纳米材料论文范文

纳米材料论文范文第1篇

1.1一维的研究历程作为机械系统的基本构件的一维纳米结构,其理论和实验研究受到世界范围内的广泛关注.在过去，由于纳米丝的力学实验受到实验环境的制约,在普通的实验室无法进行,然而计算机模拟可以通过原子运动的演化过程展示纳米结构的变形情况及其内在机理,有效弥补了这一缺陷.

1.1.1中国科学技术大学教授倪向贵等众多科学家对纳米铜丝、纳米镍丝、等进行了拉伸过程的模拟实验,重点放在纳米结构与能量应力变化的模拟研究上面,以及表面效应如何影响单晶纳米材料的整体力学和原子运动的各种行为,根据反复的实践和精确的计算，终于研究出了纳米材料的破坏失效原理.这一实验同时也表明通过建立模拟模型和有效的计算方法能非常有效地模拟纳米金属材料在微观方面的变化过程.

1.1.2梁海弋等一批科学家利用EAM原子势函数的相关原理模拟研究了纳米铜丝的拉伸性能.结果表明，截面的变化对直接影响纳米丝拉伸性能.这是由于表面原子松散,纳米丝的表面张应力等综合因素造成的.而且拉伸强度会随着纳米丝截面减小而提高，同时会推迟屈服和增加初始拉伸模量的软化程度.

1.2二维的研究历程在纳米薄膜的制备研究过程中,得出了很多薄膜生长现象,人们需要对其从理论计算上进行科学的解释.日本的Huang等一批科学家对Au原子在MgO表面（100）点缺陷处的团簇生长进行了模拟实验,同时也进行了Au原子扩散聚集对成膜的模拟研究;通过研究得出，原子的几何形状会随着扩散力的不同以及能量的不同而发生变化.我国知名科学家张庆瑜在分子动力学研究的基础上建立了气相沉积原子动力学模型,同时采用MonteCarlo方法对Au外延薄膜的初期生长过程也进行了模拟研究,指出了薄膜外延生长会随基体温度的变化而发生怎样的变化.刘祖黎等一批科学家采用MonteCarlo模型探索出了Pt/Pt（Ⅲ）薄膜生长初始阶段岛的形貌与基底温度之间的具体关系.模型中充分考虑了吸附原子扩散、原子沉积与蒸发等过程,与过去的模型不同的是采用Morse势来计算粒子之间的相互作用,并详细充分考虑了临近和次临近原子所产生的影响.研究结果表明,岛的形貌随基底温度的升高,从一个分形生长到凝聚生长的变化全过程.通过进一步的深入研究表明,岛的形貌和基底形貌两者之间的关系会随着基底温度的升高发生显著的变化,而基底温度低时,岛的形状与基底形貌没有任何关联.

2目前计算机模拟研究需要解决的问题

一般来说，纳米金属材料的计算模拟方法所采用的大多都是原子级模拟技术,它是将纳米金属材料作为数量较多的单个金属原子的集合体,并且将每个金属原子当作彼此独立的研究单元来进行模拟实验,然后通过统计力学和经典力学对其进行规律性的描述,并预测纳米金属材料的微观结构以及功能.但是由于纳米金属材料自身结构非常复杂，以及它对周围环境无法得到迅速的反应,所以目前还无法运用相关的模拟技术来得到理想的答案.本人建议可以从以下方面进行努力：

2.1选定模拟算法在进行纳米金属材料分子动力学的模拟实验中,应当是对包括金属、氧化物、金属氧化物等一系列的多原子体系实验.因为原子间的作用是一个多体效应,在这个效应当中所有的粒子会全部聚集到一起,是无法采用解析的方法进行求解的.这时我们可以选用有限差分方法来进行求解,目前运用的最多的包括：蛙跳法、预测-校正算法和Verlet算法三种类型.值得注意的是，虽然目前的计算机技术发展迅速,但是纯粹依赖提高单个CPU的计算速度根本就不能满足越来越繁琐的计算需要,鉴于此，我们可以考虑进行并行化进行计算，这样会更加有效.

2.2要充分考虑粒子间的相互作用微观粒子的运动本来是需要使用量子力学来进行描述的,但纳米金属材料的结构与性能往往会涉及到大量微观粒子而且还是多体作用,因此用量子力学第一性原理来对粒子间相互作用求解并非易事,而绝大多数模拟认为粒子的运动遵循牛顿力学规律,因此可以考虑采用半经验的原子间相互作用势来对粒子间的作用进行描述.一般来讲，势函数是否可靠决定了一个分子动力学模拟能否成功.原子或者离子间的相互作用势越复杂、拟合性质越多就越与实际的相互作用接近,不过越复杂的相互作用同时也会加大计算量和模拟量,因此在构建或使用原子间相互作用势的过程中,应根据所要研究的问题的具体情况,选择既能反映相互作用的本质,又可以在计算上切实可行的相互作用势.

2.3处理和分析模拟结果找到一种合适的分析模拟结果的方法对于计算机模拟来说是至关重要的.通常情况下，模拟的轨迹文件只包含了各个粒子的位置、速度和力的相关信息,因此一定要对这些信息进行有效的处理以后才能得到想要的物理量.而计算机模拟走向应用的关键之处在于，找到合适的方法处理结果,将宏观现象与微观轨迹进行有机联系.模拟结果的处理无疑会是一个非常复杂的过程,其重点问题是要从MD模拟的轨迹文件中讲可与实验直接比较的统计量提取出来.除此之外,轨迹中的坐标信息对于分析结构体系信息也十分重要,而这却是非常耗时的工作过程.

3结束语

纳米材料论文范文第2篇

非对称纳米粒子的特殊非均质结构决定了其独特的理化性质，由此也为这种新型纳米材料的广泛应用奠定了基础，尤其在生物纳米技术领域。这种非对称纳米材料的独特性质主要包括表面双亲性、催化特性和生物相容性。下面将从这几个方面进行综述。

1.1表面两亲性在水/油混合体系中，具有表面两亲性质的固体纳米粒子可以在两相表面形成一层结构稳定的单分子层以阻止乳化液滴的聚并。由于非对称粒子两面不同的结构特点，因而对其表面活性的研究也曾一度引起广泛的研究热潮。Binks等对比研究了均质粒子和非对称粒子在油/水界面上的吸附性能。结果发现，非对称粒子可使Pickering乳液的稳定性大大增高。相对于仅产生均一表面湿润性的粒子，非对称粒子是具有两面不同湿润性表面的新型粒子，并且也由此具备了典型的Pickering效应和传统表面活性剂的两亲性质［4］。为进一步探究非对称粒子的两亲性，Glaser等运用哑铃状Au-Fe3O4纳米粒子在水相中乳化正己烷，并深入阐明了非对称粒子的两亲性。实验通过配位体交换在Au的部分修饰正十二硫醇(DDT)和十八硫醇(ODT)以增加Au部分的疏水性，从而在整体上提高了粒子的两亲性质。由于具有两亲性的非对称粒子在界面上可通过自组装以降低界面张力，从而增强乳浊液的稳定性，因此在乳液体系中碳氢化合物配体修饰的Au部分因其非极性而朝向正己烷相，同时，极性分子Fe3O4则浸入水相中。实验证明，相对于相同粒径和化学组成的均质粒子，非对称粒子具有更好的界面活性，并且其界面活性随着粒子两亲性的增强而增强。最近一项研究表明，不同类型固体纳米粒子在稳定癸烷和水乳化液时，非对称纳米粒子表现了相对于均质粒子更强的稳定性，因此可以更有效地抑制分散相的聚并。通过观察纳米粒子对两相液滴的乳化作用，Fan等［6］通过动力学模型从机制的角度详细比较了非对称纳米粒子和均质纳米粒子在稳定Pickering乳液时的区别。结果表明，两相界面上粒子的密度是稳定Pickering乳液最关键的因素。当密度足够大时，三相接触角可以作为区分粒子是否有效地稳定乳化液的一种量度。当以相同的密度和接触角时，非对称纳米粒子在稳定乳化液时表现出较均质纳米粒子更加有效。在生物质精炼过程中，初产品的不相溶性和热不稳定性大大增加了纯化过程的复杂度，从而导致得率降低，因此，一种既能够在两相界面上稳定存在又同时具备催化性的材料应运而生。非对称纳米材料因其良好的两亲性可以有效稳定水/油乳液，当在其表面修饰催化剂时，这种材料便可以在两相界面上进行催化反应，从而有效完成非均相的有机合成反应，提高生物质精炼的效率［7］。近年的研究表明，非对称纳米材料凭借优越的表面活性，其多种应用潜能已被开发，如表面稳定剂、增容剂以及防水纺织品等。在工业生产中，为了在反应性共混体系中增容两种组分，通常需要使用嵌段共聚物作为增容剂，但由于大多数的嵌段共聚物不能吸附在界面上，并且在高剪切挤压过程中容易丢失，因此很大程度上增加了共混聚合物的成本。然而，非对称粒子因其表面双亲性质有效避免了嵌段共聚物的缺点，因此可以代替嵌段共聚物成为一种新型增容剂。经相关实验证明，非对称粒子在聚合物共混体系中具有更高的增容效率［8］。Synytska等［9］还巧妙地利用了非对称粒子的双亲性将其化学性修饰到纤维表面，从而开发出新型的防水纺织品。

