学家是纳米毒理学研究领域的领导者之一。
不过,令赵宇亮感到尴尬的是,美国国家纳米技术协调办公室的官员曾经问他,包括美国、欧盟、英国、日本等很多国家的相关管理部门,都发表了对于纳米技术安全性的调研报告、方针和策略,为什么中国没有?对此,赵宇亮不知如何回答是好。
在美国和欧盟,纳米技术及其安全性已经成为政治家们关心的话题之一。它们的环保部门、国家科学与技术委员会,以及其他政府研究机构,会通过白皮书等文件形式,发表政府层面对于纳米安全性问题的见解。
其中,2001年,美国在国家科学技术委员会之下建立了国家纳米技术协调办公室,负责协调政府层面之间的纳米研究计划。而纳米研究项目的成果,会通过这个办公室反馈给其他政府机构,帮助科学研究去影响政府决策。
2009年3月,美国食品药品监督管理局(FDA)还了一份有关纳米技术的合作倡议。该局将与纳米健康联盟旗下的八个研究机构合作,以加快建立保障纳米医疗产品安全可靠的有效体系。法拉利告诉《财经》记者,在实验室研究结果与安全性评估的关联,以及纳米技术相关药物的审批等方面,美国食品药品监督管理局都做了很多工作。
相比之下,纳米安全性在中国似乎局限于科学研究的阶段,政府部门仍然保持沉默。
对于纳米技术的研究和产业化,各国都在积极支持。其原因正如美国《环境健康展望》杂志所称,科学界普遍认为,纳米材料和纳米技术对于社会是十分有益的,能够提供更好的药物、更强更轻的产品、对环境更友好的能源和环境技术。
与此同时,为了获得公众对于纳米技术发展的支持,各国也需要在纳米安全性方面进行更多的研究,同时鼓励公众参与。在中国纳米国际科技会议的闭幕式上,法拉利也特地呼吁加大公众在纳米安全性研究上的参与程度。
实际上,关于纳米技术发展的“风险预防”原则,在欧洲和美国等地正深入人心――人们希望在纳米技术等新技术的风险出现之前,尽可能地提前进行防范和干预。而公众及早参与到纳米技术研究和政策的讨论,是“风险预防”实践的关键环节之一。
英国杜伦大学风险研究所负责人菲尔・麦克纳顿(Phil Macnaghten)教授告诉《财经》记者,要想避免纳米技术重蹈转基因技术的覆辙,让公众从“上游”参与讨论影响纳米技术的研究和政策,或许是一个有效的办法。如果等到技术发展之后再让公众在“下游”参与,可能为时已晚,“很难改变公众业已形成的印象和认识”。
纳米化学论文范文第4篇
1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。
（1）发达国家和地区雄心勃勃
为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。
欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。
（2）新兴工业化经济体瞄准先机
意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。
中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。
（3）发展中大国奋力赶超
综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。
2、纳米科技研发投入一路攀升
纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。
美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。
在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。
中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。
另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。
3、世界各国纳米科技发展各有千秋
各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。
（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下
根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。
2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。
在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。
另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。
（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头
据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。
专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。
（3）就整体而言纳米科技大国各有所长
美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。
虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。
日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。
日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。
日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。
欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
4、纳米技术产业化步伐加快
目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。
美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。
美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。
日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。
欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。
纳米化学论文范文第5篇
关键词 纳米科技;纳米地球化学;纳米矿物学;纳米矿床学
中图分类号TB383 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0083-02
1 概述
纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]
1.1 基本概念
纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。
1.2 纳米科技的发展历史
纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。
1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;
2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];
(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。
1.3 纳米固体的基本特征
纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :
1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;
表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;
3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;
4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。
表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。
2 纳米科学研究的分析手段
具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。
1)扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。
2)高分辩透射电镜(HRTEM)
高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。
3)原子力显微镜(AFM)
以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)
能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。
3 纳米科技理论在地学上的应用
纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。
3.1纳米地球化学
纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。
3.2 纳米矿床学
相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。
3.3 纳米矿物学
目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。
所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:
1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;
2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;
3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;
4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。
目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。
4 结论
纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。
