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科学回家 | 科学精神耀光华——浅析“纳米材料”

发布时间:2020-08-18

科学回家

科学精神耀光华”科普展览

第四期


 “如果组成材料的物质颗粒变小了,小的材料会不会与大的材料的性质很不相同呢?”

这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特的科学思路。在1984年,格莱特成功制得了只有几个纳米大小的超细粉末。这就是最早的纳米材料。可是纳米材料到底是怎么定义的?纳米材料怎么制备?又有什么用途?本期“科学精神耀光华”就来浅析“纳米材料”。


何为纳米材料


纳米材料的全称是纳米级结构材料,一般指的是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的材料,其结构单元的尺寸介于1纳米到100纳米范围之间。

纳米:长度单位,1=1000000000纳米,比单个细菌的大小还要小。一根头发的直径约为60-100微米,1纳米约等于十分之一的头发直径的大小,因而是很小的。

图片来源于百度图片

头发的直径在我们眼中已经是及其微小的,那么比之更加微小的纳米材料我们该如何制备?


制备纳米材料的部分方法


1.化学气相凝聚法

通过化学反应形成基本粒子(中子、电子等),在一定的条件下粒子会凝结形成纳米尺寸的微粒。恰似原本组装完的乐高玩具拆成一个个材料后(基本粒子)进行人为组装(一定条件下),形成一个个小小的集合。

2.溅射法

利用两块金属板分别作阳极和阴极, 阴极为蒸发用的材料, 由于两电极间放电形成了氩离子, 在电场的作用下氩离子撞向阴极表面 ,使阴极上的原子从其表面蒸发出来形成超微粒子,经过进一步凝结形成了纳米微粒。[1]就好比一粒粒盐粘在一张网上,用一颗弹珠去碰撞这张网,盐颗粒就会从网上掉落。

3.高能机械球磨法

这个方法是利用高能机械球来磨金属或合金粉体, 利用球磨的转动或振动,使硬球对原材料进行强烈的撞击、研磨、和搅拌,再配合压制及热处理。就类似于两个核桃互相摩擦,随着摩擦速度增加,那么一个核桃慢慢就会掉落细屑,这些细屑就相当于是我们制备中的纳米材料。[2]

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微小新型的纳米材料,有什么用途呢?


纳米材料的部分应用


1.纳米材料在航空航天的应用

飞向太空,一直是人们的梦想。要完成这四个字的梦想,材料便是一大难题。

航空航天材料的主要要求是抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命,如此多的要求,很难有材料可以办到。而纳米材料正好有这些特点。同样,纳米材料也应用于舱体的研发,因为相比于传统的火箭和舱体材料,纳米材料的质量较小,更轻,加速到相同的速度损耗的能量就少。

例如贴于“神舟七号”飞船外表面的“太空”纳米陶瓷,以其永久、稳定的防静电性能,且有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防渗透等特点,保护着飞船。

2.纳米材料在净化甲醛中的应用

买了新房子,当然是迫不及待的想要入住。可是甲醛这类装修后的有害气体“友好”地阻止了我们入住。面对着这些气体,人们想了不少办法:开窗通风、放盐水、放植物等。但是这些方法都需要较长的时间。

而今,纳米材料闪亮登场,它的处理效率更高,因为纳米材料具有更强的吸附性。而且利用纳米矿物材料处理甲醛污染具有投资少、使用便捷、效果好等优点。[3]

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3.纳米材料在污染土壤修复中的应用

老人们时常说:“土地是我们的母亲,我们要爱护她。”可是伴随着工农业生产过程,较多污染物被排入土壤环境,因其隐蔽性、滞后性和长期性等特点,人们一度忽视它们所产生的环境危害。拯救我们的土壤母亲刻不容缓。

在合适应用下,与传统的土壤修复材料相比,纳米材料吸附能力更强、反应更迅速高效、更加环保等特点。纳米材料对重金属污染土壤的修复机制主要在于它们可有效地吸附并固定重金属离子,从而降低重金属离子的危害性。”[4]

4.纳米材料在肿瘤治疗中的应用

纳米尺寸的材料能够通过被动和主动的方式滞留在肿瘤中。有效地将药物递送至肿瘤局部,减少药物对正常组织的毒性。

纳米载体还可以递送其他免疫刺激物, 增强免疫细胞的抗肿瘤作用。

纳米微粒不仅能作为药物递送载体,还有激发免疫细胞的功能,直接与免疫细胞相互作用。[5] 相比于传统化疗方式,其对患者的损伤小,且靶向治疗效果更明显。

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纳米材料的未来前景


纳米材料的研究虽然只有短短的一段时间, 但它所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。纳米超微粒子的特殊性能, 决定了它在国民经济各领域中具有广阔的应用前景。

化工领域:利用纳米粒子高度的活性可以显著地增进催化效率。

环保领域:纳米材料的特殊功能使得它在抗菌、防腐、除味、净化空气、优化环境方面有广阔的市场前景。

医药领域:科学家们还设想利用纳米技术, 20种氨基酸为原料, 按分子设计合成所需的蛋白质“零件”, 进一步制造出“分子机器人”, 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。

陶瓷领域:纳米陶瓷将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。[6]

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未来的纳米技术, 正如钱学森院士所预言的那样:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点, 会是一次技术革命, 从而将是21世纪的又一次产业革命。”


下期预告

本期“科学精神耀光华”就到这里啦!下期我们将聚焦5G技术,探索5G技术背后的故事,记得关注哦~


参考文献

[1] 纳米材料的特性和制备方法及应用[J].

[2] 刘珍,梁伟,许并社,市野濑英喜.纳米材料制备方法及其研究进展[J].材料科学与工艺,2000(03):103-108.

[3] 王灿,陈天虎,刘海波,等. 纳米矿物材料净化甲醛污染的研究进展[J]. 材料导报,2020(15):1-10.

[4] 徐佰青,李平平,李仲龙,等. 纳米材料在污染土壤修复中的应用研究进展[J]. 当代化工,2020,49(05):983-987.

[5] 纳米材料在肿瘤免疫治疗中的应用_范亲[J].

[6] 吴烈善,王瑛辉,薛柳.纳米材料及其应用前景[J].矿产与地质,2001(06):688-691


出品|“大国智造 科技强国”团队