范文一：生物纳米技术的功能原理

生物纳米技术的功能原理

信息驱动合成允许利用单一构建机制合成结构不同的产物。 核糖体是一个活动的分子装配体，它可以利用线性信息存储介质构建线性

聚合物。它为信息驱动的原子纳米装配提供了确凿证据。

DNA聚合酶合成的持续性通过DNA 周围存在的夹子结构得以提高。 信息以原子的特殊排列被紧密编码。DNA中使用二字节工作密码，每一字

节需要约15个原子。

通过以恰当位置和构像组装分子能减小化学反应熵。

特殊结合部位能用来定义特定反应的专一性和立体化学性质。 通过建立稳定过渡态的特殊化学反应环境可催化化学反应。 特殊的辅基可将原子基团转移到分子上。

双稳态的生物分子复合体利用变构变化来进行可逆调控。 底物和调控分子在变构蛋白上的结合位点常处于两个亚基的接触面之间。 共价修饰可用来对分子进行可逆调控。

裂解可以被用来对生物分子做一次性激活。

通过蛋白质亚基的螺旋连接构建细纤丝。

增加亚基表面交叠和交联亚基可以强化原纤维。

二维网格用一个填充分子基质填充组成强壮有抗性结构的材料。 提高离子浓度和提供特异性连接蛋白可以在密闭空间内生长矿物质材料。

弹性蛋白含有无序的片段和交联的片段。

海洋生物黏合剂使用表面相互作用的羟基化氨基酸，并可以在处理期间扩展交联。

ATP驱动的分子马达产生驱动力通过结合ATP或释放ADP和磷酸来实现。水解ATP的反应提供了一个不可逆的步骤，使这一过程具有方向性。

多纳米尺度的运动能够通过将ATP水解位点与蛋白质构像的变化连接起来，产生驱动力。有关的例子包括一系列关节运动，如肌浆球蛋白和ATP合成酶中的F1马达，或者驱动特定的有序/无序状态过渡的运动，如驱动蛋白。

热运动能够通过布郎棘轮修正。这需要一维的障碍物来进行修正。例子有ATP合成酶的F0马达上发生电荷中和反应的门和肌动蛋白聚合过程中的ATP。

穿过细胞膜的通道可以通过蛋白质嵌入细胞膜形成。

通过设计通道的化学特性能够形成选择性通道。去溶剂化后，钾通道利用选择稳定性运输钾离子而阻止钠离子通运输。

特定的转运蛋白利用滚翻机制连续打开位于膜两边的门进行物质运输。

质子泵利用循环过程从膜的一边携带质子，转运，在膜的另一边释放。生物学的例子包括利用电子流或光作为能源的泵。

生物传感器利用两种途径来传递刺激，它们利用形状的改变来对刺激做出反应，这一形状改变被信号途径中的其他蛋白质检测到。当接收到这种刺激时其他的通道就打开。

对特定分子的感测是通过在受体上产生特异的识别位点进行的。

对光感受通过监测视黄醛的状态进行。

自复制的细胞包括5项基本功能:信息驱动装配体、信息储存介质、信息复制器、一套产生细胞构建材料的合成机器及基础结构。

设计现代细胞，大约需要250~350个基因用于自复制。

设计现代细胞受进化过程的限制。用于自复制体的其他设计被证明是十分快捷的。

细胞的基本构造是经进化过程形成的。

自然界的双分子系统在实现大部分功能时运用扩散及捕捉的方法。对于纳米过程来说，这种方法十分快速和精准。机器态装配体被用于完成特定的微观尺度任务和大规模的装配任务。

范文二：蒙脱石有机插层纳米技术原理

蒙脱石有机插层纳米技术原理

蒙脱石主要存在于膨润土、累托石等层状或混层状硅酸盐粘土矿物中，能直接或提纯后使用。其结构是以二个硅氧四面体夹一个铝氧八面体构成单位晶胞，并在二维方向上连接成片、在c轴方向以一定片层厚度堆积而成，属典型的层状矿物。由于蒙脱石四面体中的硅被铝、八面体中的铝被镁同晶置换，使片层表面具有过剩的负电荷，并通过层间吸附Na十,K十、Cat2十、Mg2十等阳离子达到晶胞电荷平衡。因而从片层微观结构看，形成了平衡的双电层结构。由于层面的负电性，层间阳离子很容易被其他无机或有机阳离子置换。其中，可用做阳离子交换的有机物种类很多，但由于各自在结构和性能上的不同，不同有机插层交换剂处理后的蒙脱石其分散性、凝胶性、吸附性和纳米效应有许多差异;并且蒙脱石插层改性产品其插层剂、插层工艺、应用方向等研究内容多涉及不同学科的交叉领域，尤其是插层改性后的纳米效应为纳米材料的制备提供了一条新的方向，使蒙脱石纳米矿物材料研究成为近年来的热点，也为非金属矿物功能性材料开发开辟了一个新的思路。