参考文献
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纳米化学论文范文第6篇
20世纪60年代，Hill提出小系统（纳米）热力学的概念［3］，针对纳米体系的内能，提出通过在宏观体系内能基础上增加一项反映体系内粒子尺度特征的物理量W（称为“subdivisionenergy”）来表示。W与温度、压力、化学势以及尺寸等有关，纳米体系内能为U＝TS－PV＋μN＋W，则W＝U－TS＋PV－μN，Gibbs自由能为G＝W＋μN。当W＝0时，纳米体系的U、G即转化为宏观体系的U、G。所以，纳米热力学问题关键在于考虑纳米尺度对体系热力学参数和性质的影响，即W问题。根据界面理论，W为对体系所做的表面功［6］，W＝γdA，γ为表面、界面张力或单位表面Gibbs自由能，A为表面、界面面积。实际上经典热力学在处理与表、界面相关的过程时，已考虑了W，只是认为γ只与体系T、P、Cj和μ有关，与粒子尺寸无关。对于纳米体系，应考虑γ与粒子尺寸的关系，即W＝f（γ）＝f（T，P，Cj，μ，ri）。到目前为止，人们对这一问题仍没有获得较为普适的规律，多数研究都是针对某一具体过程进行分析，获得的模型或规律有一定的局限性。通常，研究该问题的方法有2种：一是考虑纳米尺度效应对表、界面能的影响，进行理论分析和计算［4－5，7］；二是采用分子动力学方法模拟［8］。本文针对钢液中夹杂物的形核过程，采用理论分析方法进行研究。
2夹杂物形核Gibbs自由能及晶核临界半径的纳米热力学计算模型
新相形核可以通过均质或非均质形核这2种方式进行。实际生产中，金属熔体凝固形核几乎都是非均质形核。对于钢液中的高熔点夹杂物，除耐火材料外，一般没有固态质点可供其形核，所以形核方式主要为均质形核，如Al2O3夹杂物。本文针对均质形核过程，基于纳米热力学理论建立夹杂物形核过程Gibbs自由能变化以及临界晶核半径计算模型。假设形成夹杂物的反应为［M］＋x［O］＝（MOx）S，则形核过程的总Gibbs能变化ΔG为ΔG＝γA＋VΔGV。式中：A、V分别为夹杂物晶核的界面积和体积；γ、ΔGV分别为形核过程钢液－夹杂物界面能和体积Gibbs自由能变化。考虑纳米级晶核尺寸对γ以及ΔGV的影响，同时，假设晶核形状为球形，则形核过程的总Gibbs自由能变化可表示为：ΔG（r）nano＝γnanoA＋VΔGV，nano＝4πr2γnano＋43πr3ΔGV，nano（1）式中：γnano、ΔGV，nano分别为考虑纳米尺寸影响的晶核－钢液界面能和体积Gibbs自由能变化。
2．1γnano的尺寸依赖关系关于纳米颗粒－环境界面能γnano与颗粒半径r的关系已有报道［9－12］，综合文献结果可得：式中：r0为颗粒临界尺寸，指颗粒小到几乎全部原子位于表面时的尺寸，r0＝3h／2，h为颗粒分子直径；f为界面应力。对式（2）取最大值，可得：式（3）即为考虑纳米尺寸效应的界面能与尺寸之间的依赖关系式。可见：γnano随着r增加而增大，最大值为10γ／9。以钢液中Al2O3夹杂物为例，。根据式（3）得到如图1所示钢液－纳米o与r之间的关系。从图1可以看出：1）当r小于10nm时，钢液－夹杂物之间的界面能随粒子尺寸增大而迅速提高。尺寸越小，提高得越快，说明粒子尺寸通过改变γnano来影响形核过程的总能量。2）当r大于10nm时，界面能随r增大而缓慢提高，并趋于最大值2．556N／m，即当夹杂粒子长大到超过10nm后，r对进一步长大过程的能量变化影响逐渐减小，最后达到稳定，稳定后就可完全应用经典热力学解释。KyokoWasai［13］等根据气－液滴间界面能与液滴尺寸关系对不同尺寸夹杂物与钢液间的界面能进行了计算，获得的界面能随粒子尺寸的变化趋势与本文一致。但同一尺寸下，气－液滴间的界面能数值略高于本文钢液Al2O3夹杂物的界面能，原因在于本文界面能－尺寸关系是基于液－固颗粒建立的。
2．2ΔGV，nano的尺寸依赖关系式中：Vm为夹杂物MOx的摩尔体积；K＊为夹杂物形成元素的过饱和度，即反应的某一时刻t时的反应物浓度积mt与平衡浓度积K′之比，定义为根据Kelvin公式，当粒子尺寸减小时，粒子在溶液中的溶解度将增加。所以，钢液中纳米夹杂物的平衡溶解度K′nano应大于常规夹杂的平衡溶解度K′。ΔGV，nano可表示为：物形成元素的过饱和度和平衡浓度积。由于Kelvin公式是建立在界面能与尺寸无关的经典热力学上的，所以其对描述纳米尺度也存在一定偏差。为此，本文对Kelvin公式中的界面能γ采用式（3）代替，则可得到考虑界面能与尺寸依赖关系的所谓新Kelvin公式：晶核形成过程的体积Gibbs自由能变化越大。2．3球形夹杂物形核过程的总Gibbs自由能变化ΔG（r）nano式（9）即为考虑纳米尺寸效应的夹杂物形核过程的总Gibbs自由能变化方程。则纳米热力学与经典热力学形核总Gibbs自由能之差为ΔG（r）nano－ΔG（r）＝πγr（92r－300h）／27。当r＝300h／92＝3．26h时，ΔG（r）nano＝ΔG（r），此时晶核半径约为晶核分子直径的3倍，远未达到夹杂物晶核临界半径；随着形核过程进行，r不断增大，ΔG（r）nano－ΔG（r）不断增大，直到长大到临界晶核半径；随后晶核继续长大，两类自由能均下降。对式（9），令ΔG（r）nano／r＝0，可得夹杂物的临界晶核半径r＊公式为：2至此，本文得到式（10）即为基于纳米热力学的夹杂物临界晶核半径计算公式，式中ΔGV由式（4）给出。下面以钢液铝脱氧形成Al2O3夹杂物为例进行计算分析。3Al2O3夹杂物的临界晶核尺寸计算与分析钢液铝脱氧形成Al2O3夹杂物的演变过程如ZhangLifeng［14］根据经典形核和扩散理论，采用计算机模拟得到Al2O3的临界晶核半径约为0．52～2．0nm，大约由10～100个Al2O3分子组成。根据式（11）和式（14），分别计算并绘制出基于经典热力学和纳米热力学的Al2O3夹杂物的临界晶核半径与lnK＊的关系曲线（图3）。分析图3可以得出
3点基本结论：1）采用经典形核理论和纳米热力学得到的临界晶核半径r与lnK＊之间的变化趋势是一致的；2）对于同一lnK＊，纳米热力学计算得到的临界晶核半径值大于经典热力学计算值，并且lnK＊越小，两者之差越大；3）由于K＊是夹杂物形成元素的过饱和度，可视为钢液的洁净度。从图3可知，lnK＊越小（即洁净度越图2所示。为了对比分析，本文分别采用经典形核理论和纳米热力学模型进行计算。高），夹杂物临界晶核半径越大，形核功也就越大，夹杂物在钢液中就越难形成，这就有可能将夹杂物的形成延迟至钢液凝固过程中，由于凝固过程中元素扩散较慢，则夹杂物长大速率减缓，从而为实现夹杂物尺寸细化提供了一种可能的思路。对于钢液终脱氧，加铝后初始时刻lnK＊最大，随后逐渐减小。许多研究发现铝脱氧速度很快［13－15］，在形成稳定晶核之前产生大量Al2O3团簇导致lnK＊很快减小，当团簇达到一定数量后，开始形成稳定晶核。在大量形成稳定晶核时，lnK＊的变化范围约为6～10。采用经典形核理论计算可得Al2O3夹杂物的临界晶核半径为1．02～1．69nm，与ZhangLifeng［14］的计算结果相近。采用纳米热力学计算得到临界半径为1．40～2．72nm，略大于经典热力学计算值，两者差值为0．38～1．03nm。因为临界晶核尺寸本来就很小，差值约为经典热力学临界晶核半径的37．25％～60．95％。目前，还未检索到文献报道直接观察到钢液中夹杂物临界晶核图像。主要原因是夹杂物的形核速度很快，难以制备和捕捉到仅仅存在夹杂物临界晶核的样品。目前，本文也难以采用试验方法直接证实纳米热力学理论与经典形核理论应用于夹杂物形核过程的差异，随着试验技术提高，相信这一问题迟早可以得到直接验证。而且，以本文为基础，本研究下一步将采用分子动力学方法对这一问题进行计算机模拟研究，虽不能直接验证，但可以通过关于纳米体系热力学的研究报道对这一问题予以间接佐证。王金照［16］基于纳米热力学理论，采用分子动力学方法模拟了气泡形核的临界半径，并与经典热力学进行了对比，发现分子模拟结果略大于经典热力学计算值，这一点与本文的推论是一致的。另外，薛永强［17］、来蔚鹏［18］等研究纳米颗粒粒度对其参加的化学反应的热力学参数的影响时得知，随着纳米颗粒粒度减小，反应标准熵、焓和Gibbs自由能均不断减小，平衡常数增大。这些研究结果也可以间接证明本文的推论。
纳米化学论文范文第7篇
纳米科技将引发一场新的工业革命
笔者：纳米是一个长度单位，纳米科技却受到世界各国的重视。纳米科技对我们的生活会有什么样的影响？
白春礼：纳米科技的受关注度升高，不仅仅是其尺度的缩小问题，实质是由纳米科技在推动人类社会产生巨大变革方面具有的重要意义所决定的。
纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为哪一门传统的学科领域。而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，正是这样，纳米科技充满了原始创新的机会。而一旦在这一领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生产、生活中得到广泛应用，将极大地丰富我们的认知世界，并给人类社会带来观念上的变革。
随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引发一场新的工业革命。比如，在纳米尺度上制造出的计算机的运算和存储能力，与目前微米技术下的计算机性能相比将呈指数倍提高，这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。同样，生命科技也面临着在纳米科技影响下的变革。所以，人们认为纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。美国《新技术周刊》曾指出：纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
纳米科技也将促使传统产业“旧貌换新颜”。比如，纳米绿色印刷制版技术，完全摒弃了化学成像的预涂感光层，因此版材不再怕光、怕热；由于不需要曝光、冲洗等流程，因而杜绝了污染的产生，并且理论上是传统版材涂布成本的20%。
国际纳米科技发展趋势呈现三个新特点
笔者：那么目前国际纳米科技的发展有哪些新变化呢？
白春礼：2000年美国率先了“国家纳米技术计划”（NNI）。迄今，部级纳米科技发展规划的国家超过50个，呈现出国际竞争日趋激烈的态势。例如，美国2011年在纳米科技方面的预算达17.6亿美元。2011年11月30日，欧盟委员会对外公布了欧盟第八个科技框架计划——《地平线2020：研究与创新框架计划》，这份科研计划的周期为7年，预计耗资约800亿欧元。
目前国际纳米科技发展呈现出三个趋势：
