金屬納米材料的應(yīng)用精選(九篇)
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第1篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：環(huán)境；納米材料；淡水生生生物；生物毒性
中圖分類號：X171.5；Q5文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0384（2017）03-342-10
作為21世紀(jì)三大科學(xué)支柱的納米科學(xué)，從20世紀(jì)80年代中后期逐漸成為科學(xué)研究的前沿?zé)狳c。大量相關(guān)實驗的展開和技術(shù)的成熟使得納米材料走出實驗室，并因其獨特的宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等理化性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。隨著納米材料的商業(yè)化和生活化，各界學(xué)者紛紛表示出對流人生態(tài)環(huán)境中大量納米材料的生態(tài)毒理效應(yīng)的高度關(guān)注。EnvironmentalScience&Technologies、Science等期刊相繼發(fā)表有關(guān)文章探討納米材料存在的安全問題以及對環(huán)境和人類健康的影響，并在近些年獲得了一定的經(jīng)驗和成果，也使得納米材料的負(fù)面生物效應(yīng)越發(fā)明顯。納米技術(shù)環(huán)境影響研究的重要性正在逐漸增加，而納米生態(tài)毒理學(xué)研究也作為一項繼納米毒理學(xué)研究之后新的科研分支逐步受到世界各大科學(xué)領(lǐng)域的重視。
水生態(tài)系統(tǒng)可以接收從雨水沉降、地表徑流、地下滲流或者廢水排放等各種方式釋放出的包括納米材料在內(nèi)的大量污染物，因此水環(huán)境是最容易受污染的系統(tǒng)之一。而淡水生態(tài)系統(tǒng)作為內(nèi)陸地區(qū)主要的水環(huán)境無疑會成為納米材料污染較為嚴(yán)重的部分，其對淡水水生生物生理活性的影響不容忽視。國內(nèi)外學(xué)者的大量實驗結(jié)果表明，納米材料對淡水水生生物的影響存在于各個生物層面以及生物整個生存周期的各個階段，例如納米硒導(dǎo)致斑馬魚死亡的胚胎數(shù)以及畸形的胚胎數(shù)均隨納米硒濃度及作用時間的增加呈現(xiàn)增加趨勢，且96hpf的LC50為7.18μmol·L-1；各類納米金屬氧化物都可以產(chǎn)生一定的毒性從而抑制羊角月牙藻的活性；溶血性磷脂酰膽堿包覆的水溶性單壁碳納米管在濃度為20mg·L-1時就可以導(dǎo)致大型潘全部死亡。全面研究納米材料的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)，以保護納米材料安全進入市場，保障我國納米技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前研究發(fā)展的重要趨勢。
本文對納米材料進行簡單介紹，分析納米材料進入水環(huán)境的相關(guān)途徑，并總結(jié)幾類常見納米材料對淡水水生生物的毒性作用，以期為以后全面開展相關(guān)研究及對納米材料的安全性評價提供思路。
1納米材料
1.1納米材料的概況
美國國家納米計劃把納米材料定義為粒徑在1～100nm范圍內(nèi)的材料，它屬于原子簇與宏觀物體交界的過渡狀態(tài)，既非典型的微觀體系，又非典型的宏觀體系，在傳導(dǎo)性、反應(yīng)性和光敏性等方面顯示出許多獨特的性質(zhì)。
納米粒子因其比表面積大，表面活性中心多，在催化活性和選擇性方面大大高于傳統(tǒng)催化劑。而納米材料的小尺寸效應(yīng)使得材料在聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等方面產(chǎn)生優(yōu)于普通材料的新特性。由于納米尺度下物質(zhì)的特殊性質(zhì)，在納米尺度控制和操縱物質(zhì)并對其進行加工在各個領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料給我們的生活帶來了巨大的變化，但同時納米材料的生物安全性現(xiàn)在還是未知數(shù)，關(guān)于它對健康的影響也還沒有一套較為成熟的分析方法。
1.2納米材料進入淡水水體的途徑
在納米尺度上的材料種類十分繁多，其中有相當(dāng)多數(shù)量的材料會對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生不同程度的危害，成為環(huán)境污染物。大部分集中在納米尺度范圍內(nèi)的污染物在遷移轉(zhuǎn)化的過程以及環(huán)境行為上都有著許多共同特征，因此可以統(tǒng)稱為環(huán)境納米污染物（Envi-ronmentalNano-Pollutants，ENP）。顧名思義，納米材料是環(huán)境納米污染物的一個重要組成部分，它可以通過多種途徑進入到生態(tài)環(huán)境中并對淡水環(huán)境造成污染。因此，全面了解納米材料進入淡水水體的途徑有助于后期納米材料對淡水生態(tài)環(huán)境的毒性研究。
納米材料從生產(chǎn)至最終處理的整個過程中，必然會通過各種途徑以廢棄物的形式進入淡水水體，并產(chǎn)生一定的生物影響和生態(tài)效應(yīng)?？偨Y(jié)起來主要包括以下幾個方面：①生產(chǎn)相關(guān)納米材料的工廠以及實驗室仍然是納米材料最為集中的場所，大量納米材料在生產(chǎn)和實驗的過程中會直接作為廢棄物排放到環(huán)境中；②納米材料作為醫(yī)藥界的寵兒被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像、診斷、藥物的靶向運輸以及癌癥的治療等方面，雖然不直接作用于環(huán)境，但最終處理時仍然以固體或液體廢棄物的形式進入環(huán)境；③化妝品、防曬霜、防曬的針織衫等產(chǎn)品作為目前廣大群眾的日常生活用品被大量需要，但在清洗過程中會直接導(dǎo)致其中的納米成分進入生活污水從而流失到環(huán)境中，L.Geranio的研究就發(fā)現(xiàn)加入漂白劑或者過氧化氫的針織物會在衣物清洗的過程中釋放出大量的Ag-NPs；④納米材料本身由于各種原因直接釋放納米離子進入環(huán)境中，例如在對鋰離子電池進行回收利用時過高的熔煉溫度會導(dǎo)致納米材料中的污染物質(zhì)釋放出來；⑤納米顆?？芍苯游皆谄渌廴疚锷匣蛘咴谔幚磉^程中與其他物質(zhì)反應(yīng)從而轉(zhuǎn)化成新的有毒污染物進入水體。
目前關(guān)于納米材料進入環(huán)境的具體途徑、在環(huán)境中的遷移形式以及影響其毒性的外在因素的研究還不夠全面，但是StoiberTasha已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水的硬度以及納米材料表面的覆蓋物會對納米銀粒子中的Ag溶解到水環(huán)境中產(chǎn)生一定的影響。因此，為了切實控制納米材料的潛在污染，必須要了解納米材料在生產(chǎn)和使用過程中的排放特征、規(guī)律及釋放條件，從而根據(jù)其規(guī)律進行安全評估并制定一系列可行方案。
2幾類常見納米材料對淡水水生生物的毒性作用
水環(huán)境是各種納米材料暴露特別危險的環(huán)境，因為它對大多數(shù)環(huán)境污染物來說就是一個大型水槽。并且納米材料被認(rèn)為是具有潛在的流動性的，因此進入水環(huán)境中的納米材料會產(chǎn)生我們無法預(yù)計的環(huán)境和生態(tài)影響。
目前，國內(nèi)外關(guān)于納米材料的生態(tài)毒理性研究主要從兩個方面進行：一方面是通過室內(nèi)模擬控制變量，觀察已定條件下納米材料對生物的影響；另一方面是原位分析，通過在特定環(huán)境條件下考量外界因素在納米材料對生物產(chǎn)生生態(tài)毒性中所起的作用。關(guān)于測定的指標(biāo)，大部分學(xué)者主要集中在對抗氧化防御系統(tǒng)如超氧化物歧化酶（SOD）和生物生理性指標(biāo)如發(fā)育繁殖和體內(nèi)負(fù)荷等方面進行觀察與測定，但是更多的學(xué)者開始研究納米材料對生物在細(xì)胞層面上的毒性以及基因毒性，并結(jié)合常規(guī)測定指標(biāo)從更小的尺度考慮納米材料對水生生物的潛在危害。
2.1碳納米材料
碳納米材料，顧名思義是由碳元素組成的新型納米材料，常見的有富勒烯（fullerene）、碳納米管（carbonnanotubes）和石墨烯（graphene）及其衍生物等。碳納米材料可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，例如碳納米管和石墨烯可以利用成診斷和治療的工具來為人類的疾病服務(wù)，也可以應(yīng)用在傳感器和電子產(chǎn)品中，最新的報道還顯示碳納米管和氧化石墨烯正在作為能量儲存裝置被開發(fā)。但是碳納米材料的大量使用必然會導(dǎo)致其中一定量的納米顆粒流入淡水生態(tài)環(huán)境從而對水生生物造成影響。
碳納米材料在進入水環(huán)境較短時間內(nèi)就可以減少藻類的密度，這可能是由于ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞膜的損傷造成的，而這種影響會隨著暴露時間的延長加大對藻類生長的抑制作用，且存在一定的劑量效應(yīng)關(guān)系。進一步的試驗證明碳納米材料不僅可以改變藻類的細(xì)胞完整性，使其死亡進而致使種群數(shù)量減少，而且可以通過食物鏈進行遷移或生物放大。試驗結(jié)果表明，10μg·g-1的C60就可造成萊茵衣藻大量死亡，而這些藻類體內(nèi)的納米顆粒還可借助捕食行為轉(zhuǎn)移到以藻類為食的大型蚤體內(nèi)。而大型蚤作為食物鏈中的初級消費者，不僅可以通過類似捕食的形式吸附到含有納米顆粒的細(xì)菌，還可以直接從水體中吸收納米顆粒，多種接觸方式會致使其體內(nèi)累積大量納米顆粒并產(chǎn)生危害。
魚類作為淡水水體中較大的消費者，同樣可以通過類似呼吸等方式直接吸人納米顆粒，也能通過攝食含有納米顆粒的低級消費者或生產(chǎn)者的途徑使體內(nèi)積累一定量的納米顆粒，從而造成機體損傷。有研究表明，在短期暴露情況下，單壁碳納米管（SWCNTs）、羥化多壁碳納米管（OH-MWCNTs）和羧酸鹽多壁碳納米管（COOH-MWCNTs）均會誘導(dǎo)金魚產(chǎn)生氧化應(yīng)激，MDA濃度和SOD的活性增強，且3種碳納米管對金魚肝臟的影響程度為SWCNTs>OH-MWCNTs>COOH-MWCNTs，而堿性條件下三者對金魚的毒性還會增強。鯽魚長期在低劑量的碳納米材料中暴露，同樣會造成機體組織的氧化應(yīng)激，肝臟組織中SOD、CAT被顯著誘導(dǎo)，與此同時腦組織GSH含量不斷下降，機體抗氧化能力衰竭，而nC60甚至可以導(dǎo)致大嘴鱸魚腮部的GSH耗竭。且隨著在碳納米材料中暴露時間和暴露濃度的增加，魚類腦部受到的影響越發(fā)明顯。
碳納米材料單獨暴露即對水生生物產(chǎn)生一定危害，但現(xiàn)實環(huán)境中只單單存在一種有毒物質(zhì)的情況是比較少見的，因此劉珊珊等以銅銹環(huán)棱螺作為受試生物，發(fā)現(xiàn)不同管徑多壁碳納米管存在時Cd在螺體內(nèi)的積累量明顯增加，且小管徑較大管徑促進效果更加顯著。同時，在中、高Cd（25～100μg·g-1）濃度條件下，MWCNTs顯著增加了Cd的生態(tài)毒性，與肝胰臟中Cd的積累水平相吻合，SOD和MDA活性受抑制，含量下降。而羥化微碳納米管（OH-MWCNTs）在單獨暴露時對大型蚤是沒有致死毒性的，但是在同樣的模式下，當(dāng)其濃度超過5.0mg·L-1時就會顯著增加鎳的毒性。上述試驗均表明納米碳材料和金屬復(fù)合比2種污染物單獨暴露時對生物產(chǎn)生的影響更為嚴(yán)重。雙軟殼類同螺類都有堅實外殼保護，且運動緩慢，運動范圍較為固定，因此ThiagoLopesRocha等認(rèn)為雙軟殼類是監(jiān)測人工納米材料危害的關(guān)鍵性模型物種。