随着1987年日本丰田中央研究院首先开展插层蒙脱石纳米化技术研究，并随后制备出了蒙脱石/尼龙6插层聚合纳米复合材料，使蒙脱石插层改性研究和应用受到国内外矿物和高分子材料学科研究者注目，纷纷进行新的插层工艺和应用技术研究。目前，仅在聚合物复合材料制备领域，就进行了聚烯烃(PE,PP)、聚酰胺(PA6, PA66等)、环氧树脂、聚脂(PET, PBT, PMMA)、聚甲醛(POM)、聚苯乙烯(PS)、橡胶、聚氧乙烯(PEO)等树脂品种研究，使蒙脱石纳米矿物材料有可能首先在复合材料领域经济的大量应用。因此，探讨蒙脱石有机化插层改性规律及对应用技术进行评价，具有重要的现实意义。

1、插层剂选择及分类

由于蒙脱石晶层内部的双电层结构，表面层所带的负电荷更易吸附比表面积大的有机阳离子到晶层附近，最终取代层间原有阳离子，形成新的更加稳定的层状结构。从所用有机物的反应特性看，凡在水中能电离或反应生成有机阳离子的均可作为蒙脱石改性插层剂。从插层剂结构看，体积较大的有机阳离子，既易于撑大硅酸盐层间距，又有利于形成稳定的插层复合矿物，使蒙脱石内外表面由亲水转变为疏水，易使有机溶剂、聚合物单体或聚合物复合应用时插人蒙脱石层间，形成各种蒙脱石/聚合物纳米复合材料。因此，插层剂的选择是蒙脱石插层改性的技术关键。

从插层剂结构本质看，可分为非反应型和反应型两大类。

1.1非反应型有机插层剂

非反应型有机插层剂较早就应用于蒙脱石有机化改性，目前已广泛应用的油漆、油墨和润滑脂等产品的增稠剂就是利用非反应型有机插层剂制备的。其插层原理是利用在溶液中能电离出有机阳离子(如季胺盐)或通过质子化能生成有机阳离子(如伯胺RNH2、仲胺R2NH,叔胺R3N)等有机胺作为蒙脱石用非反应型有机插层剂，所用有机物中的R基为饱和烷基，本身起离子交换和撑大层间距的作用。非反应型有机插层剂新的应用是利用有机阳离子具有过度撑大层间距的效应，将蒙脱石晶层充分撑开，当同极性有机物作用时，易干进一步解离成纳米级分散的片层，均匀分散的纳米级片层对基体材料有较强的补强作用。此改性应用制备，有机插层剂用量大，并且插层剂体积越大，分散解离效果越好。目前已应用于各种挤出法和混合法蒙脱石/聚合物纳米复合材料制备。

1.2反应型有机插层剂

反应型有机插层剂除要求能生成阳离子外，还要求阳离子本身带有活性基团或不饱和键，通过引发剂或体系热作用，活性基团间能反应脱水缩聚或同基体混合反应缩聚形成稳定的交联大分子，含不饱和键的有机阳离子类似活性基团反应相连也形成大分子。此类有机插层剂常用烷基氨基酸、烷基内酰胺、烷基二胺含有不饱和双键或三键等的有机化合物。改性加工后的插层蒙脱石常用于不同单体树脂的合成中，蒙脱石插入的有机基团生成的大分子产物不仅对分散

相的力学性能起较好的补强作用，而且由于反应时的热作用，使蒙脱石的片层更易分散，甚至解离成以单元片层为主的近完全剥离型分散的有机蒙脱石。此类插层剂改性的蒙脱石主要用于聚合法蒙脱石/聚合物纳米复合材料制备。

2、蒙脱石插层性能表征及其影响因素

2.1分散性

分散性是评价插层蒙脱石的重要特性，通过对蒙脱石有机化插层处理，使在有机相中团聚、分层、不融合的无机非金属矿物变成能均匀分散于有机体系的有机化蒙脱石。其分散过程是有机插层蒙脱石在溶剂或热作用下，溶剂或基体同层间阳离子混合或偶联，并均匀分散嵌入层间有机阳离子之间，使层间距增大，形成内膨胀.层状集合体解离成更薄的薄片，并克服了蒙脱石矿物即使通过机械力也难于解决的超细分散和团聚难题，而且分散后的蒙脱石片层在所带有基团的协同作用下，使基体力学、热学、阻隔、阻燃等性能进一步提高或改善。