一是从应用导向的基础研究到应用研究再到技术转移转化一体化研究。例如美国尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究与应用开发紧密结合在一起，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。同时，整合各学科的研究力量，集中解决重大的科学挑战问题或孕育重大突破的应用技术。
二是专业平台支撑的纳米技术研发。纳米技术的特点是多学科交叉技术集成，以及基础研究和应用研发的集成。美国建立了14个部级的纳米科技研究中心，法国建立了3个部级实验室，加拿大在阿尔伯塔大学建设了国家纳米技术研究所，日本建立了12个纳米技术虚拟实验室，韩国建立了3个国家纳米科技平台。
三是全球大型企业越来越重视纳米技术。国际商用机器公司、惠普公司、英特尔公司等，都在用纳米技术开发10纳米以下的器件和工艺。日本关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，建立了“关西纳米技术推进”专门组织，东丽、三菱、富士通等大公司更是斥巨资建立纳米技术研究所，开发碳纳米材料吨级量产技术。
我国已成为世界纳米科技研发大国
笔者：我国纳米科技发展的情况如何？
白春礼：应该说我国已经成为世界纳米科技研发大国，部分基础研究跃居国际领先水平。目前，我国纳米科技方面的SCI论文数量已处于世界领先地位，2009年，我国发表纳米科技SCI论文数量已经超过美国，跃居世界第一位。同时，论文质量大幅度提高，SCI论文引用次数跃居世界第二位。反常量子霍尔效应、亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像等工作，在国际上引起了巨大影响。
近年来，我国纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。
在专利申请量方面，我国已位于世界前列，从1998年到2009年底，首次超过美国跃居世界第二。在纳米技术标准化方面，我国已与世界同步，积极参与并部分主导了国际纳米技术标准工作，在国际纳米标准化工作中占有一席之地。同时，颁布了一批国家纳米技术标准，初步形成了纳米标准化体系；研制了多项国家标准物质及标准样品，填补了国内空白，为我国纳米科技的产业化应用奠定了基础。
纳米化学论文范文第8篇
[关键词]纳米电子器件；纳米电子技术；纳米电子器件分类；纳米电子设备加工技术
中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0074-01
引言
根据摩尔定律，当价格恒定时，集成电路上的元器件数目，每经过18到24个月便会增加一倍，性能也会提升一倍。但是在未来的几十年内，在继续提高计算器的运算能力和存储能力等方面将面临严峻的挑战，这其中既有技术性的工艺限制，也有原理性的理论限制。主要有：（1）当电子器件的大小尺寸处于微米级别时，电子主要表现为粒子性，而当大小尺寸为纳米级别时，电子主要表现的却是波动性，此时的电子器件将在完全不同的原理下工作；（2）当器件尺寸减小到纳米级别时，该系统产生的热起伏将会限制电子器件的性能，致使其无法正常运行。
纳米电子技术和电子器件的出现及发展有望打破这种困局，同时也为微电子技术的发展提供了新的思路和转机。本文将阐述纳米电子技术和纳米电子器件的分类及指出在纳米电子领域中所面临的和亟待解决的问题。
1 纳米电子技术与纳米电子器件
纳米电子技术是指在纳米尺寸级别内构建纳米和电子器件，进而完成量子计算机和量子通信系统之间的信息计算及传导与处理的相关技术，纳米电子技术发展的核心是纳米电子器件。纳米电子技术正处于高速发展时期，其最终目标是为了利用最前沿的物理理论和工艺手段，打破原有的大小尺寸及技术极限，依照全新的设计理念制造纳米电子器件，构建电子系统，使得该系统的信息存储和处理能力走上新的台阶，实现革命性的突破。
纳米电子器件指使用纳米级别的加工和制造技术（如光刻工艺、外延、细微加工、自组装生长和分子合成技术等），设计并制备而成的具有纳米级别的尺度和某些特定性能的电子器件。当前人们通过纳米电子材料和纳米光刻技术，已设计出多种纳米电子器件，例如电子共振隧穿器件、金属基、单电子晶体管、半导体、单电子静电计存储器及逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、通过硅纳米晶体制造的存储器、聚合体电子器件、纳米硅微晶薄膜器件和纳米级浮栅存储器等
2 纳米电子器件的分类
国内外对纳米电子器件分类有着不同的看法。根据目前纳米电子技术的发展和对未来发展前景的估测，有一种看法将纳米电子器件从广义分成8类：（1）纳米CMOS混合电路，有纳米CMOS电路及半导体共振隧道效应混合电路，单电子纳米开关电路和纳米CMOS电路，还有碳纳米管电路和纳米CMOS电路，人造原子电路和纳米CMOS电路，DNA电路和纳米CMOS电路；（2）纳米存储器，例如隧道型静态随机存储器、单电子存储器、超高容量纳米存储器和单电子量子存储器等；（3）纳米集成电路，有纳米光电电路及纳米电子集成电路；（4）纳米传感器，例如量子级别的隧道传感器；（5）单分子器件，例如单电子开关、分子线、电化学分子电子器件、单原子点接触器件、量子效应分子电子器件等；（6）单电子器件，例如电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子泵、单电子箱、单电子陷阱、单电子泵和单电子结阵列等等；（7）量子效应器件，例如量子点器件、谐振隧道器件和量子干涉器件等等；（8）纳米级别的CMOS器件，例如异质结MOSFET、双极MOSFET、绝缘层上硅MOSFET、和低温MOSFET等等。以上分类中，纳米传感器、存储器、纳米集成电路、纳米级CMOS器件和纳米CMOS混合型电路等均作为一种完全独立的器件类型。但是否应该将这些纳米级别的CMOS器件、传感器或者纳米集成电路纳入纳米器件的范畴，当前还未有定论。
3 纳米结构制备和加工技术
无论是研究纳米电子技术，还是制作纳米电子器件都是非常复杂的。本文仅对纳米电子器件的制备进行简单的探索，提供一些思路和建议。
3.1 光刻技术
电子束光刻、光学光刻与离子束光刻统称为三束光刻技术，机理是通过曝光掩模、刻线等物理化学工艺将设计的器件图形结构传递到介质或单晶表面上，形成功能图形的加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断缩减，电子束光、刻光学光刻与离子束光刻等技术已在纳米CMOS器件、纳米CMOS混合集成电路、纳米集成电路等加工领域去的较好应用效果，并逐渐在纳米电子器件加工方面获得了应用。
3.2 外延技术
原子层外延、分子束外延金属、有机化学汽相淀积与化学束外延技术统称为外延技术，是一种在基体上生长纳米薄膜的纳米制造技术，可用于纳米集成电路上的硅基半导体材料和纳米半导体结构，均用于器件的加工与制备。
3.3 分子自组装合成技术
自组装是依靠分子间非共价键力自发将无序状态结合成稳定的聚集体的过程，可以发生在不同的尺度上。自从80年代有人提出分子器件的概念至今，人们已从当年的LB技术发展到了如今的分子自组装技术，同时从双液态隔膜技术发展到了SBLM技术，现已在加工具有特定功能的分子聚集体、分子组装有序分子薄膜等方面取得了丰硕的成果。目前，国际上已开始研究超分子自组装合成技术。
3.4 SPM技术
自从1982年第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微观纳米世界的认识翻开了新的一页。现今的扫描探针显微镜（SPM）的横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm，不仅可以进行观测高分辨率的三维成像，还可对材料表面结构的不同性质进行研究。因此，这已不仅是一种简单的微观测量和分析的工具，更是一种非常重要的微观操纵与加工工具。
3.5 特种超微细加工技术
还有另外一些特殊的超微细加工技术，可用于制备和加工纳米电子器件：包括纳米碳管构建FET；通过机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；以介孔材料、纳米碳管、DNA分子为模板，电火花加工、制备量子线、电化学加工及超精密复合加工、电解射流加工等技术等。
4 展望
纳米技术目前的发展现状是非常可观的，具有一定的社会意义。其作为一项具有应用性、高性能和巨大潜力的科技成果，在一定程度上对人们的生活起到重要的作用。纳米电子技术是以许多现代自然科学技术为基础的科学，研究涉及混沌物理、量子力学、基础化学、分子生物学等现代科学和计算机技术、核分析技术、扫描隧道显微镜技术和微电子等多种现代技术，并与机械学、生物学、认知科学等学科相互融合，这种融合发展必然会引发各行业各领域的科学技术发展，对于人类而言，不仅可以改善生存环境，提高生活水平，并且还将从根本上造福全人类。
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纳米化学论文范文第9篇
关键词 纳米材料 课程设计 教学方法 评价机制
中图分类号：G424 文献标识码：A
"Nano-materials" Course Design and Teaching Exploration
LI Hongping， CHEN Beibei
（School of Material Science & Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）
Abstract Nano-material is an emerging interdisciplinary， involving a number of areas materials， physics， chemistry， biology and so on. Emerge and flourish nanotechnology nano-technology and new materials， and on the "nano-materials" teaching activities proposed new requirements. In this paper， the characteristics of the course， with its own teaching experience， mainly from three aspects determine the arrangement of teaching content， select teaching methods and evaluation mechanisms conducted to explore the system in order to achieve good teaching， students of the scientific spirit and ability to innovate.
