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前景与展望 对于纳米材料的研究尽管十分热门,但由于其结构复杂,微区尺寸小,再加上量子效应表面效应等,对它的研究还不够深入,因此对其结构形态特征与材料性能的关系知道的很少,合成方法大多基于合成宏观材料上的改进,存在着一定局限性,将来如能借鉴自然界生物材料的合成方法,对纳米材料的发展会有很大的促进作用在对高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是:高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备,用传统的设备往往使纳米粒子得不到良好的分散,同时高聚物表面处理有时还不够理想对于此方面的研究,国外已开展了近二十年,并已有了较为成熟的科研技术成果,一些大公司已经对一些较成熟的高聚物/纳米复合材料逐步商品化 我国纳米材料研究起步虽晚但发展很快,对于有些方面的研究工作与国外相比还处于较先进水平如:漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究;黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界极有影响;另外,四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的制备手段尽管如此,在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距但无可否认,纳米材料由于其独特的性能,使其在增强聚合物应用中有着广泛的前景,纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义特别是随着廉价纳米材料不断开发应用,粒子表面处理技术的不断进步,纳米材料增强增韧聚合物机理的研究不断完善,纳米材料改性的聚合物将逐步向工业化方向发展,其应用前景会更加诱人 从九十年代初起,纳米科技得到迅速发展,新名词新概念不断涌现,像纳米电子学纳米材料学纳米机械学纳米生物学等等 科学家预言,纳米时代的到来不会很久,它在未来的应用将远远超过计算机工业,并成为未来信息时代的核心正如我国著名科学家钱学森所说的那样,纳米将会带来一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命 科学家为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图:纳米电子学将使量子元件代替微电子器件,巨型计算机就能装入口袋里;通过纳米化,易碎的陶瓷可以变成韧性的,成为一种重要材料;世界上还将出现1微米以下的机器甚至机器人;纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径,对基因进行定点等 目前,纳米技术广泛应用于光学医药半导体信息通讯,一年的营业额已经达500亿美元有预测说,到2010年,纳米技术的市场容量将达14400亿美元于细微处见神奇,知微见著的纳米技术将彻底改变目前的产业结构,并且孕育着巨大的商机 纳米新材料 有一种水叫"纳米水" "纳米水"不是普通的水,它是纳米燃油添加剂的俗称目前主要针对车用柴汽油和燃料油使用,可实现用物理方法解决燃油燃烧的化学问题北大博雅科贸有限公司正在大力开发并致力于产业应用 NAN0牌纳米燃油添加剂是北大博雅公司向社会推出的第一个产品,只需要在燃油中以八千分之一的比例添加该产品,就能够促使燃油燃烧得更加充分,从而实现节约燃油增加动力减少污染物排放等效果,通过了多家国家权威检测单位的检测,2000年就已经投放市场依据这种技术和其他相关技术,该公司还将陆续向社会推出纳米润滑油等一系列产品 "纳米水"的工作原理是:把自由水经过纳米组装技术的处理后,组装成6纳米左右的水颗粒,然后加到连续的油相当中,形成热力学稳定的纳米燃油,让燃油在燃烧前通过进行水颗粒微爆的二次雾化作用,炸碎燃油雾滴,使之进一步雾化,实现更加充分和均匀的燃烧,达到提高燃油的燃烧效率和机械效率,进而实现提高发动机动力性能节省燃油和保护环境的功效另外,纳米水颗粒的微爆作用还能有效地清除发动机燃烧室内的积碳国内很多石油销售公司和加油站都已经添加了"纳米水" 高分子材料的纳米化 