有机蒙脱石分散性的表征可以利用在有机溶剂中的分散粒度和粉晶X一射线衍射值两种方法评定，其中X-射线衍射值是快速推断有机化插层蒙脱石在有机相中分散性优劣的主要依据。以常用的季胺盐型插层改性剂十八烷基三甲基氯化铵(简称1831，下同)、十八烷基节基二甲基氯化铵(1827)、十六烷基三甲基氯化铵(1631)、十六烷基节基二甲基氯化铵(1627)、十二烷基苄基二甲基氯化铵(1227),双十八烷基二甲基氯化铵型(2HT-75, SM-95)等对蒙脱石插层改性处理为例，其X-射线衍射表征层间距，随着碳链数的增长，改性蒙脱石层间距剂中使用时层间部分阳离子进入溶液，使蒙脱石层面负电不断增大，当长碳链数由1根(1831)增加到2根时，碳链在层间的排列方式由倾斜变为近似直立形成了包裹大量溶剂的假塑性网架结构。层间距急剧增大。从分散性应用角度考虑，一般选择有机插层蒙脱石的凝胶性能除与蒙脱石纯度有关外，碳链长为12-18个碳的有机物适宜。碳链短，插层反应时更受蒙脱石单位半晶胞电荷数、层间可交换阳离子量等影响在水中溶解度大，不利于在蒙脱石表面形成薄膜和提高疏水较大，但碳链过长，在水中溶解度低，不易同蒙脱石形成稳定的交换产物，此外，蒙脱石在水中的分散程度、低层电荷型(又称怀俄型)蒙脱石(蒙脱石单位半晶胞层电荷如.20-0.35)适宜做凝胶和触变性有机蒙脱石。

2.2纳米效应

用非反应型和反应型有机物插层处理的蒙脱石均可表现纳米效应，其中，非反应型有机物处理的蒙脱石在分散完全后，有机蒙脱石的片层从微观结构上看还保持一定程度的晶层厚度，具有近程有序和远程无序性的特点;而用反应型有机物处理蒙脱石时，大粒径的有机阳离子自身不仅使蒙脱石层间距增大，而且由于所带有机阳离子在引发剂或热作用下发生缩聚反应，进一步撑大了层间距，使蒙脱石片层在一维方向上更易解离成纳米单元片层，均匀分散于基体中，反应型有机插层蒙脱石由于在聚合前加入，聚合应用时一般在隔氧条件下操作，不仅蒙脱石分散更均匀，晶层解离更完全，而且制品外观色泽娇从复合后材料的各种性能看，较非反应型有明显的提高，性能更好.

所用蒙脱石以钠基蒙脱石为好，其CEC值应适中。由于纳米分散相有大的比表面积和强的界面相互作用，纳米复合材料表现出不同于常规混合材料的力学、热学、电磁学和光学性能。而且具有较好的阻隔、阻燃和各向异性，是开发新型功能性矿物材料的理想途径。自日本首先研究蒙脱石/尼龙6纳米复合材料起。其研究和应用领域不断扩展，并首先在聚合物领域纳米产业化应用，用于汽车发动机配件，具有质轻、强度高、热稳定性好的特点，是目前用量较大的纳米复合工程塑料材料。

蒙脱石纳米复合材料微观结构可用X一射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等来表征，其热、力学性能除直接考察复合材料的拉伸，抗弯、冲击强度和热变形温度外，也可通过示差扫描量热法(DSC),热失重分析(TGA)、红外光谱(FTIR)等表征。

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范文三：谈纳米技术的原理及其最新的应用

谈纳米技术的原理及其最新的应用

一．纳米技术的概念

纳米技术(nanotechnology），也称豪威技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。

1981年扫描显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究微观粒子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米材料学，纳米生物学，纳米电子学，纳米加工学，纳米力学，纳米体系物理学，纳米化学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料，纳米尺度，纳米器件的检测与表征，这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

二．技术介绍

1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。 纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。

三．纳米技术的应用优势

(1)用纳米技术在纤制品和纺织品中添加纳米微粒，可以除味杀菌；

(2)用纳米材料做衣服既漂亮又能防静电，可称“绿色”服装；

(3)用纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经问世；

(4)用纳米粉末，可以使废水彻底变成清水，完成能够饮用；

(5)用纳米做的食品色香俱全，还有益于健康；

(6)用含纳米微粒的建筑材料还可以吸收对人体有害的紫外线；

用纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机发动机部件的理想材料，大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。

神奇的纳米技术以渗透到我们日常生活的方方面面，它将创造许多新的奇迹，带给我们新的生活！

四，重点谈纳米技术在军事领域的应用

纳米技术的迅猛发展，特别是微机电系统的初步成功，为军事科技工作者研制纳米武器奠定了物质基础。他们尽情发挥想像力，研制出千奇百怪的战场“精灵”。 “麻雀”卫星。美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成