Key words nano-materials; course design; teaching methods; evaluation mechanism
1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世，从而纳米材料科学作为一个相对比较独立的学科诞生。①本文结合纳米材料课程的特点、重要性以及教学经验，拟从课程教学内容的安排、教学方法的选取以及评价机制的确定三个方面对高等院校材料类专业本科生进行纳米材料课程教学改革进行探讨。
1 课程特点概述
相比于其它发展相对成熟的课程，纳米材料是一门前瞻性、创新性、专业性和实践性很强的课程，涉及物理、化学、材料、生物、能源等领域，具有涵盖范围广、知识点复杂、概念抽象以及知识更新快的特点。②传统的课堂教学模式不能满足课程的教学要求，传统的教学方法和教学手段也不能很好地满足纳米材料课程的教学要求。比如在教材选择方面，由于纳米材料是一门交叉学科，涵盖的领域众多，再加上知识更新速度快，教材的更新速度跟不上知识点内容的更新速度，所以采用单一的教材、沿袭传统的教学方法讲授纳米材料这门课程很难达到课程教学目标。因此，根据该课程特点，合理地安排教学内容，恰当地选择教学模式和评价机制，对于完成纳米材料课程教学目标具有重要意义。
2 教学内容的安排
纳米材料课程涵盖了纳米科技的整个领域，它的内容多、范围广、更新快等特点，且需要在规定的课时内将整个纳米材料领域讲授给学生，这就需要教学内容条理清晰，重点突出，逻辑性强，同时要结合纳米材料最新研究进展，以点带面，合理优化课堂教学结构。因此，笔者从广度和深度的统一、基础与前沿的兼顾、新旧内容的衔接等方面考虑，合理安排教学内容。具体如下：（1）纳米材料的概念：从纳米材料的新奇特性开始，引入纳米材料的基本概念、发展史、分类方法，在内容编排上注重引入最新研究成果，激发学生的学习兴趣。（2）纳米材料的结构和基本效应：该部分内容是理解纳米材料特殊性质的基础，也是该课程的重点、难点。在讲述过程中，结合纳米材料应用实例（如：纳米二氧化钛光催化特性的原因及相关应用等），加深学生对纳米材料特性的理解和掌握。（3）纳米材料的制备方法及表征手段：纳米材料的制备方法主要有：气相法、液相法和固相法。气相法中重点讲述物理气相法和化学气相法的原理及特点。液相法中重点讲述共沉淀法、水热法、溶胶―凝胶法的原理及应用条件等。在固相法中重点讲述机械粉碎法和固相反应法的特点。纳米材料的主要分析测试手段包括：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、激光粒度仪等，重点讲述测试仪器的原理、优缺点及使用范围，让学生掌握纳米材料的分析表征的主要方法。（4）纳米材料的理化特性及应用领域：回忆前面纳米材料结构和基本效应的学习，引出纳米材料的理化特性，以微观结构―特殊效应―特殊功能―应用领域为思路，使学生认识纳米材料的重要性，同时启发学生深入思考，进而深入掌握纳米材料的理化特性。（5）纳米材料最新研究进展：根据纳米材料的最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。
3 教学方法的选取
（1）多种教学方法和手段相结合，激发学生兴趣。“学起于思，思起于疑”，通过巧妙设疑，激发学生的学习主动性和积极性。如在讲述纳米材料基本理论知识时，可以从生活中一些常见现象启发学生思考：出淤泥而不染的荷叶为什么具有自清洁功能？美丽的紫铜在尺寸小到一定程度为什么会变为黑色？通过这种情景设置启发学生思考，寻求答案，对于其中的难点再予以解释。另外，针对纳米材料课程内容多，涉及范围广的特点，利用多媒体集图、文、声、像等于一体的优点，将大量的课程内容以丰富多彩的形式呈现给学生，激发他们学习的兴趣。（2）加强师生交流，建立以“学生为主体”的教学模式。结合课程内容，将学生分为多个小组。学生根据课程要求以及兴趣，自主查阅文献资料，通过PPT形式与大家进行课堂交流。在此基础上，针对学生遇到的疑点、难点，加以详细讲解。这种充分发挥学生主体的教学模式可以有效地提高学生自主学习及探索能力。（3）科研工作与教学内容紧密结合，提高学生综合能力。科研工作与教学内容紧密结合，使学生参与一定科研项目，是一个双赢举措。对于学生来讲，不仅可以加深课堂上对于纳米材料理论知识的学习，同时可以锻炼学生的动手能力，培养他们发现问题、解决问题的能力，激发学生的创新思维能力等。③笔者把自己科研工作中纳米二氧化钛纳米球、纳米管等的扫描电子显微镜图片通过多媒体形式与学生分享。通过带领学生进入实验室，参与纳米二氧化钛的制备、表征以及光催化性能研究，让学生了解影响二氧化钛形貌的因素、光催化特性的原理以及扫描电子显微镜的原理和方法，熟悉电镜样品的制样过程和方法，为学生今后从事纳米材料方面的学习奠定基础。
4 评价机制的确定
本课程的考核方式和成绩评定具体如下：（1）考核方式：让学生查阅资料、做PPT，介绍纳米材料制备、性能及相关应用，在PPT汇报的同时，撰写综述。（2）成绩评定：平时成绩（出勤情况及上课表现）占20%，学生做PPT及演讲情况占40%，综述占40%。这种灵活的考核评价模式可以充分调动学生的积极性，以不同于闭卷考试的形式检验学生对纳米材料相关知识的掌握情况，同时使学生了解纳米科技前沿，培养学生的综合能力。
5 结束语
纳米科学技术作为科学技术的重要分支，它的发展必然推动社会的进步。而纳米材料是纳米科学技术的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文结合纳米材料课程的特点，从教学内容的安排，到教学方法的选取和评价体制的确定三方面对高等院校材料类本科专业进行纳米材料课程教学改革进行了探讨。实践证明，这些方法和模式有助于加强师生交流，发挥学生的学习主体作用，使学生不仅掌握纳米材料相关知识，并能运用相关知识分析、解决问题，提高学生的综合能力。
注释
① 陈敬中.纳米材料科学导论[M].高等教育出版社，2006.
纳米化学论文范文第10篇
关键词：纳米二氧化钛，气相法，液相法，光催化
纳米二氧化钛（TiO2）具有许多特殊性能，比如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道四大效应[1]，从而使其与普通二氧化钛相比具有许多特殊性能。
纳米二氧化钛是无机纳米半导体材料TiO2中极其重要的一种纳米材料，是一种稳定的无毒紫外光吸收剂[2]，纳米TiO2还具有很好的光催化作用[3]，在光照条件下能够降解有机污染物、杀死细菌。纳米二氧化钛在水处理、催化剂载体、紫外线吸收剂、光敏性催化剂、防晒护肤化妆品、光电子器件等领域具有广泛的用途。目前纳米二氧化钛的制备方法主要分为液相法和气相法，本文对其制备方法及其应用发展进行了总结。
1 制备方法
1.1 气相法
气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。
1.1.1 四氯化钛气相氧化法 此法多是以四氯化钛为原料，以氮气为载气，以氧气为氧源，在高温条件下四氯化钛和氧气发生反应生成纳米二氧化钛。该工艺的优点是自动化程度高，可以制备出优质的二氧化钛粉体；缺点是二氧化钛粒子遇冷结疤的问题较难解决，对设备要求高，技术难度大，在生产过程中排出有害气体Cl2，对环境污染严重。
1.1.2 四氯化钛氢氧火焰法 以TiCl4为原料，将TiCl4气体导入高温的氢氧火焰中700～1000℃，进行高温气相水解备纳米二氧化钛。四氯化钛氢氧火焰法制得的纳米二氧化钛粒子晶型为锐钛矿和金红石的混合型，该工艺优点是产品纯度高达99.5%，粒径小、比表面积大、分散性好、团聚程度小，可用作电子化工材料，制备工艺成熟，生产过程较短，自动化程度高；缺点是反应过程温度较高，生成HCl使设备腐蚀严重，对材质要求高，需要精确控制工艺参数。
1.2 液相法
当今制备纳米粒子液相法居多，纳米二氧化钛的制备方法也是如此。主要有溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法等。
1.2.1 溶胶—凝胶法 溶胶—凝胶法(简称S—G法)，又名胶体化学法，是被广泛采用的一种制备纳米二氧化钛的方法。其原理是以钛醇盐或钛的无机盐为原料，经水解和缩聚得溶胶，再进一步缩聚得凝胶，凝胶经干燥、煅烧得到纳米二氧化钛粒子。论文参考，液相法。与其它方法相比制品的均匀度高，尤其是多组分的制品，其均匀度可达分子或原子尺度；制品的纯度高，而且溶剂在处理过程中容易除去；反应易控制，副反应少；煅烧温度低，工艺操作简单。
1.2.2 水热法 水热反应过程是指在一定的温度和压力下，在水、水溶液或蒸汽等流体中所进行有关化学反应的总称。该法的原理是在高压、水热条件下加速离子反应和促进水解反应。论文参考，液相法。一些在常温下反应速度很慢的热力学反应，在水热条件下可以实现反应快速转化。
2 纳米TiO2催化性能的应用
2.1 杀菌功能
抗菌是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀菌能力。在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准[5]；当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，TiO2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O-)和羟基自由基(·OH-)能穿透细菌的细胞壁,破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质如H2S、SO2、硫醇等[4]；在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。论文参考，液相法。论文参考，液相法。
2.2 防紫外线功能
纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，纳米TiO2在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVA或UVB有吸收[6]。它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。论文参考，液相法。利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。论文参考，液相法。
2.3 防雾及自清洁涂层
TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性[7]，因此其具有防雾功能，如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能[8]。
参考文献：
[1]卓长平,张雄.纳米涂料发展现状[J].上海化工2003 (11):33~ 36.
[2]徐国财,张立德.纳米复合材料[J].北京:化学工业出版社,2002,200(11):5~7.
[3]陈秋月.纳米二氧化钛改性的研究[M].内蒙古石油化工,1998,30 (1):51~53.