納米金剛石也是一種由碳元素組成的新型納米材料，可應(yīng)用于熒光標(biāo)記或抗體載流子等方面。在慢性暴露時，當(dāng)濃度高于1.3mg·L-1時就會出現(xiàn)抑制大型蚤繁殖的情況，當(dāng)濃度達到12.5mg·L-1時則會直接造成大型蚤100%的死亡，且在光學(xué)顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn)納米金剛石顆粒主要吸附在大型蚤的外骨骼表面，并積累在腸胃部分。而暴露在納米金剛石溶液中同樣也會對亞洲蛤產(chǎn)生氧化應(yīng)激，使消化腺的細(xì)胞產(chǎn)生空泡或者變厚。當(dāng)前還有一種碳納米材料是棉纖維納米材料，MicheleMunk用大型絲綠藻一克里藻作為指示生物研究了纖維素納米材料的生態(tài)毒性。并發(fā)現(xiàn)其同樣會抑制藻類的繁殖，并會導(dǎo)致藻類的形態(tài)發(fā)生變化，造成物理損傷。導(dǎo)致這些變化的原因可能是納米材料直接接觸到細(xì)胞膜、細(xì)胞壁，或者是因為氧化應(yīng)激而產(chǎn)生ROS。
各類碳納米材料對淡水生態(tài)系統(tǒng)中各食物鏈營養(yǎng)級的水生生物顯然均有不同程度的影響，而碳納米材料本身在生產(chǎn)和使用過程中就有可能對生物和人體產(chǎn)生危害，因此關(guān)于生物器官、組織以及細(xì)胞等方面的毒性研究非常重要，只有完全了解碳納米材料的致毒機理才有可能在其生產(chǎn)和使用過程中盡量減少或避免危害的發(fā)生。
2.2納米金屬氧化物
納米金屬氧化物不僅具有小尺寸、表面能高、表面原子配位不全等納米材料具備的特點，還有其獨特的半導(dǎo)體特性，這使其催化和反應(yīng)活性較之傳統(tǒng)材料均有很大的提高，為固體推進劑技術(shù)的新發(fā)展和性能的上臺階開辟了新思路。納米金屬氧化物主要包括納米氧化鋅、納米氧化銅、納米二氧化鈦、納米二氧化硅等，每種納米材料都因其特有的性能而被廣泛應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。例如，納米氧化鋅被大量應(yīng)用于橡膠工業(yè)、陶瓷、油漆、導(dǎo)電材料等方面，而作為一種廣譜的無機紫外線屏蔽劑，其在化妝品行業(yè)更是有著無限的應(yīng)用機會。納米氧化銅則由于其良好的抗菌性能，被應(yīng)用于涂層、食品包裝、生物醫(yī)藥等方面的產(chǎn)品，而其較高的分析靈敏度、催化性能以及脫硫性能，也使其被廣泛應(yīng)用于傳感器、超導(dǎo)材料以及工業(yè)除硫。納米TiO2同樣可用于化妝品行業(yè)，還可氧化降解水及空氣中的烴類、有機磷殺蟲劑、甲醛等污染物質(zhì)，有效進行污水處理及空氣凈化，制造高級抗菌自潔衛(wèi)生陶瓷、餐具等。納米金屬氧化物繁多的種類以及頻繁的使用，使得我們必須加大對其安全性的評估。
2.2.1納米氧化鋅在低濃度（1～5mg·L-1）的情況下，nZnO和nTiO2對斜生柵藻生長均起促進作用，一定濃度后表現(xiàn)為抑制作用，呈現(xiàn)濃度依賴性，但與nTiO2相比，nZnO具有較明顯的毒性。進一步的試驗表明，在24h急性暴露下，0.01～31.25mg·L-1nCuO、nCdO、nPbO、nZnO均可抑制大型水蚤和剪形臂尾輪蟲的活性，甚至當(dāng)水溫在27.5～32.5℃且光照情況發(fā)生變化時導(dǎo)致其死亡，但nZnO顯示出更大的毒性。而關(guān)于納米金屬氧化物在硬骨魚類體內(nèi)的清除狀態(tài)，張陽等的實驗結(jié)果顯示在28d暴露階段，nZnO和nCuO在斑馬魚體內(nèi)均不具有生物蓄積性，在24d清除階段，nCuO可以有效排除，但是nZnO的清除仍不完全。
以上一系列數(shù)據(jù)顯示nZnO較部分納米金屬氧化物而言具有較大的毒性，因此關(guān)于nZnO的具體致毒機理有必要細(xì)致研究。劉慧等通過實驗發(fā)現(xiàn)nZnO可以顯著誘導(dǎo)鯽魚肝臟產(chǎn)生自由基，并且自由基信號強度和MDA含量隨nZnO濃度的升高呈先升高后降低的趨勢。同樣在斑馬魚腸組織也會產(chǎn)生一定氧化應(yīng)激作用，誘導(dǎo)腸中細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達，并且能對腸組織結(jié)構(gòu)造成損傷。對于白亞口魚而言，其心肺功能和能量代謝也同時會受到一定程度的影響。貽貝類作為底棲動物的一種也是研究者較為喜歡的模型物種之一，HalinaFalfushynska則以貽貝類作為研究對象，基于上述試驗結(jié)果進一步研究了nZnO的具體生物毒性。從試驗結(jié)果中可以看出，nZnO的毒性不單單是由Zn2+的釋放引起的，所以它的毒性較單獨的重金屬可能要大。而在堿性條件下nZnO顆粒穩(wěn)定性較強，減緩了Zn2+的釋放速度，從而會降低nZnO的毒性。水溫也是影響nZnO毒性的一個重要的因素，nZnO的毒性會因為水溫的升高而增大。當(dāng)試驗水溫在18℃時會造成細(xì)胞DNA的損傷，而這種損害在nZnO單獨暴露時是不存在的。但是當(dāng)nZnO與Nfd或Ta等有機污染物聯(lián)合暴露時，會顯現(xiàn)出更為強烈的生物毒性。
2.2.2納米氧化銅底棲生物具有易獲取、生活周期長、活動能力差，活動范圍固定、對毒性有較強靈敏度等特點，可以較好地反應(yīng)生存環(huán)境的實際污染情況，因此被許多研究者青睞。就此，關(guān)于nCuO的毒性機理，許多學(xué)者選擇以淡水田螺作為受試生物進行研究。nCuO與田螺交互作用時會產(chǎn)生毒性，并且田螺會通過消化腺的氧化應(yīng)激對此進行調(diào)節(jié)，但是通過彗星試驗發(fā)現(xiàn)田螺的DNA已經(jīng)發(fā)生了損傷。TinaRamskov則對寡毛綱動物帶絲蚓染毒途徑進行了深入的探索，發(fā)現(xiàn)沉積底泥對帶絲蚓的攝食速率和同化作用的影響均比水溶液要強，因此在未來的研究中沉積物應(yīng)當(dāng)作物水生生物接觸和吸收有毒物質(zhì)的重要途徑來考慮。
以上試驗均是nCuO單獨暴露時對生物的影響，基于有機污染物和nZnO聯(lián)合暴露時比nZnO單獨暴露時對生物毒性的加劇，部分學(xué)者同樣考慮了nCuO復(fù)合暴露時的生物毒性。碎食者Allogamusligonifer的攝食速率會隨著納米顆粒尺寸的下降而抑制效果增強，但當(dāng)腐殖酸（HA）和nCuO聯(lián)合暴露時會緩解因為納米顆粒較小而造成的抑制效果，同時可以增加其在沉積物中的分散穩(wěn)定性，從而更容易被銅誘環(huán)棱螺攝取，Cu2+的生物積累也會隨腐殖酸水平的增加而顯著升高。不僅如此，當(dāng)納米氧化銅表面覆蓋聚合物外殼時，其對膨脹浮萍的毒性是普通納米氧化銅顆粒的10倍。急性暴露條件下大型蚤對nCuO較為敏感，而慢性毒性實驗中核殼氧化銅則對其產(chǎn)生了更為嚴(yán)重的生物毒性。這可能是由于聚合物外殼降低了離子的釋放率，從而延長了粒子的壽命和毒性效應(yīng)，使其能夠在更長的時間內(nèi)對生物造成影響。
2.2.3納米二氧化鈦關(guān)于nTiO2對水生生物的毒性研究方向與其他納米材料相比是較為廣泛的。尺寸較?。?lt;10nm）的nTiO2顆粒在低暴露濃度下對藻類的生長抑制程度要高于尺寸較大的顆粒，這與nCuO對藻類產(chǎn)生的毒性相似。同時當(dāng)Cd和nTiO2聯(lián)合暴露時會增加Cd在藻類體內(nèi)的生物利用度，與Cu聯(lián)合暴露時大型蚤機體的抗氧化體系受到活性氧自由基（ROS）攻擊已經(jīng)崩潰，而Cd和Zn被吸附在nTiO2顆粒上時會更加容易被水蚤所吸收。在此基礎(chǔ)上，SwayampravaDalai對杜比亞水蚤在兩種接觸nTiO2顆粒的模式進行了對比，發(fā)現(xiàn)水蚤通過食物鏈即吞食含有納米顆粒的藻類而加大體內(nèi)富集量的比例占到了70%左右，大大高于直接從水溶液中攝取的nTiO2顆粒。關(guān)于nTiO2顆粒的基因毒性，運用彗星實驗和PAPD-PCR技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)nTio2對硬骨魚類斑馬魚在高濃度下會產(chǎn)生基因毒性，損傷其DNA，而在大鱗大麻哈魚的CHSE-214細(xì)胞系中也發(fā)現(xiàn)nTio2顆粒會產(chǎn)生一定的細(xì)胞毒性，且與抗氧化防御系統(tǒng)指標(biāo)（SOD、CAT、GSH）具有一定的劑量效應(yīng)關(guān)系。根據(jù)以上試驗結(jié)果，可以進一步研究基因毒性與抗氧化防御系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而為魚類作為監(jiān)測納米金屬氧化物敏感生物提供更多可觀測指標(biāo)。
原位分析作為研究性實驗的最終運用地，在nTiO2顆粒的毒性研究中已經(jīng)有所應(yīng)用。JuliaFarkas在瑞典3個湖的現(xiàn)實水生環(huán)境中研究了nTiO2對細(xì)菌的毒性，結(jié)果證實水源地水的溶解氧（DOC）含量和化學(xué)元素含量均對nTiO2的生物毒性造成了不同的影響。試驗結(jié)果表明：在DOC中、高濃度的湖中，100μg·L-1的nTiO2添加情況下細(xì)菌的豐富度會降低，且低DOC和低化學(xué)元素含量的湖中nTiO2的穩(wěn)定性會增強。各種外界因素均會對nTiO2顆粒的毒性造成一定的影響，而由于nTiO2顆粒特殊的性能，使其對UVA反應(yīng)格外明顯。當(dāng)黑暗狀態(tài)下nTiO2顆粒對大型蚤的影響僅僅是“有害”，但是經(jīng)過UVA照射后就可以定義為“有毒”了。而且nTiO2顆粒由于鈦元素來源的不同而導(dǎo)致其毒性也有所不同。通過投射顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)銳鈦礦NPS破壞了小球藻的細(xì)胞膜和細(xì)胞核，而紅金石NPS則使小球藻的葉綠體和內(nèi)部細(xì)胞器受到一定程度的損傷。
2.2.4其他納米金屬氧化物除了上述幾種常見的納米金屬氧化物，還有一些也會對水生生物造成不同程度的影響和危害。nAl2O3對斜生柵藻生長的96hEC501000mg·L-1，是nTiO2和nZnO的60倍和1000倍，但現(xiàn)實環(huán)境中納米材料的濃度很難達到試驗所測濃度，因此nAl2O3可認(rèn)為基本無毒或低毒。但當(dāng)其與Cd聯(lián)合暴露時，對Cd的生物運轉(zhuǎn)具有明顯的攜帶作用，銅銹環(huán)棱螺體內(nèi)的Cd含量顯著增加且毒性增強，而在上述的nTiO2顆粒毒性研究中同樣得到了相似的結(jié)論。目前關(guān)于納米NiO的相關(guān)研究還較少，但是梁長華以小球藻為受試對象，較為全面地研究了納米NiO的生態(tài)毒理性質(zhì)。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)納米NiO暴露會對小球藻產(chǎn)生生物毒性，表現(xiàn)為低濃度的刺激效應(yīng)和高濃度的抑制效應(yīng)。K.KrishnaPriya則評估了不同濃度的nSiO2對南亞黑鯪的部分血液、離子調(diào)節(jié)和酶譜等方面的影響。他通過對大量血液參數(shù)如血紅蛋白（Hb）、血細(xì)胞比容（Hct）等進行測定，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)在加入nSiO2后均有所變化，并且這些參數(shù)的變化都依賴于劑量和暴露時間，表明這可能與黑鯪生理壓力系統(tǒng)的改變有關(guān)。
納米金屬氧化物本身具有一定程度上的金屬性質(zhì)，會產(chǎn)生某種程度上的生態(tài)影響，且各種納米金屬氧化物對生物的毒性會在某些方面產(chǎn)生相似的影響，但是每種納米金屬氧化物都有其特有的理化性質(zhì)，因此又會產(chǎn)生不同形式的毒性影響。納米金屬氧化物的復(fù)雜性使得其對生物的具體生態(tài)毒性要考慮的方面也較為復(fù)雜，需要更加深層次探索和研究。
2.3納米金屬單質(zhì)
我國目前生產(chǎn)的納米金屬粒子主要有納米銀、納米鐵、納米金等，例如納米銀由于具有優(yōu)異的抗菌性能而被大量商業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、紡織、化妝品、水處理及電子等行業(yè)；納米鐵應(yīng)用在軍事吸波隱形材料、高性能磁記錄材料、磁流體、導(dǎo)磁漿料、高效催化劑、廢水處理等方面。