技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。

“蚊子”导弹。由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。

“苍蝇”飞机。这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。

“蚂蚁士兵”。这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。

此外，还有被人称为“间谍草”或“沙粒坐探”的形形色色的微型战场传感器等纳米武器装备。所有这些纳米武器组配起来，就建成了一支独具一格的“微型军”。据美国国防部专家透露，美国第一批“微型军”将在5年内服役，10年内可大规模部署。

与传统武器相比，纳米武器具有完全不同的特点。人们必须对其“刮目相看”，充分认识其对未来战争的影响。

首先，纳米武器实现了武器系统超微型化，使目前车载机载的电子战系统浓缩至可单兵携带，隐蔽性更好，安全性更高。

其次，纳米武器实现了武器系统高智能化，使武器装备控制系统信息获取速度大大加快，侦察监视精度大大提高。

再次，纳米武器实现了武器系统集成化生产，使武器装备成本降低、可靠性提高，同时使武器装备研制、生产周期缩短。

因此，纳米武器的出现和使用，将大大改变人们对战争力量对比的看法，使人们重新认识军事领域数量与质量的关系，产生全新的战争理念，使武器装备的研制与生产更加脱离数量规模的限制，进一步向质量智能的方向发展，从而彻底变革未来战争的面貌。未来战场，巨型武器系统和微型武器系统将同时存在，协同作战，大有大的作用，小有小的妙处，作战手段更加机动灵活，战斗格局更加诡谲多变。人们更多看到的将是“蚂蚁啃大象”、“小鬼擒巨魔”、“以小制大”、“以微胜巨”的奇异战争景观。

五，纳米技术在其他领域的应用

1.陶瓷领域

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的 作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了 较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷 材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国著名材料专家Cahn 指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。

Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成， 则能够在低温 下任意弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能掌握单相纳米陶瓷在烧结过程中抑 制晶粒长大的技术，从而将陶瓷晶粒尺寸控制在50nm以下，则纳米陶瓷将具有高硬 度、高韧性、低温超塑性、易加工等无与伦比的优点。虽然纳米陶瓷还有许多关键 技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发 动机部件等方面有广泛应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材 料不可替代的作用。美国加州大学伯克利分校制作出直径与头发等宽的微型马达， 该微型马达可以用来驱动诸多微型器件。另外，美国波士顿大学的化学家们制备出 了世界上最小的分子马达，该马达由78个原子构成，分子马达成果使纳米技术的研 究提高到一个新水平。

2.微电子学

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分。目前，利用纳米电子学已经研制成功 各种纳米器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利 用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器已经问世。早在1989年，IBM 公司的科学家就 已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移协了氙原子，并利用它拼成了“IBM” 三个字母。日本的日立公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动 状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外，日本NEC 研究 所已经拥有制作100纳米以下的精细量子线结构技术，并在GaAs半导体衬底上， 成 功制作了具有开关功能的量子点阵列。目前美国已研制成功尺寸只有4纳米， 具有 开关特性的纳米器件，由激光驱动，且开关速度很快。

美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳几 十亿个这样的量子点。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子 和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子 点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微细加工工艺，它将为研制智能型微型 电脑带来希望。

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构 造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力 的革命性突破。它所引起的世界性的技术革命，将比历史上任何一次技术革命对社 会经济、政治、国防等领域所产生的冲击都更为巨大。

3.生物工程

分子是保持物质化学性质不变的最小单位，生物分子是很好的信息处理材料， 每个生物大分子本身就是一个微型处理器。分子在运动过程中以可预测方式进行状 态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以设计 量子计算机。美国南加

州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实 验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题——“哈密尔顿路径问题”，使 人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。

虽然分子计算机目前只是处于概念阶段，但科学家已经考虑用几种生物分子制 造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化 学物理特性和很好的稳定性，而奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到计 算机信息处理和信息存储的作用。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质 制作了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫 红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置，制作生物芯片， 结合微细加工技术，制成一种混合型微型计算机，其数据存储量和处理速度将是当 今最先进的电子计算机所望尘莫及的。另外，同半导体计算机相比，它不会对环境 造成任何潜在的污染。

纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限， 使单位体积物质的信息储存和处理能力提高百万倍，从而实现电子学上的又一次革 命。