1.2催化特性近些年，科学家对于催化剂分子与纳米粒子的结合研究已获得一些进展，如纳米驱动器、感应器、纳米泵以及自动装置的问世。相应复合材料的性质及应用也受到广泛关注。研究人员发现，在氧化物载体上修饰金属所形成的复合纳米材料，相较于未修饰之前的单一组分纳米材料具有更强的催化活性，并且这种复合粒子的催化性能还会因发生在金属与氧化物接触面上的协同效应而增强。Wang等［10］用贵金属和金属氧化物制备出哑铃状的非对称纳米材料，并研究了该合成材料在氧化CO中的催化效率。结果表明，制备的Au-Fe3O4和Pt-Fe3O4非对称粒子在氧化CO时表现了较单纯的贵金属材料(Au或Pt)更强的催化活性。类似地，在催化H2O2还原反应时，Au-Fe3O4纳米粒子也表现出很好的协同效应，从而获得增强的催化性能［11］。自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授［45］首次报告发现TiO2单晶电极可以光催化分解水产生氢气，从而开辟了光解制氢的研究道路。随着材料学的发展，纳米化光催化剂得以实现。由此诞生的纳米TiO2粒子凭借其较高的光催化活性成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。但因其能带限制，只有吸收波长小于387.5nm的紫外光才能产生光生电子和空穴以诱发光催化反应，这在很大程度上限制了TiO2光催化技术的实际应用。为拓展TiO2光能利用效率，充分利用太阳光中的可见光，国内外学者围绕TiO2改性做了大量研究［12］。由于贵金属粒子在入射光电场作用下，其自由电子可产生集体振荡，当入射光子频率与贵金属纳米粒子传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米粒子会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振(localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)效应。在Seh等［13］的研究中，制备的非对称金-TiO2纳米粒子可借助金的LSPR效应有效促进TiO2光解制氢。根据实验对比核壳结构的金-TiO2纳米粒子可知，非对称的金-TiO2纳米粒子作为优良的光催化剂在等离子体增强的可见光光解制氢的应用中表现了较好的催化效率。类似地，利用TiO2的光催化性质，非对称结构的金-TiO2纳米粒子还被应用在光催化甲醇氧化生产甲醛的反应中［14］。纳米粒子可以通过将环境中的自由化学能转化成机械能从而使其获得自身动力。作为贵金属之一的铂是一种良好的金属催化剂。它可以催化过氧化氢生成水和氧气，因此制得的铂-金非对称金属纳米棒在过氧化氢水溶液中通过催化反应可获得自发动力。实验显示，在过氧化氢溶液中该纳米棒可以30μm/s的速度进行轴向运动。在类似的实验中，Ozin和他的同事［16］也观察到镍-金纳米棒的旋转运动。在对非对称纳米粒子的催化动力机制的研究中，Wang等［17］制备的修饰有过氧化氢酶的金-吡咯非对称纳米棒在H2O2溶液中也呈现出一定的运动现象。Howse等在前人的研究基础上对非对称粒子催化动力机制进行了深入探索，他们在聚苯乙烯微球的半面上包覆了铂金属材料，并利用铂对过氧化氢的催化还原作用而使其获得自发动力。实验发现，在短时间内，非对称形态的粒子呈现出定向运动，且运动速率随着环境中底物分子浓度的升高而增大。由此构建的趋化系统也为非对称纳米粒子的实际应用提供了新的方向。之后，在Sen和Chaturvedi等的进一步研究中发现，具有催化性的非对称粒子在紫外线照射和H2O2的环境中还表现出一定的趋光性［19，20］。基于非对称材料独特的结构特点和多种性质的相辅相成，这种新型复合粒子为进一步的材料创新以及应用开发都提供了良好的基础和平台。从近年的研究热度和方向可见，具有催化性的非对称纳米粒子，在化学和生物领域都具有很大的应用潜力。

1.3生物相容性基于亚细胞的尺寸大小，纳米粒子被广泛应用于生物领域，如细胞标记和成像。当纳米材料被应用于生物体内时，该材料或结合在细胞表面，或经吞噬作用和巨胞饮作用内化到细胞内。研究表明，在纳米粒子与细胞或胞外环境之间通常会产生一些生物效应，这些生物效应的发生主要由纳米粒子的物理化学性质(尺寸、形状、表面性质)所决定，并由此产生生物相容性或其他生物效应。为了使纳米材料在生物体内更好地发挥其预期作用，研究者们认为，良好的生物相容性是一个至关重要的前提条件。经大量研究发现，SiO2、羟磷灰石(HAP)［23］、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)以合适的物理化学性质修饰于材料表面时，可使材料引入官能基团从而获得较高的生物相容性。因此，无论是对称或非对称纳米材料，其表面如果修饰这些试剂，理论上都是可以获得较好的生物相容性。在了解到聚丙烯酸和聚丙烯酰胺-丙烯酸在人体试验中均表现了良好生物相容性后，Yoshida等创新性地将这两种试剂利用化学反应制成具有两相性的非对称纳米胶体，并在两部分材料中分别修饰了生物素和异硫氰酸荧光素，进而可将链霉亲和素特异性结合在材料表面。经进一步的细胞实验表明，这种非对称纳米胶体在较宽的剂量范围内仍保持很好的生物相容性。在最近一项研究中，非对称纳米材料Au@MnO因同时具备磁性和光学性的双功能而成为高通量检测的研究重点。但是MnO因自身带有一定的细胞毒性阻碍了其在生物医学领域的应用。为了解决这一问题，科学家们将SiO2包覆在暴露的MnO部分，通过改变非对称材料的表面修饰，从而使这一非对称纳米材料(Au@MnO@SiO2)在之后的细胞活力实验中表现了较好的生物相容性，并降低了细胞毒性，从而扩展了其应用范围。

2基于非对称纳米材料的生物探针构建及其应用研究

作为多功能纳米材料，非对称纳米粒子的大多数应用都得益于它可调控的非对称结构和独特的表面特性。随着非对称纳米粒子制备方法的多样化，其在各领域的应用潜能被不断开发，尤其在生物医学领域。由于在非对纳米粒子的两部分独立表面上可以分别修饰配体或蛋白质等生物大分子，由此构建的多功能生物探针已被广泛应用在医学研究和临床诊断上，如生物传感器和靶向药物运载系统等。

2.1生物传感由于非对称纳米粒子具有独特的理化性质，因此可经多种修饰而获得良好的生物传感性能。具有精确生物传感能力的纳米探针对医学领域的应用具有重大意义。Wu等［28］制备的非对称金-聚苯乙烯纳米粒子就同时具备了细胞特异性靶标和生物传感功能。由于修饰在聚苯乙烯半面上的抗HER-2抗体可以与BT474人乳腺癌细胞表面的HER-2受体特异性结合来靶标细胞，同时又通过对金半面的表面增强拉曼散射图谱来传感目标细胞，从而提高了癌细胞检测的灵敏度。Villalonga等［29］运用非对称纳米粒子成功设计出一种尿素传感系统。在这种非对称纳米粒子的金表面修饰上脲酶，同时在介孔硅材料表面包覆上一种pH感应门控(pH-responsivegate)物质，当这一生物探针在环境中遇到尿素时，金部分携带的脲酶就会专一性分解尿素，导致环境中pH值升高，进而打开pH感应门控以实现传感效应。在哺乳动物中枢神经系统中，多巴胺是一个非常重要的神经递质，因而对这种神经递质的定量检测也引起了研究人员浓厚的兴趣。目前，利用多巴胺在电极上的电化学催化氧化作用进行的检测最为普遍。但由于电极表面会因氧化产生污物以及来自抗坏血酸联合氧化形成的干扰都对多巴胺的检测效率构成了一定的负面影响。最近的一项研究显示，将非对称金纳米团簇修饰在玻璃碳电极上制得的多巴胺电化学传感器在多项实验中均表现了较高的催化活性从而有效降低了多巴胺检测限。在多巴胺的电化学反应中，非对称纳米团簇作为一种氧化还原介质可有效促进团簇与玻璃碳电极间的电子转移，以增强多巴胺的电化学催化氧化，从而提高了多巴胺的检测灵敏度和效率［30］。类似的研究发现，为构建一个生物识别-效应系统，在非对称金-介孔硅纳米粒子的两部分分别修饰上链霉亲和素和辣根过氧化物酶(HRP)，当该探针特异性地结合在修饰了生物素的金电极上时，由于固定化的HRP在电化学反应中可转化环境中H2O2从而产生电分析信号，之后由循环伏安曲线来表征这一传感效应。多模态成像是生物医学诊疗中的一项重要的传感手段。通过标记生物荧光物质或量子点的成像探针在细胞靶标和分子检测中已广泛应用。得益于局部表面等离子体共振现象，贵金属纳米粒子以及包含贵金属的复合纳米颗粒具有优良的光学性质，因而可用于光学传感［32］。Sotiriou等将Fe3O4/Ag非对称粒子标记特异性抗体后，细胞实验中暗场荧光测试结果表明，摄取Fe3O4/Ag粒子的Raji和Hela细胞显示出较强的荧光信号，与未经该材料处理的Raji和Hela细胞形成强烈的反差，说明Fe3O4/Ag非对称粒子能够很好地应用于细胞标记和生物成像中。根据量子点的荧光性质，Selvan等制备了表面包覆SiO2的Fe3O4/CdSe非对称二聚体，之后将聚乙二醇(PEG)修饰在复合粒子表面，PEG的亲油基团暴露在表面以便于细胞膜标记。将表面改性后的复合粒子用于活体细胞膜的特定标记，激光共聚焦扫描显微镜结果显示，经磁性粒子标记后小鼠乳腺癌细胞显示出较好的荧光特性，从而证实了Fe3O4/CdSe粒子在体内成像上的应用。