[4]Yu J.G.,Zhao X.J. Mater.Res. Bull[M].,2000,35,1293.
[5]WatanabeT.,FukayamaS.,MiyauchiM.,FujishimaA.,HashimotoK.J.Sol.Gel.Sci.Technol,2000,19(3).71-76.
[6]Zhu Y.F.,Zhang L.,WangL.,Tan R.Q.,Cao L.Li Sruf.Interf[M].Anal,2001.32(1).218-220.
[7]陈崧哲,张彭义,祝万鹏.钛、铝和玻璃上TiO2光催化膜的失活研究[M].无机化学学报,2004,20(11):12-65.
[8]陈锋,朱依萍,张金龙.TiO2复合纳米材料的合成和表征[M].物理化学学报,2004,20(11):93-98.
纳米化学论文范文第11篇
摘要：《高分子纳米材料》是我校高分子材料专业开设的一门专业选修课。在分析了课程的目的、特点和教学存在问题的基础上，详细阐述了运用视频课程、颠倒课堂、电子产品辅助教学等多元化教学手段，实现本课程的教学改革。
关键词：高分子纳米材；教学改革；颠倒课堂
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）49-0080-03
一、引言
纳米科学与技术是20世纪80年代末期兴起的，经过三十多年的发展，纳米技术已逐步迈出实验室走向市场，其商业化应用在全球范围内迅速展开。全世界都认识到，纳米技术将引起新一轮的产业变革，未来拥有并掌握纳米技术及其应用的国家将更具备核心竞争力。纳米材料科学是涉及到凝聚态物理、胶体化学以及材料的表面和界面等多门学科的交叉科学，而高分子纳米材料同样是涉及高度交叉的综合性学。纳米结构的聚合物材料由于尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应使材料具有独特的性能而在机械、光、电、磁、微处理器件、药物控释、环境保护、纳米反应器及生物化学等方面具有广阔的应用前景[1]，从而掀起了对纳米结构聚合物材料研究的热潮。在纳米科技迅速发展的大背景下，很多高校的材料专业开设了“纳米材料”或“纳米技术”相关课程[2-3]。但据作者所知，江南大学是少数对高分子材料专业开设《高分子纳米材料》课程的高校之一，笔者结合自己的授课经验以及《高分子纳米材料》课程的特点，从其现在面临的题及采用多元化教学手段等方面研究探索该课程的教学改革。
二、课程特点及现有问题
《高分子纳米材料》课程介绍高分子纳米材料的独特性能、制备方法，并将其和学科发展前沿联系起来，主要教学内容侧重如下几个方面：（1）高分子纳米材料的基础知识（包括基本效应、特殊性质）；（2）高分子纳米材料的制备方法；（3）高分子纳米材料的表征方法；（4）特殊功能的纳米材料（如高分子纳米复合材料、高分子纳米涂料、生物医用高分子纳米材料、光/电/磁性高分子纳米材料、超疏水/疏油（双疏）性高分子纳米材料）；（5）高分子纳米材料的应用及生物安全性问题。涉及较多的应用研究型内容、既有理论又有实践，强调理论和实践的结合，且课程的知识点较多，知识的交叉性强。
本课程的开设旨在为具有高分子材料与工程学科背景的学生增加纳米科学及技术的基础知识。通过学习本课程，学生对高分子纳米材料的发展趋势和研究热点有了很深的理解，涉猎了未来高分子纳米材料的重大学科领域。学生的创新思维以及能力得到了不同程度的提升。
作为典型的交叉学科，《高分子纳米材料》课程的教学具有一定的难度。首先，课程内容涉及知识面广，该课程主要解决以下问题：“什么是纳米技术”、“怎么制备高分子纳米材料”、“高分子纳米材料的特殊功能”等，而特殊功能性就包括了光/电/磁性、pH/温度响应性、超双疏性等多部分内容。因此难于在有限的课堂教学时间内全面系统地深入介绍学科内容，容易导致没有节制的填鸭式教学，使学生无法在短时间内消化，影响后续课程的学习。如何准确把握课程的基础理论框架，引导学生开展自主学习，是授课教师在设计课程内容时需要解决的重要问题。其次，课程内容前沿性强，知识更新速度快，研究热点不断变化，新的研究方向与研究成果层出不穷。这就需要授课教师投入更多的时间和精力纵览多个学科的发展，以便能够站在学科的前沿引领学生去认知和创新性思考。再次，内容抽象，尽管纳米材料这门课较新，学生们兴趣较高，但在讲授过程中缺乏实物，无法为学生带来更直观的感觉，从而影响了学生进行独立的思考、个性思维的发展和创新能力的培养。
三、课程教学手段改革
为提高课堂教学质量，提高学生的综合能力，以使学生成为适应社会发展需要的复合型人才，教师必须转变教学理念，激发学生的学习兴趣、主动性、积极性[4]。
（一）课堂多样化教学法
传统教学方式中，老师在课堂上满堂灌，使学生缺乏思考，觉得学习枯燥无味，丧失学习激情。因此，应结合不同的教学内容，授课教师运用“提问式”、“讨论式”等方式方法结合起来讲授，注重与学生的互动。对于理论性较强的内容，多采用图片形式展示，如结合Photo Shop、AutoCAD等绘图软件制作一些多媒体教学课件，根据需要进行拆分和组合讲解，增强学生的直观认识，达到传统教学手段无可达到的演示效果。同时，注重语言的深入浅出，或理论联系实际，如在介绍超双疏高分子纳米材料部分课程时，从自然界中的荷叶效应开始解释，说明荷叶结构与性能关系，从而引入超双疏高分子纳米材料，在快速理解的同时，激发学生的学习热情和投身其研究的兴趣。
视频课件内容丰富、信息量大，教师可以制作或下载相关教学视频，引入更多与课程相关的新知识、新技术和新成果。如介绍生物医用高分子纳米材料在药物缓释领域的应用时，纳米材料怎样进入体内病变部位，怎么靶向、释放药物，达到治疗的效果，如果没有视频，学生很难理解、很难想象；而通过视频将其原理、过程更直观、更形象的展现在学生面前，让学生更容易、更有兴趣地去学习并掌握知识点。
另外，对于相关制备技术与创新应用方面，则要重视启发――探究式的教学，注重理论联系实际以及学生创新思维和能力的培养，比如对于高分子纳米材料的测试表征手段的教学，教师可以结合实验教学，带领学生参观所学习的相关仪器设备，动手操作仪器，这样既可以提高学生的学习兴趣，又可以巩固所学的理论知识，其实践能力也可以得到培养。
（二）颠倒课堂教学法
颠倒课堂教学法坚持“以学生为中心”的教学理念，借助于信息技术在时空上颠倒传统教学中教师的知识传授与学生的知识内化过程，让学生可以在家或课外通过观看教学教案、教学视频中教师的讲解，自主完成对新知识的学习，课堂上教师通过设计一些真实的问题情境，组织学生协作探究解决问题的方法，而学生可以通过与教师、同伴的交流讨论，实现对知识的吸收与深化[5]。颠倒课堂在国外已经取得了较好的效果，而在国内还鲜少尝试。
在《高分子纳米材料》课程中，可以根据需要有选择的对部分教学内容进行颠倒课堂。我们根据前期对学生的调查，学生们一致对生物医用高分子纳米材料非常感兴趣，有很多的问题想了解，如果还是以传统法教学，则无法较好的和他们讨论、回答他们问题，无法满足他们的好奇心。因而，在进行这部分内容教学时，可以采用颠倒课堂的方式。首先在班级的微信群或QQ群里上传教学PPT及相关视频，学生通过学习后，对生物医用高分子纳米材料的发展概况、基本知识、结构设计有了一定的了解；在课堂上，学生先提出问题，分组交流讨论、教师参与讨论；教师最后再补充知识、总结学生问题的基础上，再设计问题让学生深入思考，解决问题。
（三）教学与科学研究复合的教学法
为培养学生应用所学的知识解决实际问题的能力，教师可以将教学与科学研究进行复合。如结合教师们的课题，把最新的科研成果有机地融入课堂教学中，为学生讲解具体的高分子纳米材料制备及性能研究，并让其参与其中，将研究的样品实际展示给学生，调动学生兴趣，突出高分子纳米材料的趣味性、理论性、科学研究性和前瞻性，并加强学生的自主创新意识和科研能力。
另外，邀请国内外高分子纳米材料专家做专题报告和前沿讲座，使学生能够及时了解前沿技术与l展动态；结合教学内容，提出本学科的研究热点问题，与课堂讨论相结合，不仅增强了师生间的互动、活跃了课堂氛围。
（四）借助智能电子产品建立学习平台
21世纪以来，各类高大上的电子产品，如iPad、手机等已成为年轻人须臾不可离的随身之物，这类电子产品极大的分散了学生上课的注意力及降低了学生对学习的兴趣和主动性，因而一直不被教师、家长看好，将之拒于学校与课堂大门之外。然而，随着数字校园向智慧校园的迈进，手机的这种应用及趋势只会越来越频繁，全面禁止大学生在教学过程中接触手机只会适得其反。因此，应顺应学生的心意，改革和完善现行教学方式，在课堂教学、课后练习中有效利用智能电子产品，使其成为辅助教学的良好工具[6]。
在《高分子纳米材料》课程教学中，我们建立了班级QQ群、微信群，通过群平台进行信息、专题讨论、资源共享等，有利于及时消息、正确引导学生、掌握学生动态。教师对根据学生的学习能力、反馈信息，提供个性化的教学要求和实施目标。
微信公众号平台经常相关的知识、发展动向、微课等内容，这是一个可以让学生在课后补充学习的平台。因而，要求学生关注如“纳米人”、“高分子科学前沿”等公众号，认真学习和掌握高分子纳米材料的发展动向。同时，智能手机中的一些APP也对我们课程有很好的帮助，如ACS Mobile、RSC Mobile等，旗下杂志一有新的研究进展及时更新至APP中，让学生更及时了解高分子纳米材料的研究动态与最新成果。
四、结束语
作为本世纪最瞩目的前沿科技研究热点之一，高分子纳米材料也取得了长足发展，很多新的高分子纳米材料产品如高分子纳米涂层、高分子复合材料、药物缓释纳米材料等从实验室走向实际应用，成为保障人类生活和工业发展的重要基础。《高分子纳米材料》课程教学内容的选择要充分考虑到广度和深度的统一、基础和前沿的兼顾、新旧内容的衔接、理论联系实际、巧用电子产品的资源等多个方面。在整个教学过程中，学习者表现较积极，能主动发言并积极参与讨论，各个小组的汇报效果也较好，能够激发学习者的学习兴趣，培养学生创新意识及创新能力。
参考文献：
[1]Vikas Mittal.Advanced Polymer Nanoparticles，Synthesis and Surface Modifications.2011，CRC Press，Taylor & Francis Groups.