4.光电领域

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，纳米技术在光电信息传 输、存贮、处理、运算和显示等方面的应用，使光电器件的性能大大提高。将纳米 技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力大大提高，甚至可以将超高分辨率纳米 孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现： 纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，纳米激光器工作时只 需微安级的电流。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送 入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。由于只需极 少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有激光器能够以快于 每秒种200亿次的速度开关，适用于光纤通信。 美国贝尔实验室已将导线设计得等 于头发丝的四百分之一，而且还能更细。1997年它利用电子束加工集成电路的技术， 成功获得线宽仅为80纳米，大大增加了容纳的电路数目。他们利用纳米技术所制备 出的电晶体，其宽度不到一根头发的千分之一，每个指甲般大小的晶粒上可有10亿 个这样的电晶体。

5.化工领域

将纳米二氧化钛TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，可以有效地遮蔽紫外线。 一般认为，其体系中只需加入0.5—1%的纳米二氧化钛，即可充分屏蔽紫外线。 目 前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。另外，紫外线不仅能使肉类食 品氧化而变色，而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物，从而降低食品的营养 价值。如用添加0.1—0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装， 既可以防止紫外 线对食品的破坏，还可以使食品保持新鲜。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张 中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气 体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩，用于电池电极、化学成分 探测器及作为高效的热交换隔板材料等。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油 墨，制作固体润滑剂等。

研究人员还发现，可以利用纳米碳管独特的孔状结构、大的比表面（每克纳米 碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，能够使化学反 应局限于一个很

小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的 取向和排列，但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限 制作用将影响和决定反应的方向和速度。此外，纳米碳管可以承受100 万个大气压 而不破裂，因此可以利用纳米碳管作为加强材料来制造轻便且刀枪不入的防弹服装。

6．医学

随着纳米技术的发展，在医学上也开始崭露头角。研究人员发现，生物体内的 RNA蛋白质复合体，其线度在15--20纳米之间， 并且生物体内的多种病毒也是纳米 粒子。10纳米以下的粒子比血液中的红血球小，因而可以在血管中自由流动。将超 微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，可作为监测和诊断疾病的手段。科 研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗， 以减少副作用。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破，现在 已用于临床动物实验，估计不久的将来可服务于人类。纳米技术在生命医学上，可 了解生物大分子的精细结构与功能的关系，获取生命信息。科学空们设想利用纳米 技术，以20种氨基酸为原料，按分子设计合成所需的蛋白质“零件”，并进一步利 用肌肉细胞的纤维结构，从而制造出分子机器人。可利用分子机器人在血液中循环， 对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏 动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，被视为当今疑难病 症的艾滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而使医学发生革命。

7.分子组装

如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工 作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学 与主客体模板化学、超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手 术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳 米颗粒能在该模型内生成并稳定，则可以控制纳米粒子的尺寸并防止团聚的发生。

Wagner等通过自组装方式合成了具有电荷传递功能的配合物分子梭，具有开关 功能。Schmid等利用特定的配位体，成功地制备出均匀分布的由55个Au原子组成的 金纳米粒子。如果以这种金纳米粒子做成分子器件，其分子开关的密度将会比一般 半导体提高105—106倍。1996年，IBM公司利用分子组装技术， 研制出了世界上最 小的“纳米算盘”，该算盘的算珠由球状的C60分子构成。 美国佐治亚理工学院的 研究院人员利用纳米面料管制成了一种崭新的“纳米秤”，能够称出一个石墨微粒 的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量。英国巴斯大学利用分子自组装技术， 成功地合成了多孔的纳米结构的文石。

纳米结构自组装，为新材料的合成带来了新的机遇，也为新物理和新化学的研 究提供了新对象，是极细微尺度物理和化学的前沿方向。

六．纳米技术的研究现状及市场前景

纳米技术作为一种最具有市场潜力的新兴技术，重要性毋庸置疑，发达国家都 投入大量资金进行研究。如美国最早成立了纳米研究中心，日本文部省把纳米技术 列为材料科学的四大重点开发项目之一。在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米 技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微系统的研究。在国内，许多科研院 所、高等院校也组织力量，

开展纳米技术的研究工作，并取得了成果。如中国科学 院物理所解思深等制备了定向纳米碳管阵列；固体物理所张立德等制成了准一维纳 米丝和纳米电缆等；清华大学范守善等利用纳米碳管制备了氮化镓一维纳米棒。

德国科学技术部曾预测纳米技术市场：认为到2000年，纳米结构器件市场将达 到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其他纳米复合材料市场将达到5457亿 美元，纳米加工技术市场将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场将达到 27.2 亿美元。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点。

范文四：纳米技术的原理与方法-----博士入学考试 大纲

纳米技术的原理与方法---------博士入学考试大纲

一、考试要求

要求考生较全面系统地了解纳米科学与技术发展的基本过程与主要趋势，掌握重要的基本概念和基本原理，具有较强的分析问题和解决问题的能力，能进行纳米研究方面的正确分析以及综合运用，包括能针对某些具体的纳米技术应用目标，通过文献调研与分析，初步设计具有一定合理性的研究方案等。