2.2靶向运载非对称复合纳米粒子因其两面性在药物靶向输送方面具有潜在应用价值，有的已步入临床研究阶段，因此成为当今生物医学中热门的研究课题之一。众所周知，含铂化合物是一类常用的抗癌药物。因其对肿瘤细胞识别力差而引起较大的毒副作用，多项研究已致力于将其载带于具有靶向功能的纳米材料上。在一项研究中，磁性介孔磷酸钙纳米材料表面可经化学反应修饰上—COOH，之后，研究者将含铂化合物、—NH2化的靶向分子叶酸和荧光标记物罗丹明B分别经化学交联而结合在材料表面。经细胞实验表明，该靶向运载系统在Hela细胞中表现了较高的特异性和杀伤力，从而也验证了传统的对称纳米材料在靶向运载功能上的应用可行性［36］。而以两面性和多功能为主要特点的非对称纳米材料，在合适的设计下亦可作为靶向运载的工具。Sun等［37］利用Au-Fe3O4非对称复合结构的各向异性表面特性及多功能单元，设计了具有靶向输送含铂药物的新型多功能载体。以共价键的形式将含铂化合物的药物和具有靶向作用的HER-2特异性抗体分别连接到复合结构中的金颗粒和Fe3O4颗粒表面，通过对化学连接方式的设计使含铂化合物在低pH值条件下释放，从而可以一定程度上实现对癌细胞的选择性杀伤。相较于单一性即传统的对称纳米材料，非对称的Au-Fe3O4材料本身就兼具了示踪信息:磁性和光学性，因而无需标记其他示踪物，从而简化了修饰过程。此外其非对称表面的生物修饰相对独立，更有利于实现药物分子的可控设计和监控。类似地，在利用非对称金-聚苯乙烯纳米粒子特异性靶标并传感人乳腺癌细胞时，Wu等也提到可以在聚苯乙烯表面通过疏水性吸附将药物固定在功能载体上，以达到高效治疗的目的。最近，Wang等［38］基于具有典型非对称结构的聚苯乙烯-四氧化三铁-氧化硅三元复合体系，在聚合物和氧化硅组分表面分别修饰上不同的化学基团，并且借由功能基团的选择性分别连接上靶向分子叶酸和化疗药物DOX，从而制备了具有靶向和pH值敏感的控释药物载体(图2)。细胞实验结果证明该载体具有良好的肿瘤细胞靶向效果。Sahoo等运用传统的对称纳米材料，也设计出一种以叶酸为靶向载带药物DOX的运载系统。其设计主要是以多功能的MnFe2O4纳米粒子作为载体，通过SiO2包覆形成核壳复合体，后经表面修饰和造孔剂作用使得这一载体表面具备官能基团和多孔性，叶酸分子可通过表面官能基团连接于载体上，而DOX则可载入表面多孔中。这一精良设计使得该运载系统获得了较好的靶向运载效力。与这一DOX运载系统相比，虽然非对称纳米材料在靶向运载效力或是设计程序的复杂程度上并无明显优势，但是Wang等的非对称复合材料可因连接DOX的pH感应门控而实现DOX的可控释放。由此可见，非对称纳米粒子可以有效实现靶向基团和载带药物分步地附着于粒子表面，从而使得这种材料的表面生物修饰具有更好的独立性和可控性。这种通过复合材料的两个独立表面及其表面基团来设计多功能纳米诊疗系统的新思路，可以扩展到其他不同组分的非对称复合材料体系，并可能用于其他生物医学领域。作为靶向运载系统，非对称纳米材料还可以应用在基因治疗(genetherapy)方面。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷基因，达到治疗目的。Salem等在非对称Au-Ni纳米棒表面分别化学性修饰上靶向配体和DNA质粒从而设计出一个靶向基因运载系统。修饰在Au表面的转铁蛋白作为靶向物质可以有效捕捉到细胞，同时由于结合在Ni部分的质粒DNA具有编码荧光素蛋白酶和绿色荧光蛋白的基因，因此经细胞转染实验后，激光共聚焦扫描显微镜的结果证明了靶向基因运载系统的有效性，从而为这种复合材料的进一步临床应用提供了实验依据。

2.3基因疫苗基因疫苗指的是DNA疫苗，即将编码外源性抗原的基因插入到含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人或动物体内，让其在宿主细胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。一项研究表明，修饰有外源DNA的非对称无机纳米棒可作为一种基因瞬时表达的载体，当其导入细胞内以后，外源DNA和宿主细胞染色体DNA不发生整合就可直接表达为抗原蛋白。与其他无机非病毒载体不同的是，这些纳米棒可以在空间特定区域上修饰不同的功能基团，以提供精确控制的抗原［40］。因此，为进一步开发这种特殊材料的应用潜能，相关研究应首先证实这一新型疫苗载体可以在体内发生强烈的免疫反应。Salem等运用基因枪法将携带有模式抗原的非对称Au-Ni纳米棒导入小鼠体内，结果观察到很强的抗体反应和CD8+T细胞反应。由于免疫刺激佐剂效应(immunostimulatoryadjuvanteffect)，修饰在纳米棒Ni部分的pcDNA3可以增强结合在Au部分上抗原的免疫原性，从而有效增强了免疫应答的强度［41］。这项研究也为非对称纳米材料在接种疫苗领域的进一步应用提供了研究基础。

2.4杀菌剂在临床上，细菌感染是一项可引起较高死亡率并增加医疗成本的严重问题。然而随着细菌抗药性的发现和不断增强，探索新型杀菌剂的开发和应用成为研究热点。Lee等［42］的研究表明，银纳米粒子对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现了较强的杀菌效果，因而成为一种高效的新型抗菌剂。然而，银纳米粒子较强的团聚效应、易氧化性和较高表面能等缺陷也限制了这种抗菌剂的实际应用。之后，围绕增强银纳米杀菌剂的稳定性和杀菌力的研究进一步展开。其中，利用非对称纳米材料和银纳米粒子复合形成的抗菌剂表现了较好的杀菌效果。由Zhang等制备的Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因其优越的生物相容性而成为杀菌剂良好的修饰材料。Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因结合了两个部分材料的性质而同时具备较强的磁性和温和的表面修饰性能，因此由其与银纳米粒子结合形成的复合材料便成为一种可回收的高效杀菌剂。通过抑菌实验发现，Ag@Fe3O4-SiO2对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最低抑菌浓度分别为0.90μg/mL和1.35μg/mL，明显低于单一的银纳米粒子。之后的实验进一步证实，修饰了银纳米粒子的非对称纳米棒作为一种新型杀菌剂，具有相对较好的分散性和稳定性，更重要的是具备了更加有效且持久的杀菌力。

3展望

纳米材料论文范文第3篇

40多年以前，科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应，诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等，只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上，如果多晶体中晶体区的特征尺度（晶粒或晶畴直径或薄膜厚度）达到某种特征长度时（如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等），材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用，也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此，HGleitCr认为，如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体，即主要由非共格界面构成的材料[例如，由50％（invol．）的非共植晶界和50％（invol．）的晶体构成］，其结构将与普通多晶体（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明显不同，称之为"纳米晶体材料"（nanocrystallinematerials）。后来，人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围（小于100nn）的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"（nanostructuredmaterials）。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要包括：

l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物；4）纳米晶体和纳米玻璃材料；5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1）原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2）力学性能

目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应变速率范围，纳米晶Ti-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。

3）纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。

4）催化及贮氢性能

在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面：

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。

5结语

纳米材料论文范文第4篇

1微乳反应器原理

在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。

W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。

（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。

（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。

（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。

2微乳反应器的形成及结构

和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。

2．1微乳液的形成机理

Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：

--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi

（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）

上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。

2．2微乳液的结构

RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。

目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。

3微乳反应器的应用――纳米颗粒材料的制备

3．1纳米催化材料的制备

利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备

Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。

3．2无机化合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。

又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。

3．3聚合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt――正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。

3．4金属单质和合金的制备

利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n―heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。

3．5磁性氧化物颗粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。

3．6高温超导体的制备

利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu―O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu―O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。

目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测（SEM、TEM、STEM、STM等）；间接的方法有电子、X一射线衍射法（XRD），中子衍射，光谱方法有EXAFS，NEXAFS，SEX－AFS，ESR，NMR，红外光谱，拉曼光谱，紫外一可见分光光度法（UV－VIS），荧光光谱及正电子湮没，动态激光光散射（DLS）等。

纳米材料论文范文第5篇

关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质

2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

6结论

本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。

参考文献：

[1]薛增泉，纳米科技探索[M]．北京：清华大学出版社，2002.