现有的高分子化学反应中原子重新排列键合的反应空间一般都较原子尺寸大得多,因此化学反应是在一非受限空间进行的如果在一有限空间或环境中,如纳米量级的片层中,小分子单体因为与片层分子的物理相互作用而被迫在此受限空间中进行某种方式和程度的排列,然后再发生单体的聚合时,聚合产物的拓扑结构既不可能是受限空间的完全复制,又不同于自由空间中得到的情况我们从这种受限空间的聚合反应也许可以提出高分子纳米化学的概念化学的制备对象从来都是纳米量级的原子或分子,但由于其方法不够精细,不能在纳米尺度上实现原子或分子的有目的的精确操纵,因此即使目前可以做到分子的精确设计也较难实现,从而使得化学合成给人以粗放的感觉高分子的纳米化学,就是要按照精确的分子设计,在纳米尺度上规划分子链中的原子间的相对位置和结合方式,以及分子链间的相互位置和排列,通过纳米尺度上操纵原子分子或分子链,完成精确操作,实现纳米量级上的高分子各级结构的精确定位从而精确调控所得到的高分子材料的性质和功能高分子纳米化学的目的就是实现高分子材料的纳米化 高分子材料的纳米化可以依赖于高分子的纳米合成,这既包括分子层次上的化学方法,也包括分子以上层次的物理方法利用外场包括温度场溶剂场电场磁场力场和微重力场等的作用,在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样移动分子,采用自组装自组合或自合成等方法,靠分子间的相互作用,构建具有特殊结构形态的分子聚集体如果再在这种分子聚集体中引发化学成键,则能得到具有高度准确的多级结构的高分子通过这种精确操作的高分子合成,可以准确实现高分子的分子设计 高分子材料的纳米化还可以通过成型加工的方式得以实现,即在成型加工过程中控制高分子熔体的流动,调节高分子的结构形态从而控制使用性质高分子材料的纳米化研究不仅应包括纳米化制备方法,还不应忽略高分子材料的纳米结构的观察和纳米性质的测量因为结构和性能决定材料的使用价值而高分子材料的纳米化的结果,是使得表面层上和界面层上的结构和性能表现出特异性,这部分也是由于在表面和界面的尺寸限制下,高分子材料的相结构和形态发生突变所致因此需要开展表面层上和界面层上的相结构相行为及分子链动力学的研究,建立相应受限条件下的高分子材料的构效关系采用的研究方法中,计算模拟和扫描探针技术等都是十分有用的 新型纳米催化剂 由中科院固体物理所和蚌埠化工研究所共同承担的安徽省科技厅"九五"攻关项目棗"固载型纳米催化剂研制及其在亲水性硅油合成中的应用"日前全部完成,并于近日通过了专家鉴定专家们认为,成果达到了国内领先水平 固载型纳米催化剂的研制难度很大,国内外尚未见报道3年来,固体所纳米中心的科技人员,在经过纳米功能膜改性的纳米多孔小球上,组装铂钯等纳米粒子,获得了一种新型催化剂 以这种固载型催化剂代替氯铂酸,用于亲水性有机硅的合成,能多次回收和多次使用,可降低生产成本提高产品质量该项研究完成了预定的指标,其制备技术属国内首创催化转化率达98%以上;可用于催化反应3次以上;合成产物中重金属残留量小于10ppm该固载型纳米催化剂的研制成功,解决了亲水性有机硅合成的难题亲水性有机硅主要用做纺织品的整理剂消泡剂,经纺织印染行业试用,其面料可涵盖棉毛麻涤混纺等品种,其色彩可拓展至全部色系,经处理后的产品有优异的柔顺性及抗静电性由于用新工艺合成出亲水性硅油,铂的残留量大幅度降低,拓展了亲水性有机硅的应用领域,减少了贵重金属的使用和排放量,有利于节约资源,保护环境,具有积极的社会效益和经济效益 未来世界:纳米耳将使你闻所未闻 如果你的耳朵足够灵敏,你将会听到自己的身体内部发出巨大的吵闹声: 暄闹的细菌在你的肠胃里举行闹宴;你的细胞中的线粒体如同超负荷运行的发电站一样嗡嗡作响,正在自我复制的脱氧核糖核酸束打开链接时所发出的噪声像撕裂金属一般你身体的每一个细小部分都发出具有独特鲜明特征的噪音在近处倾听,你身体内部的声响就像1个走调的乐队在交通高峰时刻演奏《时代广场》 现在想象一下,在所有这一切生物学暄闹之中的某个地方,癌细胞已经开始分裂在它们蔓延的时候,它们奏出的曲调如同英国作曲家埃尔加的大提琴协奏曲的旋律一样清晰没有任何人工耳,无论技艺多么高超,其敏锐度足以透过这种细胞的吵闹声,听到癌细胞所发出的清晰声音但是,佛拉维奥·诺卡希望改变这一切 诺卡是美国航空航天局喷气推进实验室的1位物理学家兼工程师,他所在的小组研制出了登峰造极的毫微耳的样品他们希望,这些耳朵最终将会极其微小和极其敏锐,以致能够仅仅通过两种细胞所发出的噪声就能把它们分辨开来若把这种纳米耳注射到你体内循环的血液中,它们可能能像微型听诊器一样窃听你的新陈代谢,在患病细胞或者癌细胞蔓延之前发现它们如果敏锐度足够高的话,诺卡的纳米耳甚至有可能被送到其他行星上侦听生物,或者辨别出外星海洋中的化学反应,所利用的却不外乎是它们所发出的喀嚓声尖叫声和砰砰声所组成的"交响乐" 