二、考试内容

第一章 概论

1、纳米科学与技术发展的基本历程与主要方面；

2、纳米科技中的一些基本概念，如纳米颗粒、团簇、尺度与纳米尺度效应、宏观量子效应、表面与界面效应等；

第二章 介观尺度上的物理

1、介观物理的由来；

2、介观物理的基本内容，如久保理论、AB实验、普适电导涨落特性等；

第三章 纳米材料学

1、纳米材料合成或制备的主要方法，包括物理方法、化学方法、生物方法、综合方法等原理与装置；

2、纳米材料的主要特性及研究方法；

第四章 纳米结构的加工技术

1、纳米结构的主要分类；

2、纳米结构加工的主要方法及其基本原理

第五章 纳米表征测量技术

1、纳米结构表征与测量的主要基本点与主要方法；

2、扫描隧道显微术、原子力显微术等基本原理与研究方法；

第六章 微/纳米机电系统

微、纳米光机电系统的发展要点与主要研究内容；

第七章 纳米电子学

了解纳米电子学、分子电子学发展的主要研究方面；

第八章 纳米生物学

了解纳米生物学、纳米医学、药学纳米技术等相关方向的研究发展内容，包括纳米生物安全性等方面的一些研究进展；

第十章 纳米技术的应用

了解纳米技术在能源、环境、食品等各个方面的一些应用情况，联系相关基本原理分析发展的前景、以及需要进一步研发的内容等

三、主要参考书

1、张立德,牟季美,纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社,2002.

2、顾宁张海黔,付德刚,纳米技术与应用,人民邮电出版社,2002

3、李玉宝 顾宁 魏于全,纳米生物医药材料,化学工业出版社,2004

4、阎守胜 甘子钊 ,介观物理,北京大学出版社,2000

范文五：纳米技术论文

《纳米技术》课程论文

标题:纳米材料及其在涂料领域的应用

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课程论文提交时间： 2011年 × 月 ×× 日

论文关键词：纳米技术 纳米材料 涂料

论文摘要：本文介绍了纳米技术、纳米材料的基本概念、原理、特征和各种纳米材料在涂料领域的应用；阐述了纳米材料在应用中所存在的技术问题，以及纳米技术在涂料领域的发展前景。

1 纳米技术及纳米材料

1.1纳米技术

纳米技术是20世纪80年代末诞生且正在崛起的新技术，主要是在0.1-100nm尺度范围内，研究物质组成的体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用，其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子，研制出人们所希望的、具有特定功能的材料和制品。纳米科技将成为21世纪科学技术发展的主流，它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理、化学、生物特性为涂料等领域的发展提供了新的机遇。

1.2纳米材料

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成，其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子达15%～50%，且原子排列互不相同，界面周围的晶格原子结构互不相关，使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态[1]。 狭义上，纳米材料是指粒径在0.1-100nm范围内的或具有特殊物理化学性能的材料。广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维长度在0.1-100nm范围内的或具有纳米结构的材料。按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。由于纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性能，将其用于涂料中后，除了可以改性传统涂料外，更为重要的是可以制备各种功能涂料，如具有抗辐射、耐老化、抗菌杀菌、隐身等特殊功能的涂料。

2 纳米材料在涂料领域中的应用

现阶段纳米材料在涂料中的应用主要为两种情况[2]：（1）纳米材料经特殊处理后，添加到传统涂料中分散后制成的纳米复合涂料（Nanocomposite coating），使涂料的各项指标均得到了显著的提高。将纳米离子用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料称为纳米复合涂料。（2）完全由纳米粒子和有机膜材料形成的纳米涂层材料，通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前，用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、纳米金属粉末（如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、无机盐类（CaCO3）和层状硅酸盐（如一堆的纳米级粘土）[3]。

2.1纳米TiO2在涂料中的应用

2.1.1随角异色效应

由于纳米二氧化钛晶体的粒径大约是普通钛白粉的1/10，远远低于可见光的波长，本身具有透明性，又对可见光具有一定程度的遮盖，透射光在铝粉表面反射与在纳米二氧化钛表面反射产生了不同的视觉效果。到1991年，全世界已有11种含超细二氧化钛的金属闪光漆。目前，福特、克莱斯乐、丰田、马自达等许多著名的汽车制造公司都已使用含有超细二氧化钛的金属闪光漆[4]。

2.1.2抗老化性能

提高材料抗老化性能的传统方法是添加有机紫外线吸收剂，纳米TiO2粒子是一种稳定的、无毒的紫外光吸收剂。因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射会导致分子链的降解，影响涂膜的物理性能，因此若能

