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納米材料范文第1篇

【關鍵詞】納米材料；納米技術；應用

有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過網絡技術和基因技術的“決定性技術”，由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國相繼投入巨資進行研究，美國從2000年啟動了國家納米計劃，國際納米結構材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術有關的國際期刊也很多。

一、納米材料的特殊性質

納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料所表現(xiàn)的力、熱、聲、光、電磁等性質，往往不同于該物質在粗晶狀態(tài)時表現(xiàn)出的性質。與傳統(tǒng)晶體材料相比，納米材料具有高強度——硬度、高擴散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結助劑、劑等領域。

（一）力學性質

高韌、高硬、高強是結構材料開發(fā)應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強化效應。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因其力學強度一直難以有大的提高。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據(jù)了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。

（二）磁學性質

當代計算機硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個數(shù)量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個數(shù)量級，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應用。

（三）電學性質

由于晶界面上原子體積分數(shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導金屬——絕緣體轉變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進展，已經成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。

（四）熱學性質

納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉換為熱能。

（五）光學性質

納米粒子的粒徑遠小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應和光過濾中應用廣泛。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現(xiàn)象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。

（六）生物醫(yī)藥材料應用

納米粒子比紅血細胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細胞。在醫(yī)藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內的輸運更加方便。

二、納米技術現(xiàn)狀

目前在歐美日上已有多家廠商相繼將納米粉末和納米元件產業(yè)化，我國也在國際環(huán)境影響下創(chuàng)立了一（下轉第37頁）（上接第26頁）些影響不大的納米材料開發(fā)公司。美國2001年通過了“國家納米技術啟動計劃（NationalTechnologyInitiative）”，年度撥款已達到5億美圓以上。美國科技戰(zhàn)略的重點已由過去的國家通信基礎構想轉向國家納米技術計劃。布什總統(tǒng)上臺后，制定了新的發(fā)展納米技術的戰(zhàn)略規(guī)劃目標：到2010年在全國培養(yǎng)80萬名納米技術人才，納米技術創(chuàng)造的GDP要達到萬億美圓以上，并由此提供200萬個就業(yè)崗位。2003年，在美國政府支持下，英特爾、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立研究中心，在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產線。許多大學也相繼建立了一系列納米技術研究中心。在商業(yè)上，納米技術已經被用于陶瓷、金屬、聚合物的納米粒子、納米結構合金、著色劑與化妝品、電子元件等的制備。

目前美國在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術、納米基礎理論等多方面處于世界領先地位。歐洲在涂層和新儀器應用方面處于世界領先地位。早在“尤里卡計劃”中就將納米技術研究納入其中，現(xiàn)在又將納米技術列入歐盟2002——2006科研框架計劃。日本在納米設備和強化納米結構領域處于世界先進地位。日本政府把納米技術列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略4大重點領域，加大預算投入，制定了宏偉而嚴密的“納米技術發(fā)展計劃”。日本的各個大學、研究機構和企業(yè)界也紛紛以各種方式投入到納米技術開發(fā)大潮中來。

中國在上世紀80年代，將納米材料科學列入國家“863計劃”、和國家自然基金項目，投資上億元用于有關納米材料和技術的研究項目。但我國的納米技術水平與歐美等國的差距很大。目前我國有50多個大學20多家研究機構和300多所企業(yè)從事納米研究，已經建立了10多條納米技術生產線，以納米技術注冊的公司100多個，主要生產超細納米粉末、生物化學納米粉末等初級產品。

三、前景展望

經過幾十年對納米技術的研究探索，現(xiàn)在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的發(fā)展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發(fā)展?？梢灶A測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學組裝計算機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機器人、集成生物化學傳感器等將被研究制造出來。

納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規(guī)模生產階段，但從歷史的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發(fā)達國家。當今重視發(fā)展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現(xiàn)經濟騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發(fā)展和商業(yè)化而產生根本性的變革。

納米材料范文第2篇

單層石墨烯是世界上最薄、最強、最堅硬的材料，還具備極佳的導熱性和導電性。童話故事常常偏愛“3”：寶藏通常藏在第3個箱子里，名利雙收的也往往是第3個孩子。3種新型碳材料中發(fā)現(xiàn)最晚的一種——石墨烯，沒準兒也能繼承這種幸運?？茖W家于1985年首次發(fā)現(xiàn)了足球形狀的富勒烯，接下來又在1991年首次觀察到了空心圓柱狀的碳納米管，這兩種材料對工業(yè)界的影響至今仍相當有限。但石墨烯，這種僅一個原子厚的單層碳材料，前途似乎非常光明。不得不提的一大征兆就是，關于石墨烯性質的開創(chuàng)性實驗，以驚人的速度摘取了2010年諾貝爾物理學獎。

隨著眾多公司競相針對它的優(yōu)良性能進行市場化開發(fā)，石墨烯獲得了媒體的關注。2010年，大約有3 000篇研究論文和超過400項專利申請以石墨烯為主題。韓國計劃投資3億美元用于石墨烯的商業(yè)化，包括IBM、三星在內的許多公司都在開發(fā)石墨烯電子器件——這種超小、超快的器件有朝一日可能取代硅芯片。

對石墨烯的宣傳可謂天花亂墜，以至于對它不甚了解的人或許會奇怪，為什么它還沒有征服技術應用領域。童話故事畢竟不是現(xiàn)實。石墨烯的幾位“前輩”也經歷過幾乎相同的夸大宣傳。然而，富勒烯至今幾乎找不到任何實際應用。碳納米管的情形稍好一些，但它生產成本高昂，而且難以控制。它們被工業(yè)界漸漸遺忘是一個很好的教訓，讓我們知道新材料的商業(yè)化是一件多么困難的事。