納米銀是金屬納米顆粒中較為常見的一種，其單獨暴露時可導(dǎo)致日本青鏘胚胎表面絨毛膜破裂、胚胎及內(nèi)容物釋出，或穿過斑馬魚和鱸魚胚胎表面的絨毛膜孔道進人體內(nèi)，同時鱒魚細(xì)胞系（RTL-Wl和TTH-149）也對其毒性做出了類似的敏感性。納米銀顆粒同納米金屬氧化物類似，在水介質(zhì)中溶解后也含有金屬離子，但其與銀離子對毒性的表達模式有所不同。納米銀顆粒主要會阻斷大型蚤體內(nèi)蛋白質(zhì)的新陳代謝和信號轉(zhuǎn)換，但AgNO3則主要是抑制大型蚤的生長發(fā)育，尤其在感官方面較為嚴(yán)重。而當(dāng)大型蚤通過吞食攝入了含有Ag的衣藻時會在攝食上有一個較大程度的減小，但暴露在AgNO3和納米銀溶液中的大型蚤體內(nèi)銀離子積累量相同[。
底棲動物同樣適用于納米銀生物毒性的研究中，最常見的2種生物就是雙軟殼動物和螺類。在慢性暴露試驗下，當(dāng)納米銀和AgNO3的濃度分別為5μg·L-1和63.5μg·L-1時就會發(fā)現(xiàn)指甲蛤的生殖開始出現(xiàn)負(fù)面情況，且2種形式都會改變指甲蛤的抗氧化酶活性。尖膀胱螺在高濃度的納米銀溶液下存活率會降低，但是當(dāng)存在沉積物時會緩解這種情況。而長期暴露在0.01μg·L-1納米銀溶液中，其產(chǎn)卵率就會下降50%，納米銀對尖膀胱螺的危險性相當(dāng)于捕食者的程度。當(dāng)納米銀與17a-乙炔雌二醇聯(lián)合暴露時，則會顯著刺激胚胎發(fā)育。溪流搖蚊作為底棲生物的一種，對納米銀也有著一定程度的反應(yīng)。但是當(dāng)納米銀擁有有機物涂層時，會減小其在基因和氧化應(yīng)激方面的反應(yīng)，這可能是由于有機涂層會一定程度上減小銀離子的釋放，而在nCuO的研究中同樣也發(fā)現(xiàn)了類似的情況。雖然各種文獻表明目前環(huán)境中納米銀粒子的濃度低于環(huán)境預(yù)測濃度，但是大量試驗均已證明即使只有ng·L-1的納米銀粒子也已經(jīng)對水生生物的影響表現(xiàn)出了巨大的潛力。而大量有納米銀參與的商業(yè)產(chǎn)品的使用使得原位分析迫在眉睫。
除了納米銀之外，還有幾種納米金屬材料也值得關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，納米銅對幾種微藻的生長有抑制作用，且粒徑越小，抑制作用越強，與上述幾種材料的研究結(jié)果保持一致。同時還可以累積在虹鱒魚鰓部并通過降低支氣管Na+/K+-ATP酶的活性及血漿的離子濃度來發(fā)揮毒性作用，即納米銅可通過離子調(diào)控機制對虹鱒魚產(chǎn)生毒性作用，但其對虹鱒魚鰓部的抗氧化水平?jīng)]有影響。LanSong則較為全面地對虹鱒幼魚、黑頭呆魚和斑馬魚3種魚球狀50nm的nCu粒子水溶液的毒性進行了評估。確定了3種魚類在CuNPs溶液中96h的LC50分別為（0.68±0.15）、（0.28±0.04）和（0.22±0.08）mgCu·L-1，而96h的CuNPs最低可觀察濃度為0.17、0.23mg·L-1、<0.23mg·L-1。納米金的體外試驗表明其能影響細(xì)胞微自動力，引發(fā)線粒體損傷、氧化壓力和細(xì)胞的自我吞噬，對虹鱒魚肝細(xì)胞亦能產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。目前關(guān)于Au以及Ag-Au雙金屬NPs對微藻的毒性報道還比較少，但是IgnacioMoreno—Garrido對此進行了較為詳細(xì)的總結(jié)，從納米金屬的種類、細(xì)胞大小、時間終端、范圍考慮，發(fā)現(xiàn)其均對微藻細(xì)胞產(chǎn)生不同的影響，并且小顆粒的AuNPs對貽貝的氧化代謝的影響比大顆粒要大。
納米金屬可對水生生物產(chǎn)生毒性，迄今大多研究均表明，其毒性作用可能是由其釋放出的金屬離子及自身的結(jié)構(gòu)共同作用所致，與納米金屬氧化物的毒性有一定程度的相似，但對其毒性機制的探討仍需要進一步的研究。
3結(jié)論與展望
3.1結(jié)論
根據(jù)上述結(jié)果可以對納米材料的毒性進行總結(jié)：①納米顆粒粒徑越小，其毒性越大；②金屬納米材料的主要致毒原因是溶解出來的金屬離子，但也有其他方面的原因；③有機外殼會減緩金屬離子的釋放速率從而減小急性毒性，但是增加了時間延長了金屬納米材料的毒性壽命；④納米材料與其他污染物或有機質(zhì)復(fù)合時會改變本身的毒性效果，但是誰占主導(dǎo)地位還有待研究。
3.2展望
淡水生態(tài)系統(tǒng)是人類資源的寶庫，為人們的日常生活用水提供有力的保障，其中的生物數(shù)量也是非常的龐大，如果無法控制納米材料的流入以及確定其制毒機制，不論是生物、人類還是整個生態(tài)系統(tǒng)都可能產(chǎn)生無法估計的嚴(yán)重后果。而隨著納米材料在各行各業(yè)中的大量使用，其在生物吸收和生物效應(yīng)方面的研究也成為當(dāng)務(wù)之急。但是由于納米材料在不同條件下性質(zhì)會產(chǎn)生不定的改變，而且其生態(tài)危害性評價還依賴于材料自身性質(zhì)（顆粒尺寸及來源）、暴露情況、在環(huán)境中存在的時間、生物體內(nèi)穩(wěn)定性、生物蓄積及生物放大作用等相關(guān)條件，因此納米毒理學(xué)的知識和體系目前尚不完善，還不能完全確定納米材料對生態(tài)系統(tǒng)的影響到底達到何種程度。
因此，今后的研究主要應(yīng)該從以下幾個方面加以考慮：①根據(jù)不同納米材料的不同性質(zhì)研究其在水環(huán)境中對水生生物的毒性作用機制、毒物代謝動力學(xué)及其他體內(nèi)效應(yīng)，同時加強對納米材料與其他環(huán)境污染物交互作用的研究；②納米材料可在水環(huán)境之間遷移或轉(zhuǎn)化，應(yīng)當(dāng)建立一套納米材料在不同水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化模型，并通過模型對納米材料在生物中的蓄積和生物降解過程做進一步的比較和研究，從而確定毒性在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況；③不同學(xué)者會根據(jù)自身實驗條件選擇不同的生物模型，但應(yīng)當(dāng)通過相應(yīng)敏感實驗確定某種生物以用來進行原位分析，為實地毒性檢測和預(yù)防提供幫助；④相關(guān)檢測儀器的缺乏使得很多實驗進行緩慢甚至無法完成，因此發(fā)展新的檢測方法和儀器也應(yīng)當(dāng)是今后研究的重點。
第2篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：納米材料；納米技術(shù)；環(huán)境安全；環(huán)境治理
納米材料指的是晶粒尺寸為納米級（10-9μm）的超細(xì)材料，納米科技的發(fā)展速度將超過其他研究領(lǐng)域，而逐漸成為世界科學(xué)發(fā)展的核心領(lǐng)域，納米科技將為人類帶來一場新的技術(shù)革命。如今，環(huán)境安全問題已經(jīng)成為全球國家關(guān)注的重點問題，隨著人類社會的不斷發(fā)展，工業(yè)化程度越來越高，隨之而形成的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，大氣污染、水污染等問題正困擾著人類科學(xué)家。近年來，不斷有科學(xué)家將納米技術(shù)和納米材料應(yīng)用到環(huán)境治理工作中，取得了突破性的進展。
一、納米材料的特征
1.表面效應(yīng)。納米材料與其他科技材料不同，其會隨著時間的變化而形成不同的形態(tài)，利用顯微鏡對其表面進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，這些超微顆粒沒有骨齡的形態(tài)，而是不斷的變化，這與普通的固體形態(tài)和液體形態(tài)都有著很大的區(qū)別。當(dāng)納米超微粒徑在10μm以下時，材料表面的原子會形成一種類似沸騰的運動狀態(tài)；當(dāng)粒徑尺寸超過10μm時，則表面趨于穩(wěn)定。由此可以看出，超微顆粒的活性很強，如果帶有金屬性質(zhì)的超微顆粒暴露在空氣中，會在短時間內(nèi)發(fā)生自燃，因此為了避免自燃現(xiàn)象，通常在金屬顆粒的表面都會包裹一層氧化膜，以此來增強納米晶粒的穩(wěn)定性。納米材料這種特殊的表面效應(yīng)，受到了催化劑研究領(lǐng)域的熱捧，被廣泛的應(yīng)用于高效催化劑的制造。
2.小尺寸效應(yīng)。納米材料的晶體尺寸都很小，而且在一定的條件下，尺寸的量變會引起材料性質(zhì)的質(zhì)變，這種特殊的效應(yīng)被稱為小尺寸效應(yīng)。晶粒的尺寸越小，則其結(jié)構(gòu)表面的變化就會越大，這對于很多特殊的科學(xué)領(lǐng)域有十分重要的作用，如光學(xué)、力學(xué)、升學(xué)等，都可以利用納米材料的小尺寸效應(yīng)實現(xiàn)這些領(lǐng)域中的特殊技術(shù)研發(fā)。
二、納米材料在環(huán)境安全領(lǐng)域中的應(yīng)用
1.大氣污染治理中的應(yīng)用。目前，大氣污染主要表現(xiàn)在空氣中的硫化物含量過高、汽車尾氣和室內(nèi)空氣污染等幾個方面。第一，利用納米材料對大氣中的硫化物凈化。硫化物含量過高是引起大氣污染的主要因素，尤其是煤炭資源的燃燒產(chǎn)生的二氧化硫、一氧化碳等有害氣體，是產(chǎn)生硫化物的主要途徑。因此可以在煤炭燃燒的過程中加入納米級催化劑，不僅有利于促進煤炭的充分燃燒，減少二氧化硫氣體的產(chǎn)生；同時也可以提高煤炭能源的利用效率，可以使二氧化硫氣體轉(zhuǎn)化為固體，對其進行回收和處理，可以極大的減少由于煤炭燃燒而導(dǎo)致的硫化物產(chǎn)量。第二，用納米材料對汽車尾氣進行治理。汽車排放的尾氣對人體健康危害較大，而且對大氣環(huán)境也會造成嚴(yán)重的污染。如果可以運用納米材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃料，則可以有效的減少汽車尾氣中的有害物質(zhì)。因此可以選擇納米復(fù)合材料制備與組裝的汽車尾氣傳感器，對汽車排放的尾氣量和有害物質(zhì)含量進行實時監(jiān)測，當(dāng)尾氣的排放量超過標(biāo)準(zhǔn)時，就會發(fā)出警報，并且及時做出空燃比的調(diào)整，以此來減少富有燃燒狀態(tài)產(chǎn)生的有害氣體，不僅可以對汽車尾氣達到有效的治理，還可以減少燃油的消耗量。第三，室內(nèi)空氣的凈化。在室內(nèi)裝修過程中產(chǎn)生的有害氣體對人體造成的危害，往往更加嚴(yán)重，而且室內(nèi)的密閉空氣中有害氣體的含量也超于室外環(huán)境，室內(nèi)空氣污染的有害氣體主要有甲醛、苯等，利用納米材料則殺死空氣中的有害物質(zhì)，達到凈化空氣的目的。納米TiO2經(jīng)光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)組成成分進行生化反應(yīng)， 使細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并且使細(xì)菌死亡后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解。
2.在水污染治理方面的應(yīng)用。對于水污染的治理，主要從無機污染廢水、有機污染廢水和自來水治理等領(lǐng)域匯總。對于無機污染廢水來說，其中含有大量的重金屬，這不僅造成了資源的浪費，也會對人體產(chǎn)生較大危害。而納米粒子則可以與水中的重金屬離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，促進重金屬離子的還原，如納米TiO2粒子，可以通過其自身的氧化作用，吸引汞離子、銀粒子等重金屬離子吸附其表面，達到還原重金屬離子的目的，既可以實現(xiàn)廢水的凈化，也可以對水中的重金屬離子進行回收。有機污染廢水治理的主要原理，是對有機污染物進行催化、降解處理，而納米TiO2粒子具有很強的催化作用，因此可以實現(xiàn)對廢水中有機污染物的催化和降解，將廢水中的有機污染物進行催化氧化形成水和一氧化碳等物質(zhì)，達到凈化的目的。當(dāng)前，利用納米TiO2粒子可以催化和降解的有機污染物達80多種，利用納米TiO2粒子凈化后的有機污染廢水，可以作為灌溉、工業(yè)用水等其他用用途。自來水是與人們生活息息相關(guān)的水源，利用納米材料作為凈化自來水的介質(zhì)，可以吸附水中的懸浮物，去除水中的鐵銹、泥沙等物質(zhì)，達到凈化自來水的目的。納米級凈水劑是當(dāng)前自來水凈化領(lǐng)域中應(yīng)用的新型納米科技，其具有超強的吸附能力，可以將污水中的懸浮物和顆粒吸附于表面，再形成沉淀物，進過處理后，就可以得到純凈水。