屏蔽太阳光中的紫外线，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭刚[5]等研究发现利用金红石型纳米TiO2优异的紫外线屏蔽性能改性传统耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。

2.1.3抗菌杀毒

纳米TiO2有抗菌杀毒作用，用于涂料是涂料发展中的一个重大成就。纳米二氧化钛具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移动的带负电的电子e-和带正电的空穴h+形成电子——空穴对， 该电子——空穴对能与空气中的氧和 H2O发生作用，通过一系列化学反应形成原子氧（O）氢氧自由基（OH）， 这种原子氧和氢氧自由基具有很高的化学活性，能与细菌中的有机物反应生成二氧化碳和水，从而达到杀灭细菌的作用。[6]

纳米TiO2的抗菌杀毒作用已成为国内外关注的焦点。日本已有不少企业开发出纳米TiO2光催化涂料并实现了商业化生产。目前，由于国内对于纳米TiO2的研究大多还处于实验阶段，在涂料性能的提高和完善方面还有大量的工作要做，因此，对纳米涂料的研究要不断深入，以提高我国涂料的工业水平，推动纳米涂料的发展和应用。

2.2纳米SiO2在涂料中的应用

纳米SiO2具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，同时增加了涂料的强度和光洁度，而且还提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不变。在建筑内外墙涂料中，若添加纳米SiO2，可明显改善涂料的开罐效果，涂料不分层，具有触变性、防流挂、施工性能良好等优点，尤其是抗沾污性能大大提高，具有优良的自清洁能力和附着力。纳米SiO2还可与有机颜料配用，可获得光致变色涂料。

欲使纳米SiO2材料在涂料中真正地得到广泛应用，须解决纳米SiO2在涂料中的分散稳定性问题。通常的做法是加入表面活性剂包裹微粒或反絮凝剂形成双电层的措施。同时在分散时可配合使用超声波分散。

2.3纳米ZnO在涂料中的应用

纳米ZnO等由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点而成为吸波涂料研究的热点之一。在阳光的照射下纳米ZnO在水和空气中具有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌中的有机物），从而把大多数细菌和病毒杀死。 ZnO也具有良好的紫外线屏蔽作用，粒径60nm的ZnO对波长300-400nm的紫外线有良好的吸收和散射作用，因此可以作为涂料的抗老化添加剂。日本已经开发出用树脂包覆的片状ZnO紫外线屏蔽剂[7]。在涂料中添加纳米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能。

扫描电子显微

镜下的纤维表面图

纳米Al2O3（a）和SiO2（b）的SEM图

2.4纳米氧化铁在涂料中的应用

纳米氧化铁作为颜料无毒无味，具有很好的耐温、耐侯、耐酸、耐碱以及高彩度、高着色力、高透明度和强烈吸收紫外光的优良性能，可广泛用于高档汽车涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是较好的环保涂料。紫外线分解木材中的木质素而破坏细胞结构导致木材老化，纳米氧化铁颜料分散于涂层中，由于颗粒直径小不会散射光线、涂层成透明状态且吸收紫外线辐射，起到保护木材的作用。左美祥[8]等研究发现:在树脂中掺入纳米级的TiO2（白色）、Cr2O3（绿色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半导体性质的粉体，会产生良好的静电屏蔽性能。日本松下电器公司研究所据此成功开发了适用于电器外壳的树脂基纳米氧化物复合的静电屏蔽涂料。与传统的树脂基碳黑复合的涂料相比，树脂基纳米氧化物复合涂料具有更为优异的静电屏蔽性能，而且后者在颜色选择方面也更为灵活。用纳米级Fe3O4与树脂复合制成了磁性涂料，目前这方面的制备工艺已有所突破而进入产业化阶段。

2.5纳米CaCO3在涂料中的应用

纳米CaCO3作为颜料填充剂，具有细腻、均匀、白度高、光学性能好等优点，随着纳米碳酸钙的粒子微细化，填料粒表面的原子数目占整个总原子数目的比例增大，使粒子表面的电子结构和晶体结构都发生变化，到了纳米级水平。填料粒子将成为有限个原子的集合体，表现出常规粒子所没有的表面效应和小尺寸效应，使纳米材料具有一系列优良的理化性能。它添加到涂料胶乳中，加强了透明性、触变性和流平性。触变性是纳米CaCO3改善胶乳涂料各项性能的主要因素。同时能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和防热老化的目的和增加涂料的隔热性。

杜振霞[9]等研究表明:在纳米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相体积分数达到20%时，涂料的粘度曲线存在低剪切稀化幂律特征区和高剪切牛顿两个区域，而且有明显的触变性。当乳胶漆聚合物乳液的粒径为10-100nm，表面张力非常低，有极好的流平性、流变性、润湿性与渗透性，表现超常规的特性。