然而，在碳納米管的故事中，有幾段還是挺鼓舞人心的。盡管高科技的電子學應用在多年后才可能實現(xiàn)，但一種科技含量低得多的應用——用于儲能元件或觸摸屏的碳納米管導電薄膜，距離商業(yè)化已經很近了。另一個相對簡單的用機和汽車的碳納米管強化復合材料，也將很快面市。碳納米管生產商預感到了需求的增長，已經把生產規(guī)模擴大到每年數(shù)百噸。

優(yōu)勢更加明顯

研究者認為，石墨烯擁有和碳納米管類似的用途，但是石墨烯在生產和加工的某些關鍵方面相比碳納米管優(yōu)勢更加明顯，它還從20年來的碳納米管研究工作中獲益匪淺。這種后來者居上的勢頭，使得石墨烯生產商更清楚哪類應用值得追求，還對避免碳納米管在前10年中遭遇到的失敗開端有了更明智的見解。

碳納米管和石墨烯共有的優(yōu)異性質來源于它們相同的結構——碳原子按蜂窩狀圖案排列而成的單原子厚的網格，極強的碳-碳鍵保證了高得驚人的強度重量比。石墨烯強度極大，假設存在一張由完美石墨烯制成的吊床，面積為1平方米，它可以承受住1只4千克重的貓。而吊床自身的重量比貓的一根胡須還輕，而且我們用肉眼無法看見這張吊床。上述兩種碳納米材料里的碳原子在六邊形晶格結構中都呈對稱排布，使得它們的導電性遠遠超過了計算機芯片使用的硅材料。這也意味著它們的電阻要比硅低得多，因而產生的熱量也低得多。

此外，碳材料結構上哪怕出現(xiàn)微小的變化，也會創(chuàng)造出大量新的性質。對石墨烯來說，電子學性能取決于片層的尺寸、晶格上是否存在缺陷，以及缺陷是否位于導電表面上。類似地通過改變碳納米管的直徑、長度和“扭曲度”就可以被制成半導體型或者金屬型。單根碳納米管和內部有多層柱體相互嵌套的所謂多壁碳納米管也存在差異。這些特性很早就讓研究者看到了顛覆電子學應用的希望。1998年，物理學家展示了使用一個單根半導體型碳納米管制成的晶體管，2007年，研究人員報道合成了基于碳納米管的晶體管收音機。

但若要實現(xiàn)這類電路的工業(yè)化量產，就會遇到一個棘手的問題：如何克服碳納米管的易變性。碳納米管大多在反應器中生產，反應器中的催化劑會引導富含碳的蒸氣組成納米管。產物通常是多壁和單壁、半導體型和金屬型、以及各種長度和直徑的納米管的大雜燴，每種納米管的電子學性質都不盡相同。多樣性是美妙的，但當你的研究對象過于多樣化，就成了一個令人頭痛的問題。

究竟誰來取代硅片？

研究人員直到最近5年才找出了區(qū)分半導體型和金屬型碳納米管的方法。但是要在芯片上安裝特定的納米管，并把分離的納米管連接起來，同時還要不影響它們的性能，存在更大的困難。因此大多數(shù)物理學家都認定，碳納米管取代硅是不現(xiàn)實的。一塊集成電路肯定要涉及數(shù)十億個相同的碳納米管晶體管，所有晶體管都要在完全相同的電壓下工作。就目前的技術來說，這是不可行的。石墨烯可以讓我們樂觀一點。目前最優(yōu)質的石墨烯片層是通過在真空中加熱碳化硅薄片制備的，這種方法會在容器頂部表面留下一層純凈的石墨烯。相比合成碳納米管的方法，這種方法制出的每批樣品之間不可控變數(shù)較少，平面片層也比納米管更大，更易于處理。然而石墨烯也存在問題。單個石墨烯片層傳導電荷的能力非常強，以至于電流很難被截斷。如果要用石墨烯制造數(shù)碼設備上像開關一樣控制電流通斷的晶體管，這是一個必須解決的問題。

碳納米管的前車之鑒必須警惕，碳納米管可以從尖端發(fā)射電子去激發(fā)熒光屏上的熒光物質，因而曾被認為有希望用于制造電視機屏幕。但是實際上，它的競爭對手等離子和液晶顯示器捷足先登，成為了現(xiàn)在使用最廣泛的顯示屏。

納米材料范文第3篇

納米材料的潛在風險

盡管目前已有多種納米材料被證明是有毒的，但具體的毒理學機制尚不明確（見圖3）。有文獻指出納米顆粒能夠被真核細胞和原核細胞吸收并在細胞內積累。另有研究指出納米顆粒可以進入植物細胞，而此前也有研究認為植物細胞壁可以阻擋納米顆粒的侵入。Lin等［16，17］的研究顯示，含有鋅和鋁的外源性納米顆粒會影響農作物的發(fā)芽以及幼苗根部的發(fā)育，吸附于根表面的ZnO能夠進入根部細胞的質外體和原生質體，使幼苗的生物質明顯減少，根尖萎縮，根部細胞高度空泡或瓦解。Warheit等［18］研究了單壁碳納米管（Single－wallcarbonnanotubes，SWCNT）的肺部毒性。實驗通過向大鼠氣管內按1mg／kg和5mg／kg分別灌輸單壁碳納米管、石英顆粒、羥基鐵顆粒，并以灌輸磷酸鹽緩沖溶液和土溫80（乳化劑）的大鼠作為對照進行對比實驗。結果顯示，暴露于高濃度SWC－NