纳米新技术应用
作者 :  本刊编辑部

  纳米是一个比微米小得多的计量单位。纳米技术是指在纳米范围内研究物质的结构及其变化规律,并应用于生产生活之中的技术。
  
  当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的“国家纳米技术倡议”(NNI)中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛,但最基本的有三个,即纳米材料,纳米电子学、光电子学和磁学,纳米医学和生物学。
  2004年~2008年,世界纳米复合材料市场的年均增长率为18.4%,纳米复合材料市场将从2003年9080万美元增长到2008年2.11亿美元。世界聚合物纳米复合材料市场中,热塑性材料市场将从2003年7000万美元增长到2008年1.75亿美元,热固性材料市场将相应从2000万美元增长到2800万美元。
  发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点。以国家目标为导向,纳米器件的研制和集成是纳米科技的核心,纳米材料制备和研究是工作重点。
  
  纳米磁性材料及应用
  项目简介:纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料,其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级,例如磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级,当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时,会呈现反常的磁学性质。
  磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防,国民经济的方方面面紧密相关,磁记录材料至今仍是信息工业的主体,磁记录工业的产值约1千亿美元,为了提高磁记录密度,磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米、亚微米向纳米尺度过度,例如合金磁粉的尺寸约80nm,钡铁氧体磁粉的尺寸约40nm,进一步发展的方向是所谓“量子磁盘”,利用磁纳米线的存储特性,记录密度预计可达400Gb/in2,相当于每平方英寸可存储 20万部红楼梦,由超顺磁性所决定的极限磁记录密度理论值约为6000Gb/in2。近年来,磁盘记录密度突飞猛进,现己超过10Gb/in2,其中最主要的原因是应用了巨磁电阻效应读出磁头,而巨磁电阻效应是基于电子在磁性纳米结构中与自旋相关的输运特性。
  项目负责:中国工程院。
  意义:目前,该项目己进入大规模工业生产,具有很大的市场前景。
  
  用空气氧化法高效纯化炭纳米管
  项目简介: 目前合成炭纳米管的方法多种多样,但宏观量的合成大多采用电弧法,由于电弧法生成的炭纳米管常常夹杂有大量的杂质――炭纳米颗粒,由于这些杂质的存在,炭纳米管的性质测试受到了很大的阻碍。使用碱对炭纳米管进行预处理,由于碱是一种分散剂,可以加强炭纳米颗粒和氧化剂的反应,使炭纳米管和其他形式的炭相分离。采用该方法炭纳米管的烧损率较大,纯化效率低。采用空气氧化法改进之后,烧损率降低至80%,纯化效率大大提高。
  项目负责:中南工业大学冶金物理化学与化学新材料研究所。
  
  尼龙-6/炭纳米管复合材料研究
  项目简介:在原位复合尼龙-6/炭纳米管(PA6/CNT)过程中,炭纳米管将以其外壁上连接的羧基官能团(-COOH)参与尼龙-6(PA6)的加成聚合反应,并阻碍PA6分子的长大。这在很大程度上削弱了基体强度。采用改进原位复合法复合PA6/CNT,可大大提高PA6分子的平均分子量,减轻炭纳米管对基体PA6强度的削弱,大幅度提高PA6/CNT复合材料的强度。
  项目负责:清华大学机械系。
  意义:该复合材料对提高基体PA6的强度,拓宽其应用范围,具有很大的研究价值。
  
  纳米复合W-氧化物电极材料
  的电子发射特性
  项目简介:这种材料的成分与相组成与传统电极材料相同,但显微组织显著不同。采用真空电弧放电,观察了阴极斑点的分布特征,测定了电极材料的起弧电场强度。通过与传统电极对比,认为大幅度细化氧化物添加剂至纳米尺度,能够显著提高电极材料的电子发射能力,降低逸出功。具体特征如下:
  (1)纳米复合W-ThO阴极材料的成分和相组成与传统电极材料相同,而显微组织显著不同。该实验制备的电极试样显微组织为尺寸小于200nm的ThO均匀、弥散分布在W基体上,W基体是晶粒度约为4μm的等轴晶。
  (2)引弧时,电极材料的电子发射位置分布于ThO弥散体上,而纳米复合W-ThO试样的电子发射位置均匀分布,观察不到明显的电弧灼痕和灼坑。
  (3)大幅度细化ThO弥散体至纳米尺度,可显著降低电极的起弧场强。这种显微组织的电极材料具有较低的逸出功和优良的电子发射能力。
  项目负责:西安交通大学材料科学与工程学院。
  
  纳米γ-(Fe,Ni)合金颗粒
  微观结构及其微波吸收特性
  项目简介:利用X射线衍射和高分辨率电镜对纳米γ-(Fe,Ni)合金颗粒进行微观结构研究。检测表明,颗粒主要由γ-(Fe,Ni)合金颗粒组成,其颗粒大小为10nm左右;X射线能谱分析(EDS)表明,各个颗粒的Fe、Ni含量不相同,并给出了颗粒含量分布图。用该种纳米颗粒作为吸收剂,具有优异的微波吸收特性。其特征具体如下:
  (1)纳米γ-(Fe,Ni)合金颗粒经微观结构研究检测表明其主要组成为面心立方的γ-(Fe,Ni)相,颗粒大小在10nm左右并呈非球形,各颗粒的Fe和Ni含量不同,平均为Fe44Ni56,其中91%的颗粒Ni含量在40%~70%之间。
  (2)纳米γ-(Fe,Ni)合金颗粒不易氧化,甚至保存多年后性能仍不变。这就保证了微波频率下的电磁参数不因颗粒的氧化而影响其值的下降,从而具有优异的微波吸收特性。
  (3)纳米γ-(Fe,Ni)合金颗粒作为微波吸收剂具有如此好的吸收特性和如此宽广的吸收频带是目前未曾见过的,应进一步加强研究,以便开发新的应用领域。
  项目负责:冶金工业部钢铁研究总院。
  
  氟氧化物玻璃陶瓷激光材料研制
  项目简介:这一研究成果基本实现了对玻璃陶瓷纳米复合结构的控制,获得了系列具有良好光致发光和上转换发光性能的新材料,主要有:含Er:LaF3纳米晶的透明玻璃陶瓷,具有宽的红外发射谱,其1.53微米发射峰半高宽达100纳米,可开发为光纤放大器材料;含Er:CaF2纳米晶的透明玻璃陶瓷,具有强的红光上转换效应,且1.53微米发光量子效率高达98%;含Er:BaF2纳米晶的透明玻璃陶瓷,其1.53微米发光寿命高达13.39毫秒;首次获得含大量Er:NaYF4纳米晶的透明玻璃陶瓷,该材料不仅具有很高的上转换发光效率,而且通过改变稀土掺杂浓度,可基本实现材料红、绿发光强度比的全程调控,在光显示器件方面具有重要的应用前景。
  
  通过对氟氧化物玻璃陶瓷热力学行为和结构转变特性的研究,揭示了纳米晶相的晶化机理与主要控制因素,掌握了热处理条件下玻璃陶瓷结构演变规律,总结了材料光学性能与显微结构的关系。
  项目负责:福建省科技厅专家组。
  意义:该项目的成果已经达到国际先进水平。
  
  发光性稀土配合物超分子结构
  调控及其荧光特性研究
  项目简介:用分子水平上的组装技术3/4Langmuir-Blodgett(LB)膜技术制备二维分散的发光性稀土配合物分子膜,通过精密控制压缩速度、亚相组成、膜层面积等多项参数控制分子间距离、分子取向角、分子聚集状态,并辅以与两亲性脂肪酸、手性分子等化合物相混合,得到了处于微/纳米范围不同尺寸的圆形、线形、Boojum形等各种形貌的自组织结构。
  通过对p-A曲线数据、荧光显微镜、布儒斯特角显微镜等显微图片中不同聚集体的百分比组成及相应的x-射线反射强度结果进行处理,结合各分子自身的物化常数进行模拟计算得到各种体系中稀土配合物分子的排列模型。
  项目负责:山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室。
  意义:该项目的研制,改革了稀土化学化工领域的产业结构,改变了我们这个稀土大国以原料等技术含量低的产品为主出口的局面。
  
  多壁碳纳米管/橡胶复合材料
  制备及性能研究
  技术简介:自Iijima用电弧法制备C60发现碳纳米管(carbon nanotubes)以来,在世界范围内掀起一股碳纳米管热。碳纳米管具有优良的力学性能、极高的长径比、热稳定性和独特的导电性能。
  采用模板法制备的碳纳米管阵列与环氧树脂复合,能制备出具有很好抗静电效果的复合材料。所测得的渗流导电的阀值仅为0.0025%,通过高能超声用溶液蒸发法制备了分散性较好的CNT/ 聚苯乙烯(PS) 复合材料膜,1wt%的添加量,使得弹性模量增大36 %~42 %,断裂应力增长25 % ,而用碳纤维增强达到同样效果需添加10 wt %。研究了聚合物复合膜中MWNTs在拉伸下的断裂行为,测得聚合物/碳纳米管界面的应力传递能力达到500MPa以上,至少比传统的碳纤维增强复合材料应力传递能力高出10倍。
  