3.在其它環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。除了大氣污染、水污染的治理以外，納米材料在噪聲污染治理、固體廢棄物處理以及照明工程都有著廣泛的應(yīng)用。噪聲污染是工業(yè)時代常見的污染，車輛、設(shè)備等發(fā)動機的噪聲可以達到上百分貝，將納米科技應(yīng)用到設(shè)備中，可以通過納米顆粒對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的撞擊和摩擦變得輕微，噪聲也隨之減少。同時納米材料還具有較強的作用，可以延長設(shè)備的使用時間。對于固體廢棄物的處理，則主要是運用納米科技將廢棄物進行超微處理，使其形成超微粉末，進行回收和再利用。在照明工程中，可以應(yīng)用納米材料光致發(fā)光特性，充分利用太陽能的照明作用，減少對能源和資源的消耗，也可以降低火力發(fā)電過程中排放的污染物。
三、納米材料的應(yīng)用趨勢
納米材料是目前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，關(guān)于納米材料在環(huán)境安全領(lǐng)域中的研究工作不斷深入，對于納米材料實用性的研究也來越多，這對于緩解大氣污染、水污染等環(huán)境問題的治理將會起到很大的推動作用。納米技術(shù)的應(yīng)用除了可以用于環(huán)境治理，同時也可以融入到人類的生活和生產(chǎn)中，提高人們對環(huán)境保護問題的重視程度，并且改善破壞環(huán)境的行為，將治理轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防，這是納米材料與環(huán)境安全領(lǐng)域結(jié)合的必然趨勢。然而，納米技術(shù)雖然擁有廣闊的發(fā)展前景，但是其在環(huán)境安全領(lǐng)域中的應(yīng)用尚不成熟，因此仍然需要我們不斷的探索和研究，才能促進納米技術(shù)和納米材料的有效運用。
結(jié)束語
綜上所述，本文著重探討了納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用，隨著納米研究工作的持續(xù)開展，納米科技在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用也將更加廣泛，在改變?nèi)藗儹h(huán)保觀念、改善人類環(huán)境行為方面也將發(fā)揮重要的作用。納米科技作為一門新興的科學(xué)，對環(huán)境安全領(lǐng)域產(chǎn)生的影響也是深遠(yuǎn)的，而將納米材料應(yīng)用于環(huán)境安全領(lǐng)域，成為環(huán)境保護的主流科技也是必然的趨勢。（作者單位：廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院）
參考文獻：
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第3篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：金屬納米材料；激光燒蝕法；銀等離子體
1 激光燒蝕法制備銀納米粒
常規(guī)制備納米粒子的方法主要包括：化學(xué)還原方法、電化學(xué)還原法、光還原法、金屬蒸汽沉積法、磁控濺射法、微波還原法和激光燒蝕法等等。下面針對激光燒蝕法制備銀納米粒子進行簡單介紹：這種方法是通過具有高功率密度的激光器對固體靶材表面進行照射，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，根據(jù)等離子體的特性可知，其內(nèi)部具有大量的電子、原子、離子、團簇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
通過改變溫度，壓強和其他制備環(huán)境，可以控制等離子體形成的各種離子團簇，形成具有納米尺寸的粒子。與傳統(tǒng)方法相比，該方法可以獲得更高純度的納米級別的溶膠，同時還能夠在表面形成具有納米級別的燒蝕坑的靶的形狀。該方法的優(yōu)勢在于其對制備環(huán)境要求較低，制備的銀納米粒子均勻性好，一般以球狀形式存在。
2 銀納米粒子的特性分析
對于制備后的銀納米顆粒的特性研究只要是通過光譜法進行特性分析的，通常采用以下幾種光譜分析的方法：（1）紫外-可見吸收光譜法；（2）X射線衍射法；（3）電子顯微鏡。
由于金屬納米粒子對各個波段的光具有不同的吸收的特點，通常對其進行特性的物理或者化學(xué)性質(zhì)進行定量分析，判斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。不同的金屬納米粒子由于表面的形狀的不同，導(dǎo)致其表面等離子體共振吸收峰所對應(yīng)的形態(tài)不同，另外由于尺寸上的差異其吸收峰的半高寬也不同，這樣我們可以通過吸收峰的三大特性-位置、半高寬和峰值強度表征納米粒子的情況。若吸收峰當(dāng)前的位置發(fā)生紅移，證明納米粒子顆粒變大，若其半高寬變寬，證明粒子尺寸分布越來越廣泛，若峰值強度變大，表明粒子數(shù)濃度增大。對于金屬納米粒子Au和Ag納米顆粒及其外層納米可層的光學(xué)特性的研究，紫外可見光吸收光譜法成為了研究其最簡單、方便的方法之一。該方法充分利用了金屬納米粒子在紫外可見光波段具有吸收帶的特性，該特性是金屬顆粒表面等離子體共振激發(fā)導(dǎo)致的。
銀納米粒子的光學(xué)性質(zhì)，當(dāng)入射波長遠(yuǎn)大于金屬粒子的大小時候，在外部電場的作用下，其內(nèi)部的粒子內(nèi)的電子云產(chǎn)生振蕩，若電場頻率與內(nèi)部電子云頻率一致會發(fā)生共振現(xiàn)象，該現(xiàn)象統(tǒng)稱為表面等立體共振（SPR）。
銀納米粒子由于它的尺寸效應(yīng)，使得其表面積能夠盡可能的與微生物的表面進行接觸的概率增加，相較于傳統(tǒng)銀系抗菌材料相比，其抗菌特性十分顯著。
銀納米粒子也具有催化性質(zhì)，主要是由于在半導(dǎo)體粒子表面沉積的過量貴金屬成為光生電子和空穴的復(fù)合中心，而不再是光生電子的捕獲陷阱。
3 金屬納米粒子催化，磁性，生物學(xué)等方面的應(yīng)用
由于納米金屬顆粒具有的表面面積大、小尺寸、量子尺寸和宏觀隧道效應(yīng)等特殊的性質(zhì)，使其在催化、磁、生物醫(yī)學(xué)等方面獲得了常規(guī)材料無法具備的特殊的優(yōu)異性質(zhì)。
催化應(yīng)用方面：由于納米粒子的尺寸小，表面接觸面積大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與粒子內(nèi)部不同，表面原子配位不足等導(dǎo)致表面的活性位置增多，吸附能力強，這樣的特性使得他具備了催化劑的最基本的條件。
磁性應(yīng)用方面：實驗研究表明，納米磁性顆粒具有無毒無害、容易奮力的特性，同時由于尺寸和形狀的差異，金屬納米粒子具有著不同的磁學(xué)特性，納米級別的磁性材料相較于常規(guī)材料磁性會高出很多倍，在磁性材料方面應(yīng)用前景廣闊。
生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的治療方面，由于納米化的藥物的特殊形態(tài)，使得他把病變組織與藥物的接觸面積大大增加，這樣可以大大增加藥效。同時納米化的藥物可以通過人體中的最小的末梢毛細(xì)血管，血腦屏障，使得藥物具有很強的靶向性，能夠最大限度的對疾病進行定點治療。
4 結(jié)束語
文章通過探討激光燒蝕銀等離子體特性分析，介紹了激光法制備銀等離子體納米粒子的方法，通過對生成的銀鈉納米粒子進行分析，進一步深化了銀納米粒子的應(yīng)用前景。通過對金屬納米粒子催化，磁性，生物學(xué)等方面的應(yīng)用的介紹，使人們對于激光燒蝕銀等離子技術(shù)的應(yīng)用有了基本的宏觀認(rèn)識。
參考文獻
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第4篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
1.1納米技術(shù)
納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末誕生且正在崛起的新技術(shù)，主要是在0.1-100nm尺度范圍內(nèi)，研究物質(zhì)組成的體系中電子、原子和分子運動規(guī)律與相互作用，其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子，研制出人們所希望的、具有特定功能的材料和制品。納米科技將成為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流，它不僅是信息技術(shù)、生物技術(shù)等新興領(lǐng)域發(fā)展的推動力，而且因其具有獨特的物理、化學(xué)、生物特性為涂料等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的機遇。
1.2納米材料
納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，其晶粒中原子的長程有序排列和無序界面成分的組成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子達15%～50%，且原子排列互不相同，界面周圍的晶格原子結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，使得納米材料成為介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[1]。狹義上，納米材料是指粒徑在0.1-100nm范圍內(nèi)的或具有特殊物理化學(xué)性能的材料。廣義上，納米材料是指在三維空間中至少有一維長度在0.1-100nm范圍內(nèi)的或具有納米結(jié)構(gòu)的材料。按化學(xué)組成可分為:納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料等。由于納米材料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和一些奇異的光、電、磁等性能，將其用于涂料中后，除了可以改性傳統(tǒng)涂料外，更為重要的是可以制備各種功能涂料，如具有抗輻射、耐老化、抗菌殺菌、隱身等特殊功能的涂料。
2納米材料在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用
現(xiàn)階段納米材料在涂料中的應(yīng)用主要為兩種情況[2]：（1）納米材料經(jīng)特殊處理后，添加到傳統(tǒng)涂料中分散后制成的納米復(fù)合涂料（Nanocompositecoating），使涂料的各項指標(biāo)均得到了顯著的提高。將納米離子用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料稱為納米復(fù)合涂料。（2）完全由納米粒子和有機膜材料形成的納米涂層材料，通常所說的納米涂料均為有機納米復(fù)合涂料。目前，用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、納米金屬粉末（如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、無機鹽類（CaCO3）和層狀硅酸鹽（如一堆的納米級粘土）[3]。
2.1納米TiO2在涂料中的應(yīng)用
2.1.1隨角異色效應(yīng)
由于納米二氧化鈦晶體的粒徑大約是普通鈦白粉的1/10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可見光的波長，本身具有透明性，又對可見光具有一定程度的遮蓋，透射光在鋁粉表面反射與在納米二氧化鈦表面反射產(chǎn)生了不同的視覺效果。到1991年，全世界已有11種含超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆。目前，福特、克萊斯樂、豐田、馬自達等許多著名的汽車制造公司都已使用含有超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆[4]。
2.1.2抗老化性能