[2]刘玉芹，杜高翔，杨静.《纳米材料》课程教学内容与教学方法探讨[J].科技教育创新，2008（3）：210-211.
[3]李本侠，王艳芬，胡路阳.浅论“纳米材料与纳米技术”[J].课程教学研究.2014，40（1）：72-74.
[4]白绘宇，罗静，倪才华，东为富，刘晓亚，陈明清.高分子流变学教学的探讨-借鉴美国大学高分子流变学课程教学经验[J].2015，（7）：89-93
纳米化学论文范文第12篇
关键词：纳米二氧化钛，气相法，液相法，光催化
纳米二氧化钛（TiO2）具有许多特殊性能，比如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道四大效应[1]，从而使其与普通二氧化钛相比具有许多特殊性能。
纳米二氧化钛是无机纳米半导体材料TiO2中极其重要的一种纳米材料，是一种稳定的无毒紫外光吸收剂[2]，纳米TiO2还具有很好的光催化作用[3]，在光照条件下能够降解有机污染物、杀死细菌。纳米二氧化钛在水处理、催化剂载体、紫外线吸收剂、光敏性催化剂、防晒护肤化妆品、光电子器件等领域具有广泛的用途。目前纳米二氧化钛的制备方法主要分为液相法和气相法，本文对其制备方法及其应用发展进行了总结。
1 制备方法
1.1 气相法
气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。
1.1.1 四氯化钛气相氧化法 此法多是以四氯化钛为原料，以氮气为载气，以氧气为氧源，在高温条件下四氯化钛和氧气发生反应生成纳米二氧化钛。该工艺的优点是自动化程度高，可以制备出优质的二氧化钛粉体；缺点是二氧化钛粒子遇冷结疤的问题较难解决，对设备要求高，技术难度大，在生产过程中排出有害气体Cl2，对环境污染严重。
1.1.2 四氯化钛氢氧火焰法 以TiCl4为原料，将TiCl4气体导入高温的氢氧火焰中700～1000℃，进行高温气相水解备纳米二氧化钛。四氯化钛氢氧火焰法制得的纳米二氧化钛粒子晶型为锐钛矿和金红石的混合型，该工艺优点是产品纯度高达99.5%，粒径小、比表面积大、分散性好、团聚程度小，可用作电子化工材料，制备工艺成熟，生产过程较短，自动化程度高；缺点是反应过程温度较高，生成HCl使设备腐蚀严重，对材质要求高，需要精确控制工艺参数。
1.2 液相法
当今制备纳米粒子液相法居多，纳米二氧化钛的制备方法也是如此。主要有溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法等。
1.2.1 溶胶—凝胶法 溶胶—凝胶法(简称S—G法)，又名胶体化学法，是被广泛采用的一种制备纳米二氧化钛的方法。其原理是以钛醇盐或钛的无机盐为原料，经水解和缩聚得溶胶，再进一步缩聚得凝胶，凝胶经干燥、煅烧得到纳米二氧化钛粒子。论文参考，液相法。与其它方法相比制品的均匀度高，尤其是多组分的制品，其均匀度可达分子或原子尺度；制品的纯度高，而且溶剂在处理过程中容易除去；反应易控制，副反应少；煅烧温度低，工艺操作简单。
1.2.2 水热法 水热反应过程是指在一定的温度和压力下，在水、水溶液或蒸汽等流体中所进行有关化学反应的总称。该法的原理是在高压、水热条件下加速离子反应和促进水解反应。论文参考，液相法。一些在常温下反应速度很慢的热力学反应，在水热条件下可以实现反应快速转化。
2 纳米TiO2催化性能的应用
2.1 杀菌功能
抗菌是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀菌能力。在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准[5]；当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，TiO2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O-)和羟基自由基(·OH-)能穿透细菌的细胞壁,破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质如H2S、SO2、硫醇等[4]；在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。论文参考，液相法。论文参考，液相法。
2.2 防紫外线功能
纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，纳米TiO2在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVA或UVB有吸收[6]。它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。论文参考，液相法。利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。论文参考，液相法。
2.3 防雾及自清洁涂层
TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性[7]，因此其具有防雾功能，如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能[8]。
参考文献：
[1]卓长平,张雄.纳米涂料发展现状[J].上海化工2003 (11):33~ 36.
[2]徐国财,张立德.纳米复合材料[J].北京:化学工业出版社,2002,200(11):5~7.
[3]陈秋月.纳米二氧化钛改性的研究[M].内蒙古石油化工,1998,30 (1):51~53.
[4]Yu J.G.,Zhao X.J. Mater.Res. Bull[M].,2000,35,1293.
[5]WatanabeT.,FukayamaS.,MiyauchiM.,FujishimaA.,HashimotoK.J.Sol.Gel.Sci.Technol,2000,19(3).71-76.
[6]Zhu Y.F.,Zhang L.,WangL.,Tan R.Q.,Cao L.Li Sruf.Interf[M].Anal,2001.32(1).218-220.
[7]陈崧哲,张彭义,祝万鹏.钛、铝和玻璃上TiO2光催化膜的失活研究[M].无机化学学报,2004,20(11):12-65.
[8]陈锋,朱依萍,张金龙.TiO2复合纳米材料的合成和表征[M].物理化学学报,2004,20(11):93-98.