2.6其它新型纳米涂料

纳米隐身涂料（雷达波吸收涂料）系指能有效地吸收入射雷达波并使其散射

衰减的一类功能涂料。当将纳米级的羧基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，可使这些装备具有隐身性能，使它们在很宽的频率范围内可以逃避雷达的侦察，同时也有红外隐身作用。美国研制的超细石墨纳米吸波涂料，对雷达波的吸收率大于99%，其他金属超细粉末如Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo等，也具有很好的潜力。法国研制出一种宽频微波吸收涂层，这种吸收涂层由粘结剂和纳米材料、填充材料组成，具有很好的磁导率，在50MHz-50GHz范围内具有良好的吸波性能。我国也有相关的研究，如不同粒径的Fe3O4在1-1000 MHz频率范围对电磁波具有吸收性能，随着频率的增加，纳米Fe3O4吸收能效增加，且纳米粒径越小，吸收效能越高。

3 纳米涂料研究中存在的技术问题

首先是纳米材料在涂料中的稳定分散问题。由于纳米粒子比表面积和表面张力都很大，容易吸附而发生团聚，在溶液中将其有效地分散成纳米级粒子是非常困难的。寻找合适的分散剂来分散纳米材料，并采用合适的稳定剂将良好分散的纳米材料粒径稳定在纳米级，是纳米技术在涂料改性中获得广泛应用必须解决的最关键问题。其次， 纳米材料加入量的适度问题。一般而言，纳米材料的用量与涂料性能变化之间的关系曲线近似于抛物线，开始时随着纳米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趋缓，最后达到峰值：之后，随着纳米材料添加量的进一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趋势，同时也增加了成本。因此，做好对比试验，选好纳米材料添加量也十分关键。最后，必须开展纳米涂料施工工艺的研究。纳米涂料就本身而言只是一个半成品，只有施工完毕后才真正成为最终产品，而现实情况是人们大都将注意力集中在纳米涂料产品本身，而忽略了施工工艺的研究，致使纳米涂料无法达到其应有的效果。 4 纳米技术在涂料领域的应用展望

今后纳米涂料的发展主要将体现在以下几个方面:（1）新的纳米原材料的开发和商品化。即根据不同材料的物理化学性能，开发研制出新纳米改性材料，使之具有更多更新的功能。（2）研究纳米材料在涂料中的分散和稳定性。即探索纳米材料颗粒与涂料间的相互作用和混合机理，并根据纳米粉体在涂料中分散成纳米级和保持分散稳定性的原理，开发新的表面改性剂和稳定剂，以提高纳米材料在涂料中的改性效果。（3）加强纳米材料表征方法和测试技术的研究。即为了能更好地利用纳米材料的特殊性能，必须研究新的测试手段对纳米材料进行研究，并将传统纳米材料的测试方法进一步完善和标准化。降低成本，并逐渐实现纳米技术的工业化、商品化，从而改变我国高档、高性能涂料大量是将来的研究重点。

纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。

由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段，技术、工艺还不太成熟，需要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明，纳米改性涂料的市场前景是非常好的。

纳米技术在涂料领域中应用一览

参考文献

[1] Gleiter.H， On the structure of grain boundaries in metals [J].Materials Science and Engineering，1982， （52）:91-102.

[2] 卞明哲.纳米材料在建筑涂料中的应用[J].江苏建材，2001，（4）:11-12.

[3] 柯昌美，汪厚植.纳米复合涂料的制备[J].涂料工业，2003，33（3）:14.

[4] 张浦，郑典模，梁志鸿.纳米TiO2应用于涂料的研究进展[J].江西化工，2002，（4）:20-22.

[5] 郭刚，汪斌华，黄婉霞.纳米TiO2的紫外光学特性及在粉末涂料抗老化改性中的应用[J].四川大学学报，2004，36（5）:54-61.

[6] Marye Anne Fox， Maria T， Dulay. Heterogeneous phototocatalys[J].Chem Rev， 1993，（93）:341-357.

[7] P.Stamatakis. Optional Particles Size of Titanium Dioxide and Zinc Oxide for Attention of Ultraviolet Radiation[J].JCT， 1990，62 （789） :95.

[8]左美祥，黄志杰，张玉敏.纳米在涂料中的分散及改性作用[J].应用基础，2001，（29）:1-3.

[9]杜振霞.改性纳米碳酸钙表面性质的研究[J].现代化工，2001，（4）:42-45.

[10]黄妮霞等.纳米级对电磁波吸收效能研究[J].功能材料，1999，（1）:105.

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