提高材料抗老化性能的傳統(tǒng)方法是添加有機紫外線吸收劑，納米TiO2粒子是一種穩(wěn)定的、無毒的紫外光吸收劑。因為用作涂料基料的高分子樹脂受到太陽中紫外線的長期照射會導(dǎo)致分子鏈的降解，影響涂膜的物理性能，因此若能屏蔽太陽光中的紫外線，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭剛[5]等研究發(fā)現(xiàn)利用金紅石型納米TiO2優(yōu)異的紫外線屏蔽性能改性傳統(tǒng)耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。
2.1.3抗菌殺毒
納米TiO2有抗菌殺毒作用，用于涂料是涂料發(fā)展中的一個重大成就。納米二氧化鈦具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移動的帶負(fù)電的電子e-和帶正電的空穴h+形成電子——空穴對，該電子——空穴對能與空氣中的氧和H2O發(fā)生作用，通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成原子氧（O）氫氧自由基（OH），這種原子氧和氫氧自由基具有很高的化學(xué)活性，能與細(xì)菌中的有機物反應(yīng)生成二氧化碳和水，從而達到殺滅細(xì)菌的作用。[6]
納米TiO2的抗菌殺毒作用已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。日本已有不少企業(yè)開發(fā)出納米TiO2光催化涂料并實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。目前，由于國內(nèi)對于納米TiO2的研究大多還處于實驗階段，在涂料性能的提高和完善方面還有大量的工作要做，因此，對納米涂料的研究要不斷深入，以提高我國涂料的工業(yè)水平，推動納米涂料的發(fā)展和應(yīng)用。
2.2納米SiO2在涂料中的應(yīng)用
納米SiO2具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂料干燥時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時增加了涂料的強度和光潔度，而且還提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長期不變。在建筑內(nèi)外墻涂料中，若添加納米SiO2，可明顯改善涂料的開罐效果，涂料不分層，具有觸變性、防流掛、施工性能良好等優(yōu)點，尤其是抗沾污性能大大提高，具有優(yōu)良的自清潔能力和附著力。納米SiO2還可與有機顏料配用，可獲得光致變色涂料。
欲使納米SiO2材料在涂料中真正地得到廣泛應(yīng)用，須解決納米SiO2在涂料中的分散穩(wěn)定性問題。通常的做法是加入表面活性劑包裹微粒或反絮凝劑形成雙電層的措施。同時在分散時可配合使用超聲波分散。
2.3納米ZnO在涂料中的應(yīng)用
納米ZnO等由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優(yōu)點而成為吸波涂料研究的熱點之一。在陽光的照射下納米ZnO在水和空氣中具有極強的化學(xué)活性，能與多種有機物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌中的有機物），從而把大多數(shù)細(xì)菌和病毒殺死。ZnO也具有良好的紫外線屏蔽作用，粒徑60nm的ZnO對波長300-400nm的紫外線有良好的吸收和散射作用，因此可以作為涂料的抗老化添加劑。日本已經(jīng)開發(fā)出用樹脂包覆的片狀ZnO紫外線屏蔽劑[7]。在涂料中添加納米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能
2.4納米氧化鐵在涂料中的應(yīng)用
納米氧化鐵作為顏料無毒無味，具有很好的耐溫、耐侯、耐酸、耐堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強烈吸收紫外光的優(yōu)良性能，可廣泛用于高檔汽車涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是較好的環(huán)保涂料。紫外線分解木材中的木質(zhì)素而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材老化，納米氧化鐵顏料分散于涂層中，由于顆粒直徑小不會散射光線、涂層成透明狀態(tài)且吸收紫外線輻射，起到保護木材的作用。左美祥[8]等研究發(fā)現(xiàn):在樹脂中摻入納米級的TiO2（白色）、Cr2O3（綠色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粉體，會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能。日本松下電器公司研究所據(jù)此成功開發(fā)了適用于電器外殼的樹脂基納米氧化物復(fù)合的靜電屏蔽涂料。與傳統(tǒng)的樹脂基碳黑復(fù)合的涂料相比，樹脂基納米氧化物復(fù)合涂料具有更為優(yōu)異的靜電屏蔽性能，而且后者在顏色選擇方面也更為靈活。用納米級Fe3O4與樹脂復(fù)合制成了磁性涂料，目前這方面的制備工藝已有所突破而進入產(chǎn)業(yè)化階段。
2.5納米CaCO3在涂料中的應(yīng)用
納米CaCO3作為顏料填充劑，具有細(xì)膩、均勻、白度高、光學(xué)性能好等優(yōu)點，隨著納米碳酸鈣的粒子微細(xì)化，填料粒表面的原子數(shù)目占整個總原子數(shù)目的比例增大，使粒子表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，到了納米級水平。填料粒子將成為有限個原子的集合體，表現(xiàn)出常規(guī)粒子所沒有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，使納米材料具有一系列優(yōu)良的理化性能。它添加到涂料膠乳中，加強了透明性、觸變性和流平性。觸變性是納米CaCO3改善膠乳涂料各項性能的主要因素。同時能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和防熱老化的目的和增加涂料的隔熱性。
杜振霞[9]等研究表明:在納米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相體積分?jǐn)?shù)達到20%時，涂料的粘度曲線存在低剪切稀化冪律特征區(qū)和高剪切牛頓兩個區(qū)域，而且有明顯的觸變性。當(dāng)乳膠漆聚合物乳液的粒徑為10-100nm，表面張力非常低，有極好的流平性、流變性、潤濕性與滲透性，表現(xiàn)超常規(guī)的特性。
2.6其它新型納米涂料
納米隱身涂料（雷達波吸收涂料）系指能有效地吸收入射雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當(dāng)將納米級的羧基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導(dǎo)彈、軍艦等武器裝備上，可使這些裝備具有隱身性能，使它們在很寬的頻率范圍內(nèi)可以逃避雷達的偵察，同時也有紅外隱身作用。美國研制的超細(xì)石墨納米吸波涂料，對雷達波的吸收率大于99%，其他金屬超細(xì)粉末如Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo等，也具有很好的潛力。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層，這種吸收涂層由粘結(jié)劑和納米材料、填充材料組成，具有很好的磁導(dǎo)率，在50MHz-50GHz范圍內(nèi)具有良好的吸波性能。我國也有相關(guān)的研究，如不同粒徑的Fe3O4在1-1000MHz頻率范圍對電磁波具有吸收性能，隨著頻率的增加，納米Fe3O4吸收能效增加，且納米粒徑越小，吸收效能越高。
3納米涂料研究中存在的技術(shù)問題
首先是納米材料在涂料中的穩(wěn)定分散問題。由于納米粒子比表面積和表面張力都很大，容易吸附而發(fā)生團聚，在溶液中將其有效地分散成納米級粒子是非常困難的。尋找合適的分散劑來分散納米材料，并采用合適的穩(wěn)定劑將良好分散的納米材料粒徑穩(wěn)定在納米級，是納米技術(shù)在涂料改性中獲得廣泛應(yīng)用必須解決的最關(guān)鍵問題。其次，納米材料加入量的適度問題。一般而言，納米材料的用量與涂料性能變化之間的關(guān)系曲線近似于拋物線，開始時隨著納米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趨緩，最后達到峰值：之后，隨著納米材料添加量的進一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趨勢，同時也增加了成本。因此，做好對比試驗，選好納米材料添加量也十分關(guān)鍵。最后，必須開展納米涂料施工工藝的研究。納米涂料就本身而言只是一個半成品，只有施工完畢后才真正成為最終產(chǎn)品，而現(xiàn)實情況是人們大都將注意力集中在納米涂料產(chǎn)品本身，而忽略了施工工藝的研究，致使納米涂料無法達到其應(yīng)有的效果。
4納米技術(shù)在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用展望
今后納米涂料的發(fā)展主要將體現(xiàn)在以下幾個方面:（1）新的納米原材料的開發(fā)和商品化。即根據(jù)不同材料的物理化學(xué)性能，開發(fā)研制出新納米改性材料，使之具有更多更新的功能。（2）研究納米材料在涂料中的分散和穩(wěn)定性。即探索納米材料顆粒與涂料間的相互作用和混合機理，并根據(jù)納米粉體在涂料中分散成納米級和保持分散穩(wěn)定性的原理，開發(fā)新的表面改性劑和穩(wěn)定劑，以提高納米材料在涂料中的改性效果。（3）加強納米材料表征方法和測試技術(shù)的研究。即為了能更好地利用納米材料的特殊性能，必須研究新的測試手段對納米材料進行研究，并將傳統(tǒng)納米材料的測試方法進一步完善和標(biāo)準(zhǔn)化。降低成本，并逐漸實現(xiàn)納米技術(shù)的工業(yè)化、商品化，從而改變我國高檔、高性能涂料大量依賴進口的狀況，是將來的研究重點。
第5篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞： 納米材料 特性 應(yīng)用
納米科技是21世紀(jì)快速發(fā)展的主流科技之一，交叉性、綜合性很強，在國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。納米材料是納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)，被稱為“二十一世紀(jì)新材料”，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價值，成為人們目前研究的重點領(lǐng)域之一。納米材料基本組成單元的尺寸在1～100納米范圍內(nèi)，而且基本單元至少有一維處于納米尺度范圍，同時具有常規(guī)材料不具備的優(yōu)異性能[1]。納米材料特殊的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等特性，已經(jīng)在當(dāng)前高速發(fā)展的各個科技領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會影響。本文闡述了納米材料的基本特性，介紹了納米材料在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，并展望了其未來發(fā)展趨勢。
一、納米材料的特性
1.表面效應(yīng)
表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而急劇增大的現(xiàn)象[2][3]。由于表面原子數(shù)增多，表面能高，原子配位數(shù)不全，存在嚴(yán)重的缺位狀態(tài)，很不穩(wěn)定，活性極高，極易與其他原子結(jié)合，從而產(chǎn)生一些新穎的效應(yīng)。如利用這一特性，金屬超微顆粒可以作為新一代具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。
2.量子尺寸效應(yīng)