[2]Pavlova-VerevkinaOB，Kul’kovaNV，PolitovaED，etal．COLLLOIDJ+2003，65(2)：226．

[3]DattaMS，TINDIANIMETALS2002，55(6)：531．

[4]YamaguchiY，JJPNSOCTRIBOLOGIS2003，48(5)：363．

[5]HayashiN，SakamotoI，ToriyamaT，etal．SURFCOATTECH2003，169：540．

[6]PocsikI，VeresM，FuleM，eta1．VACUUM2003，7l(1-2)：171．

[7]FanQP，WangX，LiYD，CHINESEJINORGCHEM2003，19(5)：521．

[8]ArakiH，FukuokaA，SakamotoY，etal.JMOLCATALA-CHEM2003，199(1-2)：95．

[9]BottiS，CiardiR，CHEMPHYSLETT2003，37l(3-4)：394．

[10]TianML，WangJU，KurtzJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：919．

[11]RajeshB，ThampiKR，BonardJM，etal．JPHYSCHEMB2003，107(12)：2701．

[12]FuRW，DresselhausMs，DresselhausG，etal.JNONCRYSTSOLIDS2003，318(3)：223．

[13]KimTW，KawazoeT，SOLIDSTATECOMMUN2003，127(1)：24．

[14]NguyenP，NgHT，KongJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：925．

[15]LiQ，WangCR，APPLPHYS．LETT2003，83(2)：359．

[16]ChenYF，KoHJ，HongSK，YaoT，APPLlEDPHYSICSLETTERS，2000,76(5)：559．

[17]JinBJ，BaeSH，LeeSY，ImS，MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGB，2000，(71)：301．

[18]T.B.SercombeandG.B.Schaffer，SCIENCE，2003，301：1225．

[19]薛增泉，等．新型纳米功能材料[J]．真空，2004，41(1)：1-7．

[20]Z.W.Pan，Z.R.Dai，Z.L.Wang，SCIENCE，200l，(291)：1947．

[21]W.U.Huynh，J.J.Dittmer，A.P.Alivisatos，SCIENCE，2000，(295)：2425．

[22]P.Nguyen，H.T.Kongetal．NANO．LETT．2003，(3)：925．

纳米材料论文范文第6篇

关键词:纳米材料；物理方法；化学方法

一、引言

纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代，英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年，《NanostructuredMaterials》正式出版，标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时，其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来，一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”，我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响，因此，纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(Bui1dingBlocks)，纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法，并对其优劣进行了比较。

二、纳米材料的合成与制备方法

2.1物理制备方法

2.1.1机械法

机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能，通过球磨让物质使材料之间发生界面反应，使大晶粒变为小晶粒，得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉，尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度，使相间传质和微观混合得到极大的加强，从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料，应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。

2.1.2气相法

气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态，然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下，利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体，粒径在30nm—50nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发，使组分偏析最小，一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下，材料极大程度地发生塑性变形，而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道，Φ82mm的Ge在6GPa准静压力作用后，再经850℃热处理，纳米结构开始形成，材料由粒径100nm的等轴晶组成，而温度升至900℃时，晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控溅射法与等离子体法

溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变，化合物的成分不易发生变化。目前，溅射技术已经得到了较大的发展，常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，从而使原料溶液化合蒸发，蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高，能制备难熔的金属或化合物，产物纯度高，在惰性气氛中，等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。

以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法，这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应，因此，在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。

2.2化学制备方法

2.2.1溶胶—凝胶法

溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含N聚合物组成)在溶液中与H2S反应，生成的ZnS颗粒粒度分布窄，且被均匀包覆于聚合物基体中，粒径范围可控制在2nm-5nm之间。MarcusJones等以CdO为原料，通过加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子点，颗粒平均粒径为3.3nm，量子产率(quantumyield，QY)为13.8%。

2.2.2离子液法

离子液作为一种特殊的有机溶剂，具有独特的物理化学性质，如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下，离子液仍具有低挥发性，不易造成环境污染，是一类绿色溶剂。因此，离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺为原料，在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3μm—5μm的Bi2S3纳米花。他们认为溶液的pH值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实，这些纳米花由直径60nm—80nm的纳米线构成，随老化时间的增加，这些纳米线会从母花上坍塌，最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料，以离子液为反应介质，合成了单晶Bi2S3纳米棒。

2.2.3溶剂热法

溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中，通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热，使反应体系形成一个高温高压的环境，从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。Lou等采用单源前驱体Bi[S2P(OC8H17)2]3作反应物，用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi2S3纳米棒，且该方法适于大规模生产。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物为原料，甘油和水为溶剂，采用溶剂热法在高压釜中160℃反应24-72h制得了长达数毫米的Bi2S3纳米带。

2.2.4微乳法

微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域，具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年Hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合，可自发地形成一种热力学稳定体系，体系中的分散相由80nm-800nm的球形或圆柱形颗粒组成，并将这种体系定名微乳液。自那以后，微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982年，Boutonnet等人应用微乳法，制备出Pt、Pd等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料，由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置，在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。

三、结论

纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能，可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展，工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为止，开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分；纳米材料的收集、存放，尤其是纳米材料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发，而且将极大地丰富和发展材料科学领域的基础理论。

参考文献

[1]LuY，LiawPK，Themechanicalpropertiesofnanostructuredmaterials.JOM，2001，53(3):31.

[2]GaryStix，微观世界里的大科学，科学，2001，(12):1820.

[3]张璐，姚素薇，张卫国，等.氧化铝纳米线的制备及其形成机理[J].物理化学学报，2005，2(11):12541288..

[4]李英品，周晓荃，周慧静，等.纳米结构MnO2的水热合成、晶型及形貌演化[J].高等学校化学学报，2007，28(7):12231226..

[5]LedenstoyNN，Crystallinegrowthcharacteristics，MaterProg，1998，35(24):289.

[6]王结良，梁国正，纳米制备新技术研究进展[J].河南化工，2003，(10):7l0.

纳米材料论文范文第7篇

关键词:纳米技术；新型建材；应用；前景

一、纳米涂料的应用

通常传统的涂料都存在悬浮稳定性差，耐老化、耐洗刷性差，光洁度不够等缺陷。而纳米涂料则能较好的解决这一问题，纳米涂料具有下述优越的性能:(1)具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用。(2)具有很好的防水性，抗异物粘附、沾污性能，抗碱、耐冲刷性。(3)具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。(4)纳米涂料的色泽鲜艳柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外观等。

虽然国内外对纳米涂料的研究还处在初步阶段，但是已在工程上得到了较广泛的应用，如北京纳美公司生产的纳米系列涂料已大量应用于北京建欣苑、建东苑等住宅区的外墙粉刷，效果良好。在首体改造工程中，使用纳米涂料1700吨，涂刷6万平方米。复旦大学教育部先进涂料工程研究中心的专家已研发出了“透明隔热玻璃涂料”。

二、纳米水泥的应用

普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题，纳米混凝土，与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2、纳米级CaCO3)或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能，而且通过改变纳米材料的掺量还能配置出防水砂浆等。目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥，纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。

纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的，该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。

纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。

纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。

纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多)，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。

三、纳米玻璃的应用

普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物，形成难以清洗的有机污垢，同时，水在玻璃上易形成水雾，影响可见度和反光度。而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃，则能有效的解决上述缺陷，同时TiO2光催化剂在阳光作用下，可以分解甲醛、氨气等有害气体。此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。

四、纳米技术在陶瓷材料中的应用

陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖)，但是陶瓷易发生脆性破坏，因而在使用过程中也受到了一定的限制。使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能，能够吸收一定量的外来能量。在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度，同时具有良好的抗烧蚀性，火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质，具有非常广阔的应用。

五、纳米技术在防护材料中的应用

通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化，研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题，纳米防水材料能够很好满足上述要求，北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景，如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。

六、纳米保温材料

随着我国推行节能减排的方针，工程界也越来越注重建筑的保温节能性能，我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料，这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质，如石棉与纤维制品含有致癌物质，聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体，而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端，如以无机硅酸盐为基料，经高温高压纳米功能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果，同时对人体也无损害，是一种绿色环保保温材料。

七、纳米技术在其粘合剂以及密封材料和剂方面的应用

对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件，它们对结构的密封性的要求非常高，已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2等添加剂，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。其工作机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有永久性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构的胶体流动，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米材料制成的剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生根好的作用，大大降低噪声，又能延长装备使用寿命，具有非常好的应用前景。

八、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。纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还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

[1]张立德.纳米材料[M].北京:化工出版社，2002.

[2]宋小杰.纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用[J].安徽化工，2008，(8):14-17.

[3]杨毅，姜炜，刘宏英，李凤生.纳米复合技术在新型建材中的应用[J].中国粉体技术，2006，(1):43-48.

纳米材料论文范文第8篇

1982年，Boutonmt首先报道了应用微乳液制备出了纳米颗粒：用水合胼或者氢气还原在W／O型微乳液水核中的贵金属盐，得到了单分散的Pt，Pd，Ru，Ir金属颗粒（3～nm）。从此以后，不断有文献报道用微乳液合成各种纳米粒子。本文从纳米粒子制备的角度出发，论述了微乳反应器的原理、形成与结构，并对微乳液在纳米材料制备领域中的应用状况进行了阐述。

1微乳反应器原理

在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。

W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。

（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。

（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。

（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。

2微乳反应器的形成及结构

和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。

2．1微乳液的形成机理

Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：

--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi

（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）

上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。

2．2微乳液的结构

RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。

目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。

3微乳反应器的应用——纳米颗粒材料的制备

3．1纳米催化材料的制备

利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备

Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。

3．2无机化合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。

又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。

3．3聚合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt——正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。

3．4金属单质和合金的制备

利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n—heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。

3．5磁性氧化物颗粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。

3．6高温超导体的制备

利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu—O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu—O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。

目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测（SEM、TEM、STEM、STM等）；间接的方法有电子、X一射线衍射法（XRD），中子衍射，光谱方法有EXAFS，NEXAFS，SEX－AFS，ESR，NMR，红外光谱，拉曼光谱，紫外一可见分光光度法（UV－VIS），荧光光谱及正电子湮没，动态激光光散射（DLS）等。

纳米材料论文范文第9篇

1微乳反应器原理

在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。

W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。

（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。

（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。

（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。

2微乳反应器的形成及结构

和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。

2．1微乳液的形成机理

Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：

--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi

（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）

上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。

2．2微乳液的结构

RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。

目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。

3微乳反应器的应用――纳米颗粒材料的制备

3．1纳米催化材料的制备

利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备

Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。

3．2无机化合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。

又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。

3．3聚合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt――正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。

3．4金属单质和合金的制备

利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n―heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。

3．5磁性氧化物颗粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。

3．6高温超导体的制备

利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu―O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu―O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。

目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测（SEM、TEM、STEM、STM等）；间接的方法有电子、X一射线衍射法（XRD），中子衍射，光谱方法有EXAFS，NEXAFS，SEX－AFS，ESR，NMR，红外光谱，拉曼光谱，紫外一可见分光光度法（UV－VIS），荧光光谱及正电子湮没，动态激光光散射（DLS）等。

纳米材料论文范文第10篇

纯金属锌及其氧化物和不同纳米Au修饰量的金属锌及其氧化物的紫外可见光谱。可以看出，波长为368nm处出现一个比较强的金属锌及其氧化物吸收峰。在525nm处出现较宽的纳米Au的吸收峰[4]。纳米Au的吸收峰随Au含量的变大而不断变强，还伴随显著的红移现象[5]。可能是因为Au和金属锌及其氧化物之间的相互作用，致使纳米Au的吸收峰产生了显著的红移现象，可能给金属锌及其氧化物材料的气敏特性有重要作用。图2是纯金属锌及其氧化物和不同纳米Au修饰量的金属锌及其氧化物的XRD谱图。可以看出，谱线中存在很明显的六方相特征衍射峰，和金属锌及其氧化物的晶面吻合[6]。另外，加入纳米Au修饰量的金属锌及其氧化物谱线出现新的衍射峰，其峰位与立方相Au的晶面一一对应。纳米Au修饰量的衍射峰随着Au含量的变大而不断的变强。图3是纯金属锌及其氧化物和纳米Au修饰量在为10%时的金属锌及其氧化物的SEM形貌。可以看出，金属锌及其氧化物是由大量向外辐射分布的六棱锥纳米分枝构成的复杂的花型结构。金属锌及其氧化物的六棱锥分枝的表面比较光滑。金属锌及其氧化物的表面上均匀的分布着纳米Au粒子，金属锌及其氧化物的六棱锥分枝的表面出现了粗化的现象。这种粗化现象会导致表面缺陷的增加，对金属锌及其氧化物材料气敏特性有积极作用。

2金属锌及其氧化物的气敏特性

图4是纯金属锌及其氧化物和不同纳米Au修饰量的金属锌及其氧化物气敏元件，在不同温度下对100μg/g丙酮的灵敏度图线。可以看出，纳米Au粒子可以有效地提高金属锌及其氧化物材料的灵敏氧化物对丙酮的选择性非常好，可以满足实际的丙酮气体检测要求。另外，材料各种气体的响应程度随气体浓度的增加基本呈线性逐渐变大。

图5为金属锌及其氧化物对不同气体的响应恢复动态曲线和灵敏度。可以看出，材料对还原性气体的灵敏度较高。另外，材料对丙酮的灵敏度比氢气、甲醛、苯和乙醇高得多，这说明Au修饰后金属锌及其氧化物对丙酮的选择性非常好，可以满足实际的丙酮气体检测要求。另外，材料各种气体的响应程度随气体浓度的增加基本呈线性逐渐变大。

3结论

纳米材料论文范文第11篇

研究表明，聚苯乙烯纳米粒子的大小与DCs的相互作用关系密切。20nm与500nm的纳米粒子注射C57BL/c小鼠后，500nm的纳米粒子经淋巴结中CD8α+、CD8α－DC及类浆细胞DCs(plasmacytoidDCs，pDCs)转运，相反，20nm纳米粒子可自由运输，清除了DCs的小鼠中未见到500nm纳米粒子的转运。Kunzmann等［11］发现，硅包被的氧化铁纳米粒子诱导剂量依赖的DCs细胞毒性，但同样大小的葡聚糖包被的氧化铁纳米粒子对DCs无细胞毒性;硅和葡聚糖包被的氧化铁纳米粒子均可以刺激DCs产生致炎性细胞因子。Winter等［12］报道，14nmSi和TiO2均可以活化小鼠骨髓来源的DCs，促进CD11c和MHCⅡ的表达，活化炎症复合体，即14nmSi和TiO2通过影响DCs细胞的功能影响免疫反应。

2纳米粒子对适应性免疫反应的影响

关于纳米材料对适应性免疫反应的影响的研究较少。Gustafsson等［13］报道，单剂量(5mg/kg)的TiO2纳米粒子吸入后，DarkAgouti大鼠气道中介导免疫反应的是CD4+T细胞，早期的炎症因子是T细胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子1(CNIC-1)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)。Schanen等［14］用1．56μmol/L的TiO2纳米粒子处理人脐静脉内皮细胞(humanumbilicalveinendothelialcells，HUVECs)和人外周血单个核细胞(peripheralbloodmononuclearcells，PBMCs)24h，导致HUVECs和PBMCs产生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性细胞因子;而且，纳米粒子可刺激DCs成熟，表达CD86、CD83、CCR7分子，促进NaveCD4+T细胞的活化与增殖。同样，Ghoneum等［15］发现，体外50～200μg/mL的纳米钻石或纳米铂(DPV576)刺激人单核细胞来源的DCs24h，可活化DCs，诱导DCs表达CD86、CD83，产生IL-6、TNF和IL-10，随后活化NaveCD4+T细胞并刺激其增殖。因而这些纳米粒子可通过刺激DCs成熟、增强CD4+T细胞的增殖，从而增强机体的免疫反应。Ogunwale等［16］发现，4nm的钴铬(Co-chromium，CoCr)纳米粒子对DCs、T细胞、B细胞产生的效应不同，25μg/mL的CoCr纳米粒子不能活化DCs和B细胞，但能抑制T细胞的增殖反应。与单独的DNA疫苗相比，DNA吸附阳离子聚苯乙烯(poly-L-lysine-coated)的纳米粒子皮内免疫小鼠，可增强抗体的产生，增强CD4+、CD8+T细胞的增殖反应［17］。而且，纳米粒子的大小也影响适应性免疫反应的类型。40～49nm纳米粒子包被的OVA抗原单次免疫小鼠，可诱导小鼠CD8+T细胞产生IFN-γ;而93～123nm纳米粒子包被OVA单次免疫小鼠，可诱导小鼠CD4+T细胞的活化，产生IL-4。49nm纳米粒子结合呼吸道合胞病毒(respiratorysyncytialvirus，RSV)抗原G88免疫小鼠，与单纯G88免疫组相比，能诱导更高水平的IFN-γ，显著减少经RSV滴鼻攻击感染后的病毒滴度。因而，选择不同大小的纳米粒子作为抗原载体免疫小鼠，可影响小鼠适应性免疫反应的类型［18］。