这并非痴人说梦喷气推进实验室生命探索中心主任尼尔森说:“当微生物四处爬动和进行生物化学反应的时候,它们发出噪音的方式与1个蒸汽核反应堆发出噪音没什么两样”鞭毛和纤毛,甚至细胞的分裂与呼吸,都发出清晰的声音当今最先进的传声器采用一种弹性膜,遇到声波它会振动但是,如果你想听到微生物的窃窃私语,光靠膜是不灵的较大的膜比较重,因此细微的声音没有足够的能量使它们振颤把它们造得较小和较轻也无济于事,因为膜越小,就越紧,换言之,其敏感度急剧下降 诺卡进行了数学运算,意识到微型传声器是一条死胡同他得出结论,解决办法是模仿大自然的一个诀窍例如在人耳中,耳鼓所接收的声音经过3块骨头传到耳蜗耳蜗内部有一排排毛细胞,细胞上部是一簇簇细丝,称为静纤毛噪声振动使耳蜗中的液体活动,使这些静纤毛飘荡,就像风吹动柳丝一样静纤毛每次晃动,都触发被大脑理解为声音的电脉冲诺卡和他的小组得出结论,碳纳米管十分适于作人造静纤毛,而且纳米管比钻石还耐用,其弹性却如同人发一般然而,当时碳纳米管的制造量极其微小,根本不足以用来制造人工耳就在这时,诺卡结识了当时任多伦多大学新兴科技教授的许竟鸣2000年他们聚到一起,许竟鸣介绍了自己像草皮种植场种草那样种植碳纳米管的新颖方法:将种子播下,向其提供发芽所需的一切,然后让大自然来做其余的工作许竟鸣的碳纤毛对于诺卡的小组来说如同雪中送炭在一平方厘米内就能种植大约100亿根最重要的是,许竟鸣的纳米管具有使纳米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力诺卡说:"耳朵里的纤毛直径为100纳米左右,长度是一两个微米而我们现在能够制造直径只有几纳米长度却达到60微米的纳米管纤毛越长越细,弹性就越大,灵敏度就越高这些装置在太空中将能够大行其道,而且在地球上也大有用场 尼尔森说:"有朝一日,我们或许能够制造一种人工耳蜗,通过监听水中游动的微生物的节奏来检验水质"还可将这种人工耳蜗置于人体血液循环中,作为流动的纳米听诊器,专门监听细胞功能失调 也许要不了多久,我们就会看到诺卡的装置是否灵验虽然在医生们的出诊箱中出现纳米听诊器,还需要10年或更长时间,但是诺卡期望在3年内拥有样品 纳米耳在其它领域中的应用可能同样惊人例如,剑桥大学的化学家克勒纳曼已在探索"侦听"化学反应声音的新奇途径克勒纳曼说:"分子水平上的噪声学是一个未知领域诺卡还有许多工作要做"诺卡则急于大显身手他说:"分子水平上的噪声学是个完整的,嗡嗡作响的世界,许多问题在等待答案我们的静纤毛将开始解答这些问题 碳纳米管显示器问世 在普通电压的驱动下,一厘米见方硅片上有序列的上亿个碳纳米管立刻源源不断的发射出电子在电子的〃轰击〃下,显示屏上〃CHINA〃字样清晰可见……不久前,我国一个研究小组首次利用碳纳米管研制出新一代显示器样品 截至目前,空虚显示器已连续无故障运行1600个小时,显示质量和性能没有出现任何衰减专家认为,这标志着我国在碳纳米管应用上取得重要突破,并跻身于碳纳米管场发射研究领的世界先进行列,为通用平板显示器的研发开辟了新的捷径 1991年科学家发现了〃超级纤维〃碳纳米管近年来,科学家发现碳纳米管具有极佳的场发射性能,有望替代其他材料成为较理想的场发射显示器阴极材料,从而拉近了碳纳米管和普通百姓的距离 利用这种性能,韩国和日本的专家去年以来先后研制出具有初步显示功能的实验品但因碳纳米管需要移植,很难保持方向上的一致性,其场发射性能大打折扣 在〃超级纤维〃领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究,并于今年7月取得突破西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径,引导碳纳米管有序定向生长在导电的硅片衬底上,并进而研制出功能完备的场发射像素管,因纯度高,有序性好,场发射性能也大大提高,在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献 和传统显示器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45度到零上85度都能正常工作,因此拥有极广阔的潜在市场前景 碳纳米管可制成极好的微细探针和导线性能颇佳的加强材料理想的储氢材料它使壁挂电视进一步成为可能,并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要的角色,从而引发计算机行业革命 碳纳米材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一从近期美国《科学素引》发表的和碳纳米管有关论文数看,我国排在美日之后位居世界第三 我国在世界上首次直接发现纳米金属〃奇异〃性能 