納米粒子的應用

借助納米材料的各種特殊性能，科學家們在各個研究領域取得了突破性進展，也推動了納米材料越來越廣泛的應用。1.催化劑在許多化學和化工領域起著重要的作用，它可以控制反應時間，提高反應效率和速度。大多數傳統催化劑不僅催化效率低，而且是憑經驗制備，不僅造成原料的巨大浪費，難以提高經濟效益，而且對環境造成汙染。納米粒子表面有許多活性中心，這為其用作催化劑提供了必要的條件。當納米粒子作為催化劑時，可以大大提高反應效率，控制反應速度，甚至可以進行以前無法進行的反應。納米粒子作為催化劑的反應速度比壹般催化劑高10 ~ 15倍。納米粒子被廣泛用作催化劑，尤其是在有機物的制備中。分散在溶液中的每壹個半導體顆粒都可以近似看作壹個短路的微電池。當用能量大於半導體能隙的光照射半導體分散系統時，半導體納米粒子吸收光以產生電子-空穴對。在電場的作用下，電子和空穴被分離並移動到顆粒表面的不同位置，它們與溶液中相似的組分發生氧化還原反應。光催化反應涉及多種反應類型，如醇類和烴類的氧化、無機離子的氧化還原、有機化合物的催化脫氫和加氫、氨基酸合成、固氮反應、水凈化處理、水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現的。半導體多相光催化劑能有效降解水中的有機汙染物。如納米TiO2 _ 2光催化活性高，耐酸堿，光穩定，無毒，廉價易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。據報道，以矽膠為基質制備了具有高催化活性的TiO/SiO 2負載型光催化劑。鎳或銅鋅化合物的納米顆粒是壹些有機化合物氫化的優異催化劑，可以取代昂貴的鉑或鈕扣催化劑。納米鉑黑催化劑可以將乙烯的氧化溫度從600℃降低到室溫。利用納米粒子作為催化劑，提高反應效率，優化反應路徑，提高反應速度，是未來催化科學中不可忽視的重要研究課題，有可能給催化在工業中的應用帶來革命性的變化。2.從蛋白質、DNA、RNA到病毒在生物醫學上的應用都在1-100nm的尺度範圍內，所以納米結構也是生命現象中的基本事物。細胞器和細胞中的其他結構單元是執行某些功能的“納米機器”。細胞就像“納米車間”，植物中的光合作用就是“納米工廠”的典型。遺傳基因序列的自組裝排列實現了原子水平的精確結構，神經系統的信息傳遞和反饋是納米技術的完美範例。生物合成和生物過程已經成為新納米結構的靈感和制造的來源，研究人員正在模仿生物特性，以實現技術納米尺度的控制和操縱。納米粒子的尺寸往往比生物體內的細胞和紅細胞還要小，這為醫學研究提供了新的契機。目前，已經得到很好應用的例子包括:利用納米二氧化矽顆粒進行細胞分離的技術，納米顆粒，特別是金(Au)顆粒的細胞內染色，以及用塗有磁性納米顆粒的新藥或抗體進行局部靶向治療。正在開發的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(DNA芯片)，這些芯片都具有集成、並行和快速檢測的優勢，已成為納米生物工程的前沿技術。它將直接應用於臨床診斷、藥物開發和人類基因診斷。植入人體後，人們可以隨時隨地享受醫療，在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類。壹類是適用於生命體的納米材料，如各種納米傳感器，用於疾病的早期診斷、監測和治療。各種納米機械系統可以快速識別病房位置，在不損傷正常組織或清除心腦血管血栓和脂肪沈積的情況下，向病房定向註射藥物，甚至利用它們吞噬病毒、殺死癌細胞。另壹種是利用生物分子的活性開發的納米材料，可以代替生物體用於其他納米技術或微細加工。3.在其他精細化工中的應用精細化工是壹個龐大的工業領域，產品數量多，用途廣，影響著人類生活的方方面面。納米材料的優越性無疑會給精細化工帶來福音，顯示其獨特的實力。納米材料可以在橡膠、塑料、塗料等精細化工領域發揮重要作用。如果在橡膠中加入納米二氧化矽，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。在普通橡膠中加入納米Al2O3和SiO2 _ 2可以提高橡膠的耐磨性和介電性能，其彈性明顯優於填充白炭黑的橡膠。在塑料中加入壹定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，致密性和防水性也相應提高。國外已將納米二氧化矽作為添加劑添加到密封膠和膠粘劑中，大大提高了其密封性和粘接性。此外，納米材料在纖維改性和有機玻璃制造方面也有很好的應用。在有機玻璃中添加表面改性的二氧化矽，可以使有機玻璃抵抗紫外線輻射，達到老化的目的。添加A12O3不僅會影響玻璃的透明性，還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。壹定粒徑的銳鈦礦型TiO2具有優異的紫外線屏蔽性能，質地細膩，無毒無味，添加到化妝品中可以提高化妝品的性能。超細二氧化鈦的應用還可以擴展到塗料、塑料、人造纖維等行業。最近，開發了用於食品包裝的二氧化鈦和用於高檔汽車面漆的珠光二氧化鈦。納米TiO2 _ 2能強烈吸收太陽中的紫外線，產生強烈的光化學活性。它可以光催化降解工業廢水中的有機汙染物。它具有凈化度高、無二次汙染、適用性廣等優點，在環保水處理中具有良好的應用前景。在環境科學領域，除了用納米材料作為催化劑來處理工業生產中排放的廢物外，還將出現具有獨特功能的納米薄膜。這種膜可以檢測由化學和生物制劑引起的汙染，並過濾這些制劑以消除汙染。4.納米技術在國防科技中的應用將給國防軍事領域帶來革命性的影響。例如，納米電子設備將用於虛擬訓練系統與戰場的實時通信；化學、生物和核武器納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊和防護能力；由納微機械系統制成的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可以由小型運載火箭發射，按照不同的軌道組成衛星網絡，監視地球的每壹個角落，讓戰場更加透明。納米材料在隱身技術中的應用尤為引人註目。在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)電磁波吸收材料的制備是關鍵。納米材料正被開發為新壹代隱身材料。由於納米材料中界面組分比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵數量增加。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收帶變寬。高比表面積導致多重散射。納米材料的量子尺寸效應使電子的能級發生分裂，分裂的能級間距在微波的能量範圍內，為納米材料創造了新的吸收通道。在微波場的照射下，納米材料中原子和電子的運動加劇，增加了電磁能轉化為熱能的效率，從而提高了電磁波的吸收性能。美國開發的“超黑粉”納米吸波材料吸收率達到99%，法國最近開發的CoNi納米粒子包覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz範圍內，其m ￠和m￠幾乎都大於6。最近國外正在努力研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，提出了單壹吸收粒子匹配設計機制，可以充分發揮單位質量損失層的作用。納米材料有很好的吸波功能，但壹般都是薄、輕、寬、強。納米材料包括納米纖維和碳納米管中的硼化物、碳化物和鐵氧體在隱身材料方面將有很大的潛力。5.此外，納米材料還廣泛應用於其他領域，如海水凈化、航空航天、環境能源、微電子等。納米材料正逐漸在這些領域發揮光和熱的作用。