纳米化学论文范文第13篇
关键词：纳米；植物；发芽
基金项目：吉林省大学生创新创业训练计划项目资助
中图分类号： S129 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/ki.jlny.2017.05.010
随着纳米颗粒的广泛使用，越来越多的纳米粒子通过各种途径进入环境中，可能对人们的健康以及生态环境造成危害，植物作为自然界的生产者，也是生态系统最为重要的环节，纳米粒子对植物的生长发育的影响，以及植物对纳米材料的吸收积累都会对高营养级的生物产生不同程度的影响。
1对植物发芽率的影响
种子发芽是一种常用的试验植物毒性的方法，具有方法简便，成本较低，试验快速等优点。目前已有研究表明，纳米微粒对植物的发芽率有一定的抑制作用。例如：纳米TiO2对油菜、黄瓜和玉米的发芽率均有抑制作用。纳米TiO2对油菜和黄瓜的发芽率影响比较微弱，而对玉米发芽率的抑制作用则是非常显著的[1]。由组氨酸包被的金纳米簇对辣椒的发芽率具有抑制作用[2]。也有研究者以玉米为受试植物，分别对ZnO纳米颗粒和金纳米颗粒进行研究。以10～1000毫克/升的不同浓度梯度的ZnO纳米颗粒处理玉米种子，得出结论：当ZnO纳米颗粒的浓度升高时，玉米种子的萌发率呈下降的趋势。就金纳米颗粒是否对玉米种子发芽率产生抑制作用的研究，发现用不同方法处理过的金纳米颗粒对玉米种子的发芽率并没有显著影响。这是由于种皮对种子具有保护作用，可以防止外界污染物或病虫害对种皮内的胚胎发育产生影响，只有一些能够通过种皮的细小微粒才能对胚胎产生影响，这可能是金纳米颗粒对玉米种子萌发没有抑制作用的原因。由于金属和金属氧化物纳米颗粒的种类很多，因此，其对植物产生的影响也不尽相同，学者们对其产生的植物毒性以及是否存在植物毒性都具有争议。
2对植物生物量和幼苗形态的影响
目前，由于纳米微粒特殊的物理化学特性，纳米材料对生态环境和生物生长发育方面的影响，受到了许多学者乃至政府的关注。目前已有很多学者对此进行研究，得到结论：一般情况下，植物经高浓度（1000～4000毫克/升）的纳米微粒作用时，植物的生物量，幼苗形态，根伸长，根活力等生理生化指标才会受到影响。例如：零价的Fe纳米颗粒在（2000～5000毫克/升）时完全抑制麻，黑麦草和大麦的发芽；而ZnO纳米颗粒在浓度为1000毫克/升时，可以将黑麦草根尖的所有细胞杀死。浓度为100毫克/升的CuO纳米颗粒则可以抑制玉米幼苗根的生长。
有研究表明，纳米颗粒对植物的生物量以及幼苗形态存在着抑制作用。有学者为了探究纳米ZnO对植物的生长发育是否存在影响，分别用1000毫克/升纳米ZnO颗粒和100毫克/升纳米ZnO颗粒处理玉米幼苗，同时设置了对照组，发现100毫克/升纳米氧化锌的作用下根的生物量较对照组降低了48.4%，而1000毫克/升浓度的纳米氧化锌较对照组降低了87.5%，茎的生物量也有所降低，100毫克/升浓度下的纳米氧化锌颗粒较对照组降低了75%，而1000毫克/升浓度下茎的生物量较对照组降低了87.5%。在1000毫克/升的浓度下玉米幼苗叶的生物量降低的更为明显，可以达到91.1%，100毫克/升浓度时，也能达到62.96%。锌是人体必需的微量元素，同时也是植物生长必需的元素，然而过量的锌对植物是有害的，对植物的生长产生抑制作用，具有一定的毒性效应。随着纳米颗粒浓度的增加，受试玉米幼苗的叶子发黄较为严重。
3对植物生理生化的影响
纳米材料对植物的发芽率，生物量，以及幼苗形态等均有不同程度的影响，那么，纳米材料对植物的生理生化方面是否存在着某些作用？对此，很多W者做了大量研究，例如，Gao等发现将0.03%的TiO2纳米颗粒悬液，喷洒在菠菜的叶片表面，结果发现TiO2纳米颗粒悬液可以显著的促其进生长，从而得出结论，TiO2纳米微粒悬液在促进光吸收的同时还能增强菠菜体内Rubisco酶活性，进而提高光合作用的效率，促进植物的生长[3]。植物为了使自己免于遭受活性氧化的伤害，都有自己的一套高度发杂的抗氧化防御系统，有多种抗氧化酶CAT、MDA，过氧化物酶以及低分子量抗氧化剂等。有学者观察金纳米颗粒对玉米和辣椒体内的抗氧化酶的作用效果，来探究纳米微粒对植物的一些酶活性的影响效应。分别用通过柠檬酸还原的金纳米颗粒、ESA包被的金纳米簇以及组氨酸包被的金纳米簇来处理玉米和辣椒幼苗。得到的结论是：随着AuNCs@His处理浓度的增加，玉米体内抗氧化酶的活性呈先上升后下降趋势。当AuNCs@BSA处理浓度增加，玉米地上部分抗氧化酶活性呈上升趋势。三种纳米材料对玉米根系的抗氧化酶活性没有显著影响，根系POD酶活性和MDA显著低于对照组。由此可见，纳米微粒对植物体内酶活性具有一定的抑制作用。
4结语
研究表明，不同的纳米粒子对植物的影响也不尽相同，对植物的发芽率、生物量、幼苗生长以及生理生化方面均具有抑制作用。纳米微粒的毒性机制与外部的环境因素以及暴露时间有着不可忽视的关系。
参考文献
[1]王铎锋.金纳米颗粒对两种植物的生物学效应的研究[J].环境生态学，2014，（05）.
[2]于晓莉.几种典型纳米人工颗粒对高等植物的毒性效应研究[J].环境科学，2010，（06）.
纳米化学论文范文第14篇
Abstract： Nano-materials are widely used due to their unique properties， but the agglomeration of nanoparticles plagued preparation and application of nano-materials， and surface modification is an effective solution to this problem. The causes of the agglomeration of nanoparticles were introduced， dispersion processes of nanoparticles were discussed， dispersion mechanism of nanoparticles and dispersion technology of nanoparticles were focused on analysis. And hope for the preparation of nano-materials mass production and application to provide certain theory basis.
P键词：纳米粒子；团聚；纳米材料；分散
Key words： nanoparticles；accumulation；nano-materials；dispersion
中图分类号：TQ174 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0157-02
0 引言
近年来，科学方面的一项重大发展就是纳米技术，关于纳米技术的研究多个学科都趋之若鹜。当前纳米粒子被广泛应用在民用和工业领域，这是因为利用纳米粒子能够让材料发生奇异的变化，具有材料之前本不具备的性能，其诱人特征特别表现在力学、光电、结构、催化及物理化学性质等方面。然而，纳米粒子的应用和制备过程中也面临着一个很大的问题，即纳米粒子的团聚问题，具体来说：对于纳米聚晶材料，团聚问题会导致颗粒异常长大，造成性能的劣化；对于具有自组装结构的纳米材料，团聚问题会使结构发生变化；对于各类直接利用纳米粒子的场合，团聚问题更是直接影响了材料的效率和性能[1]。由此可知，制约纳米技术不断完善和进步的关键原因就是纳米材料中纳米粒子的团聚。基于此，本文首先分析了纳米粒子团聚的原因，然后针对纳米粒子的分散过程和分散机理，探讨了纳米粒子的分散技术。
1 纳米粒子团聚的原因
所谓纳米粒子的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。一般来说，粒子团聚包括硬团聚体和软团聚体两种形态。硬团聚的形成主要受静电力、范德华力、化学键作用以及粒子间液相桥或固相桥的强烈结合作用；软团聚主要是由粒子间的静电力和范德华力或因团聚体内液体的存在而引起的毛细管力所致。
2 纳米粒子的分散过程
近年来新兴发展了一门边缘学科，即纳米粒子分散。其是指粉体粒子在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程，和普通微米级颜、填料在涂料用树脂中分散一样。
2.1 润湿过程
润湿过程是指粒子表面吸附液相介质，粒子与粒子之间的界面被粒子与溶剂、分散剂等液相介质界面所取代的过程。可用润湿角来表示粒子在介质中润湿程度的好坏[2]。其中润湿角θ可由杨氏公式表示：
cosθ=（γS-γSL）/γL
式中，γSL表示润湿后固液界面的表面张力；γL表示液相介质表面张力；γS表示固体粒子表面张力。从润湿的角度分析，选用低界面自由能的溶剂，有利于纳米粉体的润湿。对于确定的固体粉末及液态介质而言，若γL、γS不变，通过提高γSL能够减小θ，改变固/液界面状态、添加润湿分散剂能够达到提高γSL的目的。
2.2 分散过程
纳米粒子的分散过程是指通过外加机械力（挤压、剪切等）作用，利用超声分散、高速搅拌、辊轧、平磨、砂磨、球磨等手段将纳米粒子团聚体打开，使其分散为更小的粒子的过程[3]。
纳米粒子团聚体全部变成原级粒子是纳米粒子分散的理想状态，但是在现实中理想状态出现的概率很小。在常规分散期间，随着纳米粉体粒径的逐渐变小，表面积会逐渐增加，那么一部分分散纳米粒子的机械能就会传递给新生表面，造成粉体表面能上升。在热力学上表面能的上升是不稳定的，且粒子有重新团聚的可能性，实现分散与团聚的动态平衡。通过将润湿分散剂引入分散体系中，能够改变该过程的平衡常数，让粒子粒径向小的趋势发展，且同时粒径分布变窄。
2.3 稳定化过程
稳定化过程是将原级粒子或较小的团聚体在静电斥力、空间位阻斥力作用下来屏蔽范德华引力，使粒子不再聚集的过程，使经机械力作用分散后的粉体，在外力撤除后仍然保持稳定悬浮状态，维持已经获得的粒径及粒径分布，分散体系无异常。
很多因素都会影响到分散体系稳定性，包括表面吸附层、表面电荷、布朗运动、重力（或浮力）作用、范德华吸引力、奥氏熟化作用、表面自由能等。前两者是分散体系的稳定化因素，后两者是分散体系的失稳因素。对分散体系的稳定性而言，布朗运动具有双重作用[4]：一是布朗运动会使粒子之间出现相互碰撞，客观上增加了粒子之间重新团聚的可能性；二是布朗运动会让粒子扩散，因重力（或浮力）作用产生的浓度差会因此减弱。
3 纳米粒子的分散机理
3.1 双电层静电稳定机理
双电层静电稳定理论，也称DLVO理论[5]。静电稳定是指粒子表面带电，在其周围会吸附一层相反的电荷，形成双电层，通过产生静电斥力实现体系的稳定。分析DLVO理论可知，两种相互作用势能存在于带电胶粒之间，即范德华吸引能VA和双电层静电排斥能VR，粒子双电层之间的相互排斥引起双电层静电排斥能。分散体系总的势能VT：
VT=VA+VR
3.2 空间位阻稳定理论
DLVO理论并非适用于所有的粒子分散体系，部分非水性介质中粒子的分散该理论不适用[6]。这是因为未将聚合物层的作用考虑在内，胶体吸附聚合物后产生了一种新的排斥能――空间排斥势能VSR。此时粒子之间的总势能VT：
VT=VA+VR+VSR
由上式可知，对于体系稳定性来说，空间排斥势能VSR的作用不可或缺，故称为空间位阻稳定机理。
3.3 空缺稳定机理
粒子一旦对聚合物产生负吸附，那么在粒子表面层，溶液的体相浓会高于聚合物浓度。由此在粒子表面会形成一种“空缺层”，一旦空缺层发生重叠时，斥力能或吸引能就会产生，改变物系的势能曲线。在高浓度溶液中，占优势的是斥力，使胶体稳定；在低浓度溶液中，占优势的是吸引能，胶体稳定性下降[7]。
4 纳米粒子的分散技术
纳米粒子极易产生自我聚集，表现出强烈的团聚特性，若不及时将纳米粒子分散开，不断团聚的粒子就会影响到材料的性能。因此，研究纳米粒子的分散技术至关重要，且刻不容缓。当前纳米粒子的分散方法主要有物理分散和化学分数两类。
4.1 物理分散
物理分散方法主要有高能处理法、超声波分散法和机械分散法三种，具体如下[8]：
①高能处理法：利用高能粒子作用，增强纳米粒子表面活性，使其与其它物质发生化学反应或附着，从而达到分散的效果。②超声波分散法：为避免或减少纳米粒子团聚，可将待处理的粒子悬浮体放置在超声场中，用科学的超声波进行必要处理。③机械分散法：其原理是借助机械能，比如外界剪切力或撞击力等，让纳米粒子在介质中充分分散，该方法操作简单。
4.2 化学分散
化学分散实质上是利用表面化学方法加入表面处理剂来实现分散的方法[9]。
①分散剂分散：合理选用分散剂提高悬浮体的分散性，改善其稳定性及流变性。②酯化反应：金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。用酯化反应对纳米粒子表面修饰，使其表面变成亲油疏水的表面，在实践应用中该方法的实用价值最高。③偶联剂法：偶联剂具有两性结构，其分子中的一部分基团可与粒子表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠绕。
5 结语
随着纳米科学和纳米技术广泛地应用于工业和民用领域，纳米粒子的团聚问题将会直接影响到纳米材料使用过程中的经济和社会效益。本文通过分析纳米粒子的分散过程、分散机理，提出了多种纳米粒子的分散技术，有效解决了纳米粒子的团聚问题，未来纳米粒子的应用将更加广泛。
参考文献：
[1]张浩，刘秀玉.环境净化涂料的研究现状、应用及性能检测方法的研究[J].化工新型材料，2011，39（7）：23-24.
[2]郭志强，曾晓飞，王国全，陈建峰.纳米CaCO3在有机颜料塑料着色中的应用[J].北京化工大学学报（自然科学版），2004（05）.
[3]王补宣，盛文彦.纳米流体导热系数的团簇宏观分析模型[J].自然科学进展，2007，17（7）：984-988.
[4]咸才军，李勇峰，苗海龙，关延涛.水性建筑涂料用纳米助剂的制备及其性能研究[J].中国涂料，2005（01）.
[5]Wei Wu，Manfred H. Wagner，Zhongde Xu. Surface treatment mechanism of nano-SiO2 and the properties of PP/nano-SiO2 composite materials[J]. Colloid and Polymer Science . 2003 （6）.
[6]P. Somasundaran，Tsung-Yuan Chen，D. Sarkar. A novel processing scheme for core-shell nano composites using controlled polymer adsorption[J]. Material Research Innovations . 1999 （6）.
[7]ZhangLidDe.At home and abroad the latest progress in the study of nano materials and nano structure [A]. Proceedings of the 4th Chinese functional materials and application of academic [C]. 2001.
纳米化学论文范文第15篇
关键词 纳米TiO2；改性；内墙乳胶漆
中图分类号： TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0000-00
近年来，纳米材料的研究和应用成为各行各业的热点。由于纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，使其具有了抗菌杀毒、防污自洁、超强疏水等特殊性能。在建筑涂料中加入纳米TiO2后不仅可以提高涂料的杀菌性，同时，由于纳米TiO2具有优异的光催化性能，在光作用下，可与空气中的甲醛、氨气、苯等有害气体发生反应，将它们转化为无毒化合物，对环境空气起到极好的净化作用，并能避免二次污染的发生[1]。因此，利用纳米TiO2改性提高涂料产品是目前在涂料研究领域比较活跃的方向。
1实验
1.1主要原料及实验设备
纳米TiO2，本公司自行研制；乳液，美国国民淀粉公司产品；钛白粉，美国杜邦公司产品。主要设备有高速分散设备、砂磨机、刮板细度计、粘度计。
1.2 纳米改性内墙乳胶漆的制备
乳胶漆一般由基料、颜填料、增稠剂、成膜助剂、润湿剂、分散剂以及其它助剂组成。纳米改性内墙乳胶漆是在此基础上加入纳米组分，我们选用的纳米组分是纳米TiO2。由于纳米材料容易产生团聚，因此纳米TiO2的分散与预处理对涂料性能的提高起着关键作用。实验中，我们采用稀释的表面活性剂对纳米TiO2进行预处理，处理后再置于分散罐中，用高速分散设备将其分散后加人颜、填料再进行后续工序。
1.3纳米改性乳胶漆的配方设计
在实验过程中，我们通过各组分选择的探索试验及主要组分的优化实验，确定了该乳胶漆的基本配方。同时，又以不加纳米材料且原材料及配比相同的配方制成乳胶漆进行实验对比（见表1）。
2结果与讨论
从表2中的实验结果可以看出，加入纳米TiO2改性后的内墙乳胶漆，对比率和耐洗刷次数明显提高，可挥发的有机化合物含量和甲醛含量明显低于普通内墙乳胶漆。这是因为纳米TiO2具有优异的光催化性能，它的这种特性在杀菌、防霉、空气净化等方面具有更明显的作用。理论上讲，其作用机理[2]是，在光作用下，TiO2价带上的电子（e-）被激发跃迁到导带上，并在价带上产生相应的空穴（h+）。电子与空气中的氧结合生成活性氧（O2-），同时光生空穴将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成自由羟基（·OH），该自由基和活性氧具有很强的氧化性能，这种强氧化性能不仅能降解甲醛、氨气、苯等有害气体，将它们转化为无毒化合物，从而可以达到消除污染净化空气的作用，同时还能破坏细菌的细胞膜，使细胞中的活性酶被破坏掉，导致细菌死亡[3]，具有一定的抗菌性能。
3结论
从上述实验结果中可以看出，纳米TiO2的加入，可以显著提高涂料的整体性能，尤其是对一些定量指标提高更为显著。同时，由于纳米TiO2具有一定的光催化降解性能，使得改性后的内墙乳胶漆能与空气中的甲醛、氨气、苯等有害气体发生反应对环境空气起到极好的净化作用。
参考文献：
[1] 吴健春.纳米TiO2改性内墙乳胶漆的抗菌性能及甲醛降解的研究.功能材料， 2005，26（4），：17-21.