3纳米粒子的免疫调节机制

固有免疫和适应性免疫间存在精细的平衡。纳米粒子可通过调节固有和适应性免疫细胞的功能来调节免疫反应，但其具体的作用机制仍不清楚。近年来的研究发现纳米材料影响Th1/Th2细胞的平衡。10－5～10－7mol/L的钴纳米粒子刺激后，人PMBCs可产生大量的TNF-α、IFN-γ等Th1相关细胞因子，但IL-10等Th2相关细胞因子减少［19］。Liu等［20］报道，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相关细胞因子的产生增加，IL-4、IL-5等Th2相关细胞因子的产生减少，CD4+/CD8+T细胞的比例增高，小鼠免疫反应明显增强。纳米粒子的另一个重要调节机制是诱导或改变DCs的分化和成熟，因而，纳米材料可作为疫苗佐剂增加疫苗的免疫反应。Wang等［21］报道，乙型肝炎病毒的DNA疫苗用SiO2、层状双金属氢氧化物纳米颗粒负载，可刺激DCs成熟。体内免疫BALB/c小86江苏大学学报(医学版)第25卷鼠，纳米粒子负载的DNA疫苗诱导比单独DNA疫苗诱导有更强的血清抗体反应，能促进T细胞增殖，使T细胞向Th1方向极化，说明纳米粒子可作为一种有效的非病毒基因传递系统，增强疫苗的免疫反应。携带DNA疫苗的聚丙烯酸酯纳米颗粒，体外转染小鼠DC2．4细胞系，可促进DCs的分化成熟，转染了该DNA纳米颗粒的DCs可刺激活化NaveCD8+T细胞产生高水平的IFN-γ，表明聚丙烯酸酯纳米颗粒可作为高效的DNA疫苗佐剂，增强疫苗的免疫反应［22］。

4结论

纳米材料论文范文第12篇

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

1.在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，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，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙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的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

2.在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

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，并且影响到人类生活的方方面面。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A12O3，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。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

4.在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

纳米材料论文范文第13篇

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

1.在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，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，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生——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的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在上的应用带来革命性的变革。

2.在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

3.在其它精细化工方面的

精细化工是一个巨大的领域，产品数量繁多，用途广泛，并且到人类生活的方方面面。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A12O3，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。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

4.在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向，已提到日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

纳米材料论文范文第14篇

硅基材料是一种最为常用的无机催化剂载体，其表面存在着丰富的活性基团硅羟基(Si—OH)和暴露的硅氧烷键(Si—O—Si)。其中硅羟基基团可以以孤立(单羟基)、成对(双羟基)和缔合(邻羟基)等不同的形式存在于硅胶表面(图2)。这些硅羟基是强吸附的极性基团，并且可以通过脱水缩合形成化学键来锚定一些功能离子液体催化剂。然而，硅氧烷是疏水基团，仅可以吸附某些非极性溶剂分子。一般而言，可以通过对硅胶预处理来选择控制其表面硅羟基的类型、浓度和表面分布，从而改善硅基材料表面键合相的性能。目前研究最多的无机硅基材料主要包括非孔的无定形SiO2和有序介孔硅基材料(MCM-41，SBA-15，SBA-16等)。功能离子液体杂化硅基材料的方法主要有物理吸附和共价键结合的方法(图3)。其中物理吸附主要是通过硅基材料表面与功能离子液体的静电作用来束缚离子液体活性组分。这种方法制备出的催化剂在反应过程中容易流失活性组分，因此催化剂的稳定性相对较差。化学共价键结合的方法(阳离子或阴离子结合)可以有效地将功能离子液体活性组分锚定在无机硅基材料的表面上，从而表现出优异的催化性能和稳定性。

1.1物理吸附束缚功能离子液体Hlderich等［31，32］报道不同金属氯化物的Lewis酸性离子液体(Al-ILs，Sn-ILs和Fe-ILs)杂化的非孔的无定形SiO2材料(图4)。他们分别通过芳香化合物的液相和气相酰基化反应对这些催化材料进行评价，发现这些新型的离子液体杂化SiO2催化材料表现出较高的催化活性和选择性，尤其是Fe-ILs/SiO2催化剂表现出最好的催化性能。但是，这些催化材料在液相反应过程中表现出明显的活性组分流失的问题，而在气相反应过程中则可以避免活性组分流失的问题。因此，对于这种物理吸附来束缚离子液体的催化剂其本质的催化过程是否属于多相催化存在质疑。Karimi等［33］将一种疏水的Brnsted酸性离子液体引入到—SO3H改性的有序介孔硅基材料SBA-15的纳米孔道内(图5)。这种带电的离子液体与相邻的磺酸基团的静电相互作用将其有效地束缚在SBA-15的纳米孔道内，同时由于两者的协同作用加强了酸强度，从而在室温下对醇和羧酸的酯化反应表现出了优异的催化性能(产率93%)。另外，由于离子液体本身的疏水性质促进了反应物的传质扩散性能和产物水分子的脱除。

1.2化学键结合锚定功能离子液体化学键结合的方法是一种最为普遍有效的杂化方法，这种方法可以将离子液体稳定地锚定在载体的表面和孔道内。Luo等通过共缩合的方法将二元的Brnsted酸性离子液体嫁接在硅胶的表面，这种酸性离子液体杂化的SiO2催化材料能够有效地催化多组分反应一步合成氨基烷基萘酚，并且该催化剂能够循环使用6次没有明显的失活(图6)。Yang等报道了一种首先用离子液体改性的SBA-16的介孔纳米笼，然后将一种含氮的卡宾Pd的配合物催化剂(NHC-Pd/SBA-16-IL)引入到纳米笼内，这种新型的催化材料结合了均相催化剂和SBA-16纳米笼微环境的共同优点，对Suzuki偶联反应和Heck反应表现出优异的催化性能和重复使用性能(图7)。Han等制备了一种离子液体杂化的Al-MCM-41催化材料，这种催化剂表面同时具有Lewis和Brnsted酸性位点，能够有效催化CO2和环氧氯丙烷的环加成反应(图8)。Park等在合成SBA-15的过程中原位引入ImCl离子液体，利用微波辐射直接合成了一种离子液体杂化的薄片状SBA-15介孔催化材料(图9)。这种催化剂的孔道长度(200～500nm)可以通过有机硅烷和硅酸钠的摩尔比来控制合成，并且其孔道的长度和离子液体的担载量对Knoevenagel缩合反应具有一定的影响。结果发现7.5%的ILs能够合成出较短的介孔孔道，有利于反应物的传质和扩散，从而表现出最佳的催化性能。Guan等报道了一种一步共缩合制备乙烯基磺酸离子液体杂化的SiO2催化材料，并将这种催化剂应用于一系列的酯化反应，结果发现该催化剂表现出较好的催化活性和重复使用性。

2离子液体杂化磁性纳米材料

磁性催化纳米材料在催化应用中更容易实现催化剂和反应体相的分离，因此磁性杂化催化材料引起了越来越多的关注。Fe3O4是最常见的磁性材料，其合成方法简单，表面可以选择功能化，同时也很适合制备核壳结构的新型材料。Alper等通过有机硅烷咪唑离子液体改性Fe3O4纳米颗粒，改性后的Fe3O4纳米颗粒由于表面存在烷基链在有机溶剂中更趋于稳定，不容易发生团聚。通过引入贵金属前驱体K2PtCl4，经肼还原得到负载Pt纳米粒子的磁性催化剂。这种催化剂在炔烃的选择加氢反应中可以高选择性得到顺式产物，并且通过磁性诱导很容易回收利用(图11)。Taher等根据相同的方法首先用有机硅烷功能化的咪唑离子液体对磁性纳米Fe3O4表面进行改性，然后进一步引入均相含氮杂环的卡宾Pd的配合物催化剂。通过Suzuki偶联反应对该催化剂进行了活性评价，结果发现该催化剂能够有效催化该反应，而且对不同底物的偶联反应均表现出优异的催化性能。同时，在磁场的作用下很容易分离，循环使用5次后反应产率依然能够保持93%。丙基三甲氧基硅烷(MPS)偶联剂首先对Fe3O4纳米粒子改性来引入活性官能团乙烯基，然后在其表面用1-乙烯基-3-(3-磺丙基)咪唑硫酸氢盐(［VSim］［HSO4］)和交联剂1，4-丁基-3，3-双-1-乙烯基咪唑硫酸盐原位嫁接离子液体，制备出一种Brnsted酸性离子液体杂化的磁性纳米Fe3O4催化剂。这种催化剂可以作为一种有效的磁性固体酸催化剂来催化乙醛合成二乙酰化合物，并且可以通过磁性诱导分离重复使用(图13)。无机硅包覆磁性纳米Fe3O4核壳结构材料是另外一种磁性材料。功能离子液体杂化这种核壳类型的磁性催化材料也有一些相关报道。制备这种杂化材料的主要方法一般是通过TEOS原位水解包覆磁性纳米Fe3O4，通过控制TEOS的摩尔量和水解条件来控制核壳结构;然后使其与有机硅烷类型的离子液体硅烷化，从而将离子液体活性组分锚定在其表面(图14)。Luo等［43］报道了3-磺丁基-1-(3-丙基三乙氧基硅烷)咪唑硫酸氢盐的二元Brnsted酸性离子液体杂化的磁性SiO2-Fe3O4催化材料，这种催化剂具有准均相催化剂的特点，可以有效催化三组分(双甲酮、醛、2-萘酚)缩合合成苯氧杂葱酮。Karimi等［44］合成一种含有PdCl42－的离子液体杂化磁性SiO2-Fe3O4催化材料，该催化剂在水相中对Suzuki-Miyaura偶联反应表现出非常高的催化活性，而且对不同卤代芳烃普遍适用。最重要的是，这些离子液体杂化的核壳结构催化材料都能够在外界磁场的作用下迅速分离，继续循环使用。