  项目负责:清华大学化学工程系反应工程研究室范壮军。
  意义:该项目与炭黑补强橡胶体系进行对比,碳纳米管的加入能显著提高橡胶复合材料的模量、定伸应力及导电性能。
  
  沸腾回流强迫水解法制备
  纳米TiO2微粒
  项目简介:采用沸腾回流强迫水解法, 以硫酸钛为原料, 制备出二氧化钛纳米微粒, 并利用红外光谱透射电镜及X光晶体衍射对其进行了表征。结果表明:利用该方法可以在较高的钛盐浓度下[Ti4+浓度可达0.1mol.L-1]制备出均分散圆球状的二氧化钛纳米微粒, 粒径大小为2030nm。
  采用沸腾回流强迫水解法, 由0.1mol.L-1的Ti(SO4)2溶液短时间即可获得纳米级锐钛矿型TiO2颗粒, 由于相转化温度低、晶化时间短, 因此, 制备出的TiO2颗粒比表面积大, 更适用于催化剂(如固体超酸)及光敏材料等。
  项目负责:河北师范大学化学系武瑞涛。
  意义:该方法操作简便、成本相对低廉, 具有良好的工业化应用前景。
  
  电极表面直接生成聚
  吡咯纳米线方法
  项目简介:该方法将吡咯、聚阴离子掺杂剂或高价阴离子掺杂剂和支持电解质配制成电解液,采用复合电极,以相对于饱和甘汞电极0.70V、0.90V下恒电位法,或者是相对于饱和甘汞电极以0.0V为起始电位,以0.70V、0.90V为终止电位的循环伏安法对上述电解液进行电解聚合,则在电极表面直接生成长度和直径可以控制的聚吡咯纳米线,其特征在于:聚阴离子掺杂剂为带有羧酸根离子、硫酸根离子、磷酸根离子的盐溶液,高价阴离子掺杂剂为碳酸根离子。
  该发明优点在于:电解聚合时间短,可在数十秒至20分钟内完成,并且纳米线的直径和长度可控,纳米线的直径可为50纳米,产率高,成本低。
  项目负责:天津大学。
  
  纳米二氧化硅研究
  项目简介: 改产品集中高等院校及研究公司专家教授,通过分析研究提出一种新的工艺路线--化学直接合成法。在本方法中,采用的为改良沉淀法,即在沉淀过程中,通过分散剂控制粒子生长的方法控制关键的反应阶段及操作数据来生产氧化硅微粉,是具有国内领先水平的高新技术,产品粒径15-20nm,已通过成都市科技成果鉴定。
  该项目具有粒径小、比表面积大、化学纯度高、分散性能好等特征,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性而在橡胶、涂料、医药、造纸、日化等诸多领域得到广泛应用,并为其相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证,享有“工业味精”、“材料科学的原点”之美誉。
  项目负责:成都科大高新科技有限公司。
  意义:该项目已成为当今世界材料学中最能适应时代要求和发展最快的品种之一。发达国家已经把高功能、高附加值的精细无机材料作为本世纪新材料的重点加以发展。
  
  纳米团簇超分子自组装
  项目简介:在纳米材料的应用过程中,纳米团簇或纳米粒子的组装将是非常关键的一步。纳米团簇的超分子化学组装方法可分为两类,即胶态晶体法和模板法。胶态晶体法是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组装成超晶格,可得到二维或三维有序的超晶格。模板法是利用纳米团簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的组装,可应用的模板有固体膜、单分子膜、有机分子、生物分子等。其中,单分子膜模板是研究最多也是最为成熟的一种;生物分子间严密的分子识别功能使其成为非常有发展前途的组装模板,而且用生物分子模板有可能实现不同纳米团簇间的组装。
  
  目前纳米团簇组装体的性质研究也已经有了很大进展,利用LB膜技术组装得到的金属基质-有机分子-纳米粒子结的单电子响应库仑效应已经得到了证明;利用LB膜技术组装得到的银团簇膜的非线性光学性质也已经得到了可喜的研究成果;最令人激动的是由四个量子点组成的自控功能单元已经在实验中得到实现。
  项目负责:北京大学化学系李彦。
  意义:随着纳米组装技术的进一步发展,纳米材料的各种奇异性质和功能必将得到更充分的发挥和利用,纳米材料将在科技、生产、生活等各领域发挥越来越大的作用,纳米组装将成为21世纪有重大突破的领域。

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