发丝状的纳米铜,室温下冷轧竟从1厘米左右延伸到近1米,厚度也从1毫米变成20微米……不久前,中科院金属研究所的一个科研小组,在世界上首次直接观察到纳米金属材料具备的〃奇异〃性能--室温下的超塑延展性,从而标志着我国纳米材料研究再获新突破 这一发现得到同行的普遍好评,论文也发表在世界权威刊物《科学》上纳米材料〃鼻祖〃德国科学家格莱特(H·Gleiter)教授认为,这项工作是〃本领域的一次突破,它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的〃 传统金属材料在加工过程中易出现裂纹甚至发生断裂如何使金属具有超塑性--可承受很大的塑性变形而不断裂,成为各国科学家面临的一道难题十年前,格莱特教授曾预测:如果将构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级,材料在室温下应具备很好的塑性变形能力 多年来,尽管预测得到了计算机模拟结果的肯定,但各国科学家的实验结果却令人失望孔隙大密度小被污染等因素使绝大多数纳米金属在冷轧中易出现裂纹,塑性很差 材料不过关,自然是巧妇难为无米之炊35岁的卢柯研究员领导的小组首先利用新的制备工艺,合成出大量高密度高纯度的纳米铜,其晶粒尺寸仅有30纳米,是常规铜的几十万分之一进一步的冷轧实验中,他们兴奋地观察到了这种奇异现象:纳米铜在室温下可变形达50多倍而没有出现裂纹 专家指出,"奇异"性能的发现,缩短了纳米材料和实际应用的距离,意味着和普通金属力学性能完全不同的纳米金属,在精细加工电子器件和微型机械的制造上具有重要价值,材料加工领域的一场革新有望到来 纳米材料是当前最活跃的科学前沿之一,各国科学家都将其作为主攻目标进行研究过去十年里,卢柯领导的研究小组在纳米材料领域取得了一系列创造性的成果和发现,被国际权威人士誉为世界有成就的6个研究组之1,卢柯也成为国际纳米材料委员会唯一的中国籍委员专家认为,能够连续取得世界领先成果,意味着扎根国内,科学家是可以跻身国际前沿的 中科院造出神奇"纳米布" 人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染,现在这种梦想已由中国科学家实现咋天,中科院化学所专家宣布研制成功一种不粘油污不粘水的新型纳米材料一超双疏性界面材料使用这种材料的纺织品和建材,不用洗涤,也不染油污这标志着中国在纳米材料研制方面的又一新突破纳米是一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度科学家发现,当材料组成的精度达到纳米级时,物质就能表现出一些新特性,从而为新材料的产生创造条件最具有说明性的例子就是,改变碳原子的排列结构,能把廉价的石墨变成价值连城的钻石因此,纳米技术是当今各国科技界竞争的焦点据中科院化学所雷江教授介绍,他在日本留学时首先提出了"二元协同纳米界面材料"这一新概念,即将两种性质不同的粒子组合在一个"界面"上,从而使材料具有新特性超双疏性界面材料具有超疏水性及超疏油性质记者在现场看到,无论怎样向这种新材料上倾倒油污(包括墨水酱油菜汁),它都纤尘不染它的诞生可使石油工人的衣服不再油渍斑斑,也使生产研制水陆两用服成为可能如果将这一材料用于建筑物表面,还具有自清洁和防雾防霜效果,可免除人工清洗据悉,在纳米技术这一21世纪尖端材料的研究中,我国目前暂居第四位中科院已决定投资5000万元,将纳米研究提高到一个新的水平 纳米生物技术所带来的新科学技术 生物技术与纳米技术均为现代的重要科技,但是二者之间并非毫不相干随着时代的进步,近年来各科技领域的研究方向,不论是在材料或装置方面,均朝向纳米层次的大小发展;而掌握了纳米层次的技术之后,对于蛋白质DNA等较大的复杂分子之观察测定与应用,便能够有效进行利用纳米生物技术能够将简单的材料,在纳米大小的尺度层次上加以组合改造,亦即在纳米层次上制作成具备高机能性的零件或系统,再将其应用到人体上面另一方面,可以将纳米大小的微粒子附着在抗癌剂或在肝脏会发生抗原抗体反应的药物上,以便将药物精确地输送到目的地精确药物输送系统的开发,基本上是利用粒子的大小与药物的选择性反应,例如将100纳米大小的粒子附着在抗癌剂上,一般的血管不会吸收,但是碰到癌组织等异常增殖的地方,便会被吸收而发挥功效生物芯片则是另一种纳米生物装置,可以分为蛋白质芯片与DNA芯片两大类,可以说是一个小型的完全分析系统,利用小小的芯片便能对小量样品进行分离分析与解析,不但成本低而且速度也快在新药开发方面,藉由在纳米层次上对蛋白质与DNA所作的直接观察,能够确立药物研发的方向,而且不必经过传统的人体实验,对于疾病的治疗将会带来相当的帮助 |
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