當(dāng)粒子的尺寸小到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象就是量子尺寸效應(yīng)[4][5]。相鄰電子能級EF為費米能級。對于大粒子或宏觀物體包含無限個原子，即宏觀物體的能級間距幾乎為零，即能級是連續(xù)的；而對于納米粒子而言，其包含的原子數(shù)十分有限，N值很小，于是δ就有一定的數(shù)值，即能級是分裂的，呈現(xiàn)為離散能級。因此，當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、光子的能量等時，就要考慮量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致納米粒子與宏觀物體的特性顯著不同。如在超細(xì)顆粒態(tài)下的金屬導(dǎo)體可以成為絕緣體，譜線發(fā)生藍移。
3.小尺寸效應(yīng)
當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性出現(xiàn)特殊變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(yīng)[6]。如在納米尺寸下，材料熔點降低、微波吸收增強等。
4.宏觀量子隧道效應(yīng)
納米粒子的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，也就是說微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)[7]。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)。
二、納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域
納米材料的基本特性使其在力、光、電、磁、熱等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的一系列新穎的物理和化學(xué)特性。因此納米材料在催化、陶瓷、化工、環(huán)境、生物和醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域具有非常重大的應(yīng)用價值。
1.在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用
納米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作為催化劑對催化反應(yīng)如氧化、還原、裂解等反應(yīng)都有很高的活性和選擇性，能加快反應(yīng)速率，使難以進行的反應(yīng)順利進行。例如，使用納米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃燒效率達100倍以上。
2.在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的快速增長，環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，而納米光催化技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用研究日益受到重視，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，固氮反應(yīng)，水凈化處理，等等。納米光催化劑光催化作用機理一般是在一定波長的光波照射下，產(chǎn)生光生電子―空穴對，這些電子和空穴能使空氣中的氧或水中的溶解氧活化，產(chǎn)生活性氧及自由基等高活性基團，反應(yīng)關(guān)系式如下：
3.在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
納米材料在生物醫(yī)學(xué)中檢測診斷、靶向藥物輸送、生物分子檢測、磁共振成像增強及健康預(yù)防等許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景。如利用具有獨特孔狀結(jié)構(gòu)特性的碳納米管能夠?qū)崿F(xiàn)藥物可控釋放；以光感應(yīng)器做開關(guān)的納米機器人，可以疏通腦血管中的血栓，殺死癌細(xì)胞等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米材料最成功的應(yīng)用是作為藥物載體（如納米膠囊）、生物芯片、納米生物探針和制作人體材料，如人工腎臟、人工關(guān)節(jié)等。
4.在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用
納米技術(shù)和其他所有技術(shù)一樣，將在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可估量的作用。例如：納米機器人、納米飛機、蚊子導(dǎo)彈等許多無人化設(shè)備將在偵察預(yù)警、指揮控制和精確打擊等方面發(fā)揮著越來越重要的作用；納米衛(wèi)星組成的衛(wèi)星監(jiān)視網(wǎng)，可以實時觀察到地球上的每一個角落，使戰(zhàn)爭變得更加透明；納米隱身技術(shù)可以最大限度地隱藏自己，同時千方百計地尋找和發(fā)現(xiàn)敵人，起到武器裝備隱身的目的，如用做隱形飛機涂料的納米ZnO對雷達電磁波具有很強的吸收能力。
5.在精細(xì)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用
納米材料在精細(xì)化工，如橡膠、塑料、涂料等領(lǐng)域也扮演著重要角色。例如，摻雜納米SiO2可以提高橡膠的抗紫外輻射能力。而為了提高塑料的強度、韌性、致密性、防水性等，生產(chǎn)時通常在塑料中添加一定的納米材料。
6.在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
陶瓷材料在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，而納米陶瓷可以克服傳統(tǒng)陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性，并在超高溫、強腐蝕等苛刻的條件下起到其他材料不可替代的作用，應(yīng)用較為廣泛。
7.在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
除了在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用外，納米材料在諸如電子計算機和電子工業(yè)、航空航天、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、化妝品工業(yè)等其他領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。
三、展望
“誰輸?shù)袅思{米，誰就輸?shù)袅宋磥怼?，這已經(jīng)成為世界各國的共識。正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：“納米科技將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命”，由此可見納米科技的重要性。納米材料是整個納米科技的基礎(chǔ)，在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但從納米材料的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用來看，目前其研究還面臨很多問題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如合成方法復(fù)雜、單分散的納米粒子或納米線的可控制備、生長機制還不完全清楚、缺乏系統(tǒng)的性能研究，等等。但我們有理由相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，制備和改性技術(shù)的不斷完善，納米材料在未來將會在更多領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用。
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第6篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
Environmental Aplications of Nanomaterials
Synthesis， Sorbents and Sensors，2nd Edition
2012，752 p
Hardcover
ISBN9781848168039
Fryxell Glen E等著
近年來，功能納米材料的合成及其在環(huán)境方面的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展?？傮w來說，這類納米材料的策略主要有以下3種：1.環(huán)境中目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的捕獲；2.用于監(jiān)測環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的納米材料增強的傳感器；3.納米材料增強的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。作者就用于環(huán)境中的納米材料的合成、表征和應(yīng)用做了詳細(xì)介紹。
本書分為4部分23章：第1部分 基于納米顆粒的手段，含第1-3章：1.用于氯碳化合物和有機磷酸鹽整治的納米顆粒金屬氧化物；2.用于場地修復(fù)的納米尺度的零價鐵；3.零價鐵納米粒子的合成表征和性質(zhì)。第2部分 納米結(jié)構(gòu)的無機材料，含第4-5章：4.污染物沉積和穩(wěn)定過程中納米磷灰石晶體的形成；5.用于地下水和廢玻璃滲瀝液中吸收放射性碘的功能性納米多孔吸附劑。第3部分 納米多孔的無機/有機雜化材料，含第6-16章：6.自然的納米顆粒：Group Ⅳ磷酸鹽；7.核廢料整治的25年；8.介孔陶瓷氧化物上有機硅烷自組裝的納米結(jié)構(gòu)的雜化吸附劑材料的合成；9.化學(xué)修飾的介孔硅材料和用于吸附檢測重金屬離子的有機硅烷；10.分級印記吸附劑；11.周期性介孔硅的功能化及其在毒性陰離子吸收方面的應(yīng)用；12.半結(jié)晶的聚倍半硅氧烷：一種用于去除環(huán)境中有害離子的介孔結(jié)構(gòu)的化學(xué)計量的有機-無機雜化固體；13.一種用于去除工業(yè)廢物中汞的巰基功能化的納米多孔硅吸附劑；14.用于大范圍放射性核素的口服螯合療法的功能化的納米多孔硅；15.用于CO2捕獲的胺類功能化的納米孔材料；16.用胺類功能化的納米多孔材料從燃燒后流中捕獲CO2。第4部分 增強環(huán)境污染物的傳感/檢測的納米材料，含第17-23章：17.納米結(jié)構(gòu)的ZnO氣體傳感器；18.用于環(huán)境的介孔材料的合成和材料；19.用于環(huán)境監(jiān)控的基于納米材料的電化學(xué)傳感器；20.納米材料的環(huán)境傳感器；21.用于環(huán)境的碳納米管和石墨烯傳感器；22.一維空心的氧化納米結(jié)構(gòu)：高敏感度的氣體傳感平臺；23.鈦納米管陣列的制備和電化學(xué)應(yīng)用。
本書第2版，在第1版的基礎(chǔ)上做了大量的補充，使得內(nèi)容更加新穎全面，適合廣大納米技術(shù)、納米材料和環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的專家學(xué)者、學(xué)生閱讀。
金娟， 博士研究生
（國家納米科學(xué)中心，清華大學(xué)化學(xué)系）
Jin Juan， Ph.D Candidate
（National Center for Nanoscience
and Technology，
第7篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：碳納米材料 聚合物 Friedel-Crafts反應(yīng) 增容
中圖分類號：TB383 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0003-02