3离子液体杂化高分子聚合材料

功能离子液体杂化的高分子聚合物材料在催化领域也逐渐受到了越来越多的关注。高分子聚合物由于其化学结构的多样性，可控的选择合成以及表面丰富的有机官能团使其非常适合用来后合成改性。目前，作为催化剂载体的高分子聚合材料主要有聚苯乙烯(PS)、改性树脂、聚乙二醇(PEG)、交联二乙烯基苯、聚电解质和壳聚糖等。You等［45］首次报道了一种新颖的氨基酸离子液体杂化的聚苯乙烯材料。他们首先制备了一种离子液体功能化的聚苯乙烯(PS)小球，然后与脯氨酸离子交换，从而合成出一种脯氨酸离子液体杂化的聚苯乙烯催化材料。这种催化剂能够有效催化咪唑和对芳香化合物的芳基化反应(图15)。Guan等［46］报道了一种硫酸氢盐酸性离子液体杂化的聚苯乙烯小球催化材料。他们首先定向合成了一种具有氯乙基官能团的功能聚苯乙烯小球，然后通过与咪唑季铵化形成离子液体前驱体，进一步与磺内酯作用以及硫酸交换，最终制备出一种酸性离子液体杂化的聚苯乙烯多相催化剂(图16)。该催化剂在酯化反应中表现出优异的催化活性，TON值达到43.8，并且催化剂可以重复使用13次没有明显的失活。Chi等合成了较长烷基链的1-己基-3-甲基咪唑离子液体杂化的聚苯乙烯材料，并将其用于催化亲电取代反应，结果发现这种多相催化材料的催化性能优于均相的离子液体催化性能(图17)。Shen等［49］报道了一种离子液体杂化聚电解质材料，他们首先分别合成一种羧基化的离子液体和氨基化的聚电解质，然后通过酰胺化作用将离子液体嫁接在聚电解质材料上，并且将这种杂化材料用于直接电催化氧化β-酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)反应。Luo等合成了一种双阴离子酸性咪唑离子液体杂化的聚乙二醇材料，这种材料是一种具有吸湿性的棕色液体，可以在空气中和加热条件下稳定存在。他们发现这种材料在低温下不能溶解在甲苯溶剂中，但是升高温度可以使其溶解。根据这样的特性他们通过改变温度来控制溶液的相转变过程，并且将这种温控的两相催化体系应用于三组分(芳香醛、丙二腈和5，5-二甲基-1，3-环己二酮)缩合反应合成吡喃类化合物。这种催化剂不仅呈现出优异的催化性能，并且对不同取代基的芳香化合和活泼亚甲基化合物的缩合产物得到了较高的产率。另外，这种催化剂可以通过温控来选择回收重复利用(图18)。

4离子液体杂化纳米碳材料

近些年来，纳米碳材料的合成和应用是研究热点。纳米碳材料主要包括C60，单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotubes，SWNTs)、多壁碳纳米管(multi-walledcarbonnanotubes，MWNTs)、纳米碳球和石墨烯(图19)。其中，多壁碳纳米管和石墨烯一直受到广泛的关注，这是因为他们的碳原子以sp2杂化为主，形成了高度离域化的π电子共轭体系，而且表面的缺陷和端口都会形成具有较强化学活性的碳原子，使得他们具有特殊的化学反应性，通过一定的化学反应可对其表面进行化学功能化处理来引入官能团(如羧基和卤素)。Chen等用3-乙基-1-乙烯基咪唑四氟硼酸离子液体(［VEIM］BF4)对碳纳米管(CNTs)进行预处理，利用乙烯基与CNTs表面发生的自由基聚合反应，在其表面形成离子液体聚合物，进一步在其表面引入贵金属Pt和PtRu纳米粒子。结果发现这种离子液体聚合膜在CNTs表面呈正电性，可以阻止贵金属纳米粒子的团聚长大。与普通CNTs负载的贵金属Pt和PtRu纳米粒子相比，通过离子液体聚合膜改性后的纳米粒子的粒径更小，并且分布更均匀。这种杂化材料作为电催化剂对甲醇的直接氧化表现出较好的性能(图20)。Wang等在N，N-二环己基碳二亚胺(DCC)偶联剂的作用下将1-(3-氨丙基)-3-甲基咪唑溴化物离子液体与CNTs表面的羧基发生缩合作用，形成一种离子液体杂化的CNTs材料。通过阴离子交换的过程将贵金属前驱体K2PtCl4引入到杂化材料的表面，然后用维生素C还原，制备出Pt纳米粒子沉积在离子液体杂化的CNTs的表面上。结果发现有通过改变离子液体的量来控制合成的Pt纳米粒子在CNTs表面的分散度，Pt纳米粒子的平均粒径大约为3nm(图21)。Lee等［54，55］报道了氨基咪唑溴化物离子液体共价键杂化的MWNTs，这种离子液体在水中具有非常好的溶解性，因此他们将杂化后的ILs-MWNTs分散到水体系中，加入贵金属前驱体Na2PdCl4，在室温下用H2还原，制备出离子液体稳定Pd纳米粒子杂化的MWNTs材料。这种催化材料对烯烃的加氢反应表现出优异的催化性能(图22)。Kim等利用离子液体杂化的石墨烯来锚定Mn3O4纳米粒子。他们首先用氨基功能的离子液体修饰氧化石墨烯表面，在N，N-二环己基碳二亚胺(DCC)环境下使氨基与羧基缩合来固定氨基离子液体，再锚定Mn3O4纳米粒子。这种杂化材料被用来作为Zn-空气电池的电化学催化剂，结果发现离子液体不仅仅增加了电池系统的传导性，而且可以与石墨烯协同催化氧化还原反应(图23)。Lee等报道了一种Au-ILs杂化的石墨烯材料，他们研究发现Au纳米粒子在离子液体杂化的石墨烯表面可以加强电子转移速率，降低电荷转移的阻抗，增大电催化的面积。

5离子液体杂化金属有机骨架材料

金属有机骨架(MOFs)配位聚合物是一种新纳米多孔材料。近年来，它们在气体储存、吸附和分离，药物的储存和缓释以及多相催化等领域引起了广泛的研究。MOFs材料是利用有机桥联配体与无机金属离子通过超分子自组装而形成的有机-无机杂化类多孔框架材料(图24)。这种材料本身的骨架结构、化学组成以及孔径可以通过选择不同金属离子和有机配体来控制合成。因此，这种具有开放骨架结构的MOFs材料呈现出很多独特的化学和结构特性，如较大比表面积、高孔隙率、化学和结构多样性等。另外，本身结构中的金属中心和有机配体可以作为一些功能位点来引入一些催化活性的客体分子，从而形成一种新型的杂化材料。目前，功能离子液体杂化的金属有机骨架材料正处于起步阶段，相关的研究报道相对较少。但是，这样一个新的杂化理念已经引起了一定的关注，尤其是在催化领域，这种新颖的材料表现出一些独特的催化特性。其中研究最多的金属有机骨架材料主要是一些化学稳定性较好的MOFs材料，如MIL-101，HKUST-1和ZIF-8，这些材料非常适合后合成改性。尤其是MIL-101和HKUST-1，其本身具有金属不饱和空位(CUS)，这种CUS可以用来引入富电子的含氮离子液体(图25)。Luo等首次利用一种含有双氮原子的杂化化合物作为一种化学桥在MIL-101的纳米笼内合成了Brnsted酸性离子液体。这种新颖的离子液体杂化的MOFs材料结合离子液体催化剂和MIL-101纳米笼微环境的共同优点，在缩醛反应中表现出优异的催化性能。与传统的均相离子液体催化剂相比，这种多相催化剂更有利于反应物的扩散和与催化活性中心的接触，促进了副产物半缩醛进一步转化为缩醛产物，从而提高了缩醛产物的选择性，该催化剂可以重复使用6次(图26)。Jhung等［紧接着报道了一种Lewis酸性离子液体(1-丁基-3-甲基氯化铝)杂化的MIL-101材料，这种材料可以有效地吸附脱出燃料油中的硫组分。Luo等报道了一种氨基功能化的碱性离子液体杂化的金属有机骨架HKUST-1材料。他们首先制备了一种氨基功能化的碱性离子液体，然后通过后合成改性的方法将离子液体引入到HKUST-1的纳米孔穴内，通过—NH2与Cu-CUS形成配位键来束缚离子液体活性组分。这种催化材料对苯甲醛和乙二腈的Knoevenagel缩合反应具有非常好的催化活性。最重要的是制备的这种微孔杂化材料对不同分子尺寸的芳香醛呈现出选择催化的性能，对于较大的分子，其催化活性较差，只有当分子尺寸与催化剂的孔结构相匹配，反应物才可以自由顺利地扩散到催化剂的纳米孔穴内，与活性中心接触。

6结论与展望

纳米材料论文范文第15篇

磁性纳米材料的生物学修饰是利用磁性纳米材料分离富集致病菌的前提，将生物亲和分子修饰到磁性纳米材料的表面，赋予其捕获目标菌的能力，间接地“磁化”细菌细胞（磁细菌），使磁细菌在外界磁场作用下能够从样品液中分离。另外，经修饰后的磁性纳米材料可以获得比单体生物分子更高的结合能力。例如，由于多个抗体分子可被修饰于磁性纳米粒子上，磁性纳米粒子经抗体修饰后，与目标菌的结合能力是单独抗体的8倍；同理，经甘露糖修饰后，与目标菌的结合能力比单体甘露糖强200倍。磁性纳米材料生物学修饰的方法有很多，大体分为直接修饰和间接修饰两种。直接修饰又分为物理吸附和共价偶联。物理吸附是指蛋白质等生物亲和分子和纳米材料间的疏水作用和静电作用；共价偶联是指先在纳米材料的表面修饰硫化物、胺或者羧基，通过这些基团与生物亲和分子形成共价键从而实现纳米材料生物学修饰。间接修饰则需要利用一对具有强亲和力的分子，比如生物素-亲和素。先用亲和素包被纳米材料，再将要修饰的生物亲和分子标记生物素，通过生物素和亲和素的结合间接达到修饰磁性纳米材料的目的。

2磁性纳米材料捕获致病菌的方式及其应用

磁性纳米材料通过生物学修饰，获得可以捕获食源性致病菌的能力，再利用外界磁场从而达到分离菌体目的。表2总结了近几年磁性纳米材料在分离不同食品基质中食源性致病菌的研究。磁性纳米材料表面使用的修饰物不同，捕获食源性致病菌的方式也不同。

2.1抗原-抗体

基于抗原抗体之间的特异性反应实现食源性致病菌捕获是最常用的方式，已被广泛应用于各种食源性致病菌的分离富集。食源性致病菌相应的抗体也是磁性纳米材料最常用的修饰物。将磁性纳米材料的表面包被相应抗体，利用抗体和细菌表面相应抗原间的特异性结合，将食源性致病菌和磁性纳米粒子连接，致病菌被“磁化”后，在外界磁场的作用下将目标菌从成份复杂的样品液中分离出来，便于后续检测。Varshney等通过生物素-链霉亲和素将抗大肠杆菌抗体包被到磁性纳米粒子的表面，用于捕获牛肉样本中大肠杆菌O157∶H7，捕获效率达94.5%。Yang等用相应抗体修饰氧化铁纳米粒子，结合实时定量聚合酶链式反应，检测牛奶样品中的单增李斯特菌，检测限达452CFU/mL。Ravindranath等分别制备了包被有抗大肠杆菌抗体和抗沙门氏菌抗体的功能化磁性纳米粒子，用于分离鸡尾酒和菠菜牛奶提取液中相应的食源性致病菌，结合红外光谱分析，检测限达104～105CFU/mL。Cheng等使用抗大肠杆菌O157∶H7抗体包被的磁性纳米粒子分离牛奶中的大肠杆菌O157∶H7，结合三磷酸腺苷生物发光分析，检测限达20CFU/mL。Wang等制备了两种特异性抗体共修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于同时分离菠菜中的沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，结合表面增强拉曼散射分析，检测限达103CFU/mL。

2.2黏附素（凝集素）-受体（糖类）

很多细菌会在其表面表达黏附素，它们能与宿主细胞表面相应受体结合，从而使细菌黏附在宿主细胞上。致病菌黏附宿主上皮细胞的机制与多种糖类有关。例如，大肠杆菌的表面可以表达产生多种黏附素，它们可以黏附宿主上皮细胞上的半乳糖、葡萄糖、果糖、岩藻糖、甘露糖和蔗糖等。利用黏附素与受体结合的性质，经凝集素或糖类修饰的磁性纳米粒子可特异性地结合相应的食源性致病菌。EI-Boubbou等用D-甘露糖修饰的磁性纳米粒子分离大肠杆菌，分离效率达88%以上。作者再结合X射线衍射、透射电镜、热重和红外光谱分析，在5min内即可完成检测，检测限达104个菌体/mL。Payne等用凝集素修饰的BioMag®粒子分离食品基质中的致病菌，结果显示，单增李斯特菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌最低分离起始浓度分别为大于等于10CFU/10g（卡蒙贝尔奶酪）、1CFU/10g（炖牛排）和小于10CFU/10g（生牛肉）。WangYixian等制备了基于凝集素的生物传感器，用于分离检测食品样品中的大肠杆菌O157∶H7，检测限达3×103CFU/mL。

2.3抗生素（万古霉素）

万古霉素是一种糖肽类抗生素，它可以与许多种革兰氏阳性菌形成紧密的连接，其机制是通过细胞壁上的端肽D-Ala-D-Ala的氢键与万古霉素联接。一般认为，由于革兰氏阴性菌外膜的存在，万古霉素不能接触到D-Ala-D-Ala端肽，因而不能识别革兰氏阴性菌。据报道，经万古霉素修饰过的磁性纳米粒子同样可以捕获革兰氏阴性菌，并由透射电子显微镜的照片猜想万古霉素与革兰氏阴性菌连接的机制为细菌外膜上存在缺陷区域，使部分D-Ala-D-Ala端肽暴露给万古霉素。Kell等随后验证了这一猜想。Gu等在FePt磁性纳米粒子表面修饰万古霉素（FePt-Van），从大肠杆菌菌液中分离出菌体后再用透射电镜观察，检测限达15CFU/mL。Kell等制备了万古霉素修饰的磁性纳米粒子用于同时分离水样中革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌，结果显示，不同的致病菌间捕获效率相差很大（7%～88%）。Wan等使用万古霉素修饰的磁性纳米粒子分离磷酸盐缓冲液中添加的海洋型硫还原型细菌（如，脱硫肠状菌属），结合生物传感器，检测限达1.8×104CFU/mL。Choi等在磁性氧化铁纳米粒子表面修饰万古霉素，并用其对临床样本中的细菌进行分离，实验结果发现，革兰氏阳性菌的捕获效率为（84.84±1.70）%，而革兰氏阴性菌的捕获效率为（48.48±1.79）%。Chen等用表面修饰有庆大霉素的磁性纳米粒子用于分离磷酸盐缓冲液中添加的金黄色葡萄球菌，最低分离的细菌浓度为0.5×103CFU/mL。

2.4DNA互补序列

任何细菌都有其特异性的基因片段，该基因片段的互补寡核苷酸片段可以识别样品中的该种细菌。将寡核苷酸片段修饰后的磁性纳米材料用于选择性的分离目标DNA或RNA，再结合PCR鉴定，不仅省去样品的预处理，灵敏度也比普通PCR提高近10倍。Amagliani等用与李斯特菌素O基因序列（hlyA）互补的寡核苷酸链修饰磁性氧化铁纳米粒子分离牛奶样品中的单增李斯特菌的DNA，结合PCR分析，检测限达10CFU/mL。笔者在2010年制备了分别针对单增李斯特菌和沙门氏菌的寡核苷酸修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于分离鱼中单增李斯特菌和沙门氏菌的DNA，结果发现，单增李斯特菌和沙门氏菌的捕获效率分别为（62.5±10.0）%和（70.6±7.0）%。结合多重PCR分析，检测限达1CFU/g。XuHongxia等研究了不同食源性致病菌寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子在致病菌分离中的应用，实验结果发现，该磁性纳米粒子可以快速富集相应致病菌（如，大肠杆菌O157、沙门氏菌等）。笔者进一步研究了同时使用食源性致病菌多个基因的互补寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子分离相应致病菌，结合传感器检测，检测限达6×102CFU/mL。

2.5螯合反应

脂多糖是革兰氏阴性菌外膜的重要组分，其中类脂A有大量的磷酸基团，用金属氧化物（氧化钛、氧化锆或氧化铝）包被磁性纳米粒子，通过金属氧化物与磷酸基团间的螯合反应，可与待测样品中革兰氏阴性菌形成复合物，在外界磁场的作用下可将食源性致病菌从成分复杂的待测液中非选择性分离出来，消除样品基质的干扰。Chen等在磁性氧化铁纳米粒子的表面包被二氧化钛，利用脂多糖和金属氧化物的螯合作用捕获尿样中的大肠杆菌、志贺氏菌和假单胞菌，磁分离富集菌体后经胰蛋白酶水解，再次磁分离除去磁性纳米粒子，最后用基质辅助激光解吸-电离质谱法鉴定蛋白序列，根据蛋白库中的信息确定细菌的种类。该方法是一种快速（耗时15min）、特异性强（可区分两株不同的大肠杆菌）、灵敏（检测限达104个细胞/mL）的分离检测方法。2010年，笔者使用表面修饰有二氧化钛的磁性氧化铁纳米粒子分离细菌混合液中的目标致病菌，随后分离到的致病菌在紫外灯照射下结合二氧化钛的灭菌作用，15min内可以抑制99.9%以上的目标菌的生长。

3结语