碳元素可以說是納米世界最為神奇的元素：零維的富勒烯（C60）、一維的碳納米管（CNTs）和納米碳纖維、二維的石墨烯、……種種特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，使碳納米材料具有極高的強度和模量，成為最熱門的增強材料。每年都有很多新的關(guān)于碳納米材料用于聚合物基復(fù)合材料的研究結(jié)果出現(xiàn)，但直至今日，聚合物/碳納米復(fù)合材料的很多相關(guān)問題仍未充分認(rèn)識和有效解決，總體上看復(fù)合材料的力學(xué)性能并沒有預(yù)期的那么好。人們正在致力于尋找充分發(fā)揮碳納米材料性能、制備性能優(yōu)異的復(fù)合材料的方法。
碳納米材料的比表面積大，表面能高，使得它們很容易團聚而形成尺寸較大的團聚體，達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這是一種熱力學(xué)上的自發(fā)過程[1]。無論碳納米材料應(yīng)用在哪個領(lǐng)域，形成團聚體都是不利的。尤其對聚合物/碳納米復(fù)合材料而言，碳納米材料的團聚不但降低了有效添加量，增大碳納米材料用量，造成不必要的浪費；而且這些團聚的碳納米材料可能成為潛在的應(yīng)力集中點，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。為了解決這些問題，必須對碳納米材料進行適當(dāng)?shù)谋砻娓男蕴幚?，使其能較好地應(yīng)用到與聚合物的復(fù)合材料中去。
碳納米材料表面改性的方法大致可分為二類，即共價和非共價功能化[2～4]。前者是對碳納米材料進行化學(xué)修飾，如通過氧化處理時產(chǎn)生的羧基進行酰胺化、酯化反應(yīng)接上功能基團促進其分散；后者是利用表面活性劑、生物大分子及水溶性聚合物等包裹在碳納米材料外壁以促進其分散。各種改性方法都有其優(yōu)缺點，任何一種方法都不能適用于所有領(lǐng)域，在實際應(yīng)用中，應(yīng)該針對不同的聚合物基體和材料用途，尋找最適合的處理方法，取長補短，這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作。
在聚合物/碳納米復(fù)合材料研究領(lǐng)域，針對尼龍[5]、環(huán)氧樹脂[6]、雙馬來酰亞胺[7]等含有強極性或“可反應(yīng)”官能團的基體的研究十分熱門，也取得了較大成就。但是對于聚烯烴/碳納米復(fù)合材料，由于聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴基體沒有強極性或“可反應(yīng)”的官能團，如何通過碳納米材料的表面修飾提高碳納米材料與基體間的相容性及碳納米材料在基體中的分散性仍是兩大難題，尚未得到很好的解決。
碳-碳鍵形成反應(yīng)是有機合成化學(xué)中最為重要的反應(yīng)，其中Friedel-Crafts反應(yīng)是構(gòu)建與芳香化合物直接相連的碳-碳鍵最有效的方法之一。由于其自身的一些優(yōu)勢，如催化劑來源方便、制備容易、價格便宜、反應(yīng)操作簡單、無過渡金屬催化中的重金屬殘留問題，使得越來越多的人對Friedel-Crafts反應(yīng)產(chǎn)生了興趣。
芳香化合物中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)上暴露有π電子，很容易被親電攻擊。因此，Lewis酸催化劑可以與鹵代烷烴等生成碳正離子作為親電試劑進攻苯環(huán)，形成烷基化苯環(huán)。從而將烷基接枝在苯環(huán)結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)芳香化合物的烷基化改性，如下式所示：
我們在高密度聚乙烯（HDPE）和碳納米管（CNTs）的復(fù)合材料中，加入AlCl3作為催化劑引發(fā)Friedel-Crafts反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)CNTs在HDPE中的界面得到改善，分散性變好。如圖1所示，CNTs在HDPE中的團聚現(xiàn)象得到緩解，CNTs與HDPE的界面變得模糊，這都說明Lewis酸催化劑對聚合物和碳納米材料有“原位”增容的作用，可以改善碳納米材料在聚合物基體中的分散情況。
碳納米材料正是由一系列碳-碳鍵形成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)組合，其中的碳原子通過sp2雜化形成了高度離域化的π電子，非常容易受到親電試劑的攻擊。采用Lewis酸作為催化劑，通過誘發(fā)碳納米材料上碳六元環(huán)與鹵代聚合物的Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)，可將聚合物長鏈接枝或吸附到碳納米材料上，從而提高碳納米材料與聚合物間的界面結(jié)合力，“原位”增容聚烯烴/碳納米復(fù)合材料，可望在不破壞碳納米材料本身結(jié)構(gòu)的同時，解決“分散”與“界面”的問題。
本文探討了Friedel-Crafts反應(yīng)在改善碳納米材料在聚合物基體中“界面”和“分散”兩個問題的可能性。通過Friedel-Crafts反應(yīng)可以得到結(jié)構(gòu)保持性較高的碳納米材料，進而提高碳納米材料與聚合物基體之間的界面粘接力，從而對改善聚合物/碳納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能頗為有益。
參考文獻
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第8篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：丙烯酸酯涂料；納米材料；改性；應(yīng)用
對“健康、綠色、環(huán)?！崩砟畹纳钊胝J(rèn)識和渴求，使人們逐漸對涂料安全使用方面的要求越來越高，要求也越來越高。但市面上傳統(tǒng)的涂料都含有大約50%的溶劑，其中鉛、汞、苯等重金屬，長期揮發(fā)于室內(nèi)空氣中將直接對人體產(chǎn)生巨大的傷害，降低人體免疫力。因此。越來越多的建材涂料廠家開始研發(fā)綠色新品，以適應(yīng)行業(yè)需求。
近年來，隨著聚合技術(shù)的飛速發(fā)展和完善，利用納米材料改性丙烯酸系涂料的研究越來越受到了人們重視。其中由于納米材料具有表面效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)等特殊性質(zhì)，除了可以使丙烯酸涂料改性后的獲得防霉抗菌、凈化空氣、長期釋放負(fù)離子以外，還具有手感細(xì)膩、色彩柔和、遮蓋力好的特性以及優(yōu)異的防水、防油、抗老化、阻透性、熱穩(wěn)定性、抗氧性、拉伸性和抗低溫性，而且無毒無味，不含重金屬離子和放射性物質(zhì)。此外，由于在生產(chǎn)過程中加入了特殊的納米材料，使得該功能性丙烯酸酯涂料的成膜性能顯著改善，大大提高了產(chǎn)品的柔韌性和耐擦洗性。產(chǎn)品成膜后也不會由于環(huán)境的溫度、濕度的起伏變化而導(dǎo)致裂開、剝落、脫粉等現(xiàn)象。
1 納米材料的概念
納米材料是一種超細(xì)的固體材料，在涂料、塑料加工、陶瓷化妝品、玻璃等行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。在丙烯酸酯涂料中加入納米材料可以很大程度的改善涂料的一些性能，如納米材料紫外線屏蔽功能，提高了耐老化性，長久不褪色，使用壽命可長達十幾年；獨特的光催化作用、自潔功能，可防霉殺菌，凈化空氣。
2 各類納米材料改性丙烯酸酯涂料的研究現(xiàn)狀
涂料行業(yè)因為納米材料的出現(xiàn)帶來了一系列新的變化和挑戰(zhàn)，將兩者的結(jié)合運用，不僅能提高傳統(tǒng)涂料的的一些特殊性能，而且能實現(xiàn)涂料涂層功能的一大跨越。
（1）納米CaCO3改性丙烯酸酯涂料。
作為軟質(zhì)填料的納米CaCO3廣泛應(yīng)用于各類涂料中，它無毒無味、無刺激，很容易和各類聚合物相容，具有補強、填充、調(diào)色、改善加工藝和制品的性能及降低加工成本，是最常用的原料之一，在成膜物中起著骨架作用。當(dāng)在丙烯酸酯涂料中添加1.5%改性納米CaCO3時，其黏度對溫度的敏感性下降，黏度顯著降低，剪切觸變性較強，觸變性增大，涂料性能的改善與其流變性變化基本一致。此外，固體含量的改變或添加丁醇對添加改性納米CaCO3復(fù)合丙烯酸酯涂料和傳統(tǒng)丙烯酸酯涂料流變性的影響規(guī)律基本相同。
（2）納米TiO2改性丙烯酸酯涂料。
涂料涂膜因受到陽光直接照射、風(fēng)吹雨淋等天氣原因引起的環(huán)境溫度變化差異和空氣的濕度變化，以及空氣中酸性污染物的影響，很容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，尤其紫外線照射是促使涂膜老化的關(guān)鍵因素。納米TiO2是很好的抗老化劑，可以提高涂料涂膜的耐候性。加入納米TiO2后的改性丙烯酸樹脂及其涂料的整體性能優(yōu)于普通涂料，同時由于改性納米TiO2自身的特性和在涂料基體良好的分散性，使改性后的涂料在光澤、防水性、抗堿性和耐擦洗性方面均優(yōu)于普通的水性涂料。
（3）納米SiO2改性丙烯酸酯涂料。
納米SiO2由于顆粒的粒徑小，比表面積大，表面的自由能很高，將納米SiO2粉體加入到丙烯酸酯涂料中經(jīng)充分分散后，納米SiO2粉體能分布在顏料填料顆粒和乳膠顆粒之間。涂料成膜后不僅能有效地改善乳膠顆粒之間，乳膠顆粒與顏料顆粒之間的界面結(jié)合力，使耐擦洗性可由1000次提高到5000次以上，而且干燥時間縮短、懸浮穩(wěn)定性、觸變性能、光潔度也明顯改善，具有較好的應(yīng)用價值。
（4）納米ZnO改性丙烯酸酯涂料。
經(jīng)納米ZnO改性的丙烯酸酯涂料具有良好的相容性和抗?jié)B透能力。其中納米ZnO添加量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，對涂層的屏蔽作用是最有效的，在很大程度上提高了丙烯酸酯涂料的防腐性能。
3 展望
目前在涂料改性生產(chǎn)過程中一般使用納米TiO2、SiO2等。利用納米材料使丙烯酸酯防腐蝕涂料的性能發(fā)生變化，以此來加強該涂料的綜合性能是很高效的方法，多種納米材料用在丙烯酸酯涂料方面的工藝技術(shù)在不斷完善，現(xiàn)階段也取得了很好的成績。但由于添加在涂料中的納米材料其粒子表面是親水的、熱力學(xué)狀態(tài)不穩(wěn)定，在溶劑型涂料中的相容性較差，導(dǎo)致難分散、儲存穩(wěn)定性差，極易凝聚成團，從而大大影響納米材料優(yōu)勢的發(fā)揮。在丙烯酸酯涂料的改性研究中，仍有一些需要解決的難題。想要更好的發(fā)揮出納米材料的特性、加大其應(yīng)用范圍，科研工作者將對丙烯酸酯綜合改性研究就要不斷深入，不斷嘗試各種聚合方法，利用先進的聚合工藝，讓丙烯酸酯的性能更加優(yōu)良，使丙烯酸樹脂朝著多元化、功能化、環(huán)保方向發(fā)展。
參考文獻
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第9篇：金屬納米材料的應(yīng)用范文
關(guān)鍵詞：納米材料ZnO制備生物傳感
Abstract: a d ZnO nanometer materials because of its good biological compatibility and higher electricity point, in the biological sensor area is important application of advantage and research value. In recent years the emerging the results of the study show that, nanometer ZnO structure in mechanical sensor, optical sensing, gas sensor, biological molecule detection or DNA sensing all has the broad application prospect. This paper reviewed recent ZnO nanometer materials one dimension of the mainstream of the preparation methods, and mainly introduces a d ZnO nanometer material in enzyme sensors, biological proteins sensors, mosfet biosensors research progress, and discusses the relevant research fields are the main problem.
Keywords: nanometer ZnO materials preparation biological sensors
中圖分類號：TU74文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：
傳感器是一種能間接獲知外部世界信息的器件或系統(tǒng)，可用來作為人類感知器官的功能擴展和延伸。在人類文明進步發(fā)展的過程中，傳感器逐漸被用于探索人類感官無法直接企及的宏觀世界及微觀世界領(lǐng)域。生物傳感技術(shù)是一門由生物、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新科技，無論在科學(xué)研究還是工業(yè)生產(chǎn)中都起著重要作用，是當(dāng)代傳感技術(shù)研究領(lǐng)域最活躍的內(nèi)容之一。納米材料具有許多奇特的性能，如小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。近些年來，將納米材料引入生物傳感器中以提高其靈敏度和穩(wěn)定性成為人們研究的熱點。
作為一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，無論在信息、光電及傳感領(lǐng)域ZnO都有著廣泛的應(yīng)用前景。其在室溫下的禁帶寬度為3.37eV，而激子束縛能甚至高達60meV。專業(yè)領(lǐng)域?qū)⒓{米線和納米管稱為一維納米結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)一維Zn0納米結(jié)構(gòu)具有無毒性、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上還具有良好的生物降解性和生物兼容性[1]。這意味著一維ZnO納米材料將逐漸從實驗室中的基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用。
1 一維ZnO納米材料的制備
作為納米技術(shù)的底層基礎(chǔ)，納米材料的制備方法至關(guān)重要。對于一維Zn0納米材料的制備，目前國內(nèi)外普遍采用的方法主要為氣相法和液相法。由于一維納米材料生產(chǎn)取向、形貌及長度一致，又被稱為一維納米列陣結(jié)構(gòu)。除了擁有納米基本的單元特性外，它還具有組合而引發(fā)的新效應(yīng)，如量子耦合。因此，其制備方法與普通納米材料的制備相比，在完整性及功能性上要求更高。
1.1 氣相法
氣相法是指直接利用氣體或其他手段將物質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)，使之發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚形成納米微粒的方法。其中使用較多的為直接熱蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法和金屬有機化學(xué)氣相沉積法。
直接熱蒸發(fā)法的原理較為簡單：首先高溫蒸發(fā)源物質(zhì)使其變?yōu)闅鈶B(tài)，然后利用冷卻裝置將氣體凝結(jié)成納米微粒，最后將納米微粒有規(guī)律的排列生長成一維納米材料。利用此方法制備一維Zn0納米材料具有過程安全、不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的優(yōu)勢，但是較難控制其微粒的直徑大小。相比之下，化學(xué)氣相沉積法由于在過程中涉及到化學(xué)變化，因此可通過調(diào)節(jié)溫度、壓強、催化劑等參數(shù)對一維Zn0納米材料的形貌、尺寸、取向進行有效控制，使材料的制備過程更加靈活可控[2]。區(qū)別于前兩種方法，金屬有機化學(xué)氣相沉積法所采用的反應(yīng)源為金屬有機化合物，無論是對溫度的控制還是對反應(yīng)物的控制都更加精確，利用此方法制備的一維Zn0納米材料的形態(tài)和取向性更好，同時避免了雜質(zhì)的污染。但由于該方法的設(shè)備昂貴，增加了成本不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
總而言之，利用氣相法制備一維Zn0納米材料，無論在形貌的控制力上還是對工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)上都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，是具有代表性的制備的一維Zn0納米材料的方法。
1.2 液相法
液相法是選擇一種或多種可溶性金屬鹽類，按所制備材料的組成計量配制成溶液，使各元素呈離子或分子態(tài)，再通過蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶的離子脫水或者加熱分解而形成納米微粒的方法。對于一維Zn0納米材料的制備常采用的是水熱法、電化學(xué)合成法和熱分解前驅(qū)物法。
水熱法是一種采用水或其他溶劑作為介質(zhì)，在高溫高壓的環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使物質(zhì)在溶液中結(jié)晶為納米顆粒的方法。此方法具有條件簡單、反應(yīng)穩(wěn)定、合成溫度偏低的優(yōu)點，是目前制備高質(zhì)量一維Zn0納米材料最常用的方法之一。電化學(xué)合成法是指在導(dǎo)電玻璃、硅片或其他基底上，將鋅鹽溶液通以恒電流從而沉積Zn0納米顆粒的過程。它利用的是氧化還原反應(yīng)，由于可以調(diào)節(jié)鋅鹽溶液的濃度及弱堿程度，從而易于形成所需各種形貌及尺寸的一維Zn0納米材料。此方法較具有操作簡單、能耗低、過程可靠并且易于自動化管理的優(yōu)勢，是合成一維Zn0納米材料的一種經(jīng)濟有效的方式。熱分解前驅(qū)物法是將固體反應(yīng)物充分研磨，然后通過加入適量的表面活性劑，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪簭娤率蛊浞纸猥@得一維納米陣列。此方法設(shè)備簡單便于操作，關(guān)鍵在于表面活性劑的選擇和反應(yīng)條件的控制。
相比于氣相法，液相法的主要優(yōu)勢是設(shè)備簡單、過程安全、制備的納米列陣取向性好，從而具有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)化前景。
2 一維ZnO納米材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用
使用納米Zn0制備的生物傳感器與一般的生物傳感器結(jié)構(gòu)相似，都是由充當(dāng)轉(zhuǎn)換器的一維Zn0納米結(jié)構(gòu)和具有分子識別功能的生物敏感膜構(gòu)成。我們可以利用其生物兼容性及高的表面體積比制成高靈敏度的生物傳感器；此外，還可以利用其納米線比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性強的優(yōu)點制成具有特殊功能的生物傳感器。
2.1 葡萄糖酶傳感器
葡萄糖生物傳感器一般用于檢測葡萄糖的濃度。決定此傳感器性能的關(guān)鍵在于葡萄糖氧化酶生物活性的保持和酶在電極上的固定程度。一維Zn0納米材料具有很高的電子傳輸速率，并且其等電點高于葡萄糖氧化酶的等電點。因此可通過將葡萄糖氧化酶通過靜電作用牢牢的固定在納米材料的表面。同時，這種傳感器還能夠很好保持葡萄糖氧化酶的生物活性，使探測效果更為準(zhǔn)確。Zhang[3]等曾按照此種方法利用Zn0納米線性陣列固定葡萄糖氧化酶，通過實驗測得該傳感器的靈敏度高達23.1µAcm-2mM-1，而探測時間僅為5S。
2.2 生物蛋白質(zhì)傳感器
眾所周知，蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)傳感器可用于分析蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)分子間的相互作用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很重要的地位。
Chen等[4]曾通過電化學(xué)合成法在熱塑性聚胺酯上生長一維Zn0納米陣列，并使用二疏基丁二酸對其表面進行修飾，從而使生物蛋白質(zhì)更好的與Zn0納米棒結(jié)合。另外，沒有采用傳統(tǒng)的電化學(xué)和染色的檢測方法，而是利用光致發(fā)光譜檢測Zn0與蛋白質(zhì)分子結(jié)合后光學(xué)性質(zhì)的變化，從而對樣品的生物性能進行分析。為了研究電極修飾后的電流響應(yīng)變化，張成林等[5]制備了以Zn0納米棒修飾的玻碳電極，通過研究血紅蛋白在該電極上的電化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)現(xiàn)其在修飾后的電極上具有良好的電流相應(yīng)過程，并且響應(yīng)電流與樣品濃度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖1所示。由此可見，一維納米結(jié)構(gòu)的表面修飾可增加響應(yīng)電流的強度從而提高傳感器的靈敏度。
圖1 血紅蛋白(HB)在Zn0玻碳電極上的電流響應(yīng)曲線
2.3 場效應(yīng)晶體管生物傳感器
場效應(yīng)晶體管生物傳感器是將電子工藝與生物技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器。它主要由感受器和場效應(yīng)管構(gòu)成，感受器主要用于分子識別，而場效應(yīng)管則起著信號轉(zhuǎn)換的作用。Wang[6]等利用Zn0納米棒作為感受器的敏感膜，并對其結(jié)構(gòu)進行了改良，將傳感器的源極和漏極置于2µm厚的聚甲基丙烯酸甲酯中。通過檢測發(fā)現(xiàn)，溶液中的電流滲漏明顯降低，從而提高了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。此類傳感器可用于藥物含量的測定及新型藥物的開發(fā)。
3 結(jié)論
本文給出了近年來制備一維Zn0納米材料的主流方法并對其在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究及探索。結(jié)果表明，基于其其良好的生物兼容性及較高的激子束縛能，一維Zn0納米材料可直接或間接應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域。引入一維Zn0納米結(jié)構(gòu)后，傳感器的靈敏度、使用時間等各項指標(biāo)均得到很大提高。但就目前的研究成果來看，這類傳感器的主要監(jiān)測方法以電化學(xué)技術(shù)為主，器件的選擇性、重復(fù)性和可靠性尚須進一步提高。此外，其測試手段也較為單一，在傳統(tǒng)的電化學(xué)方法及染色檢測法的基礎(chǔ)上還可通過光譜分析進行檢測。綜上所述，一維Zn0納米材料在生物傳感領(lǐng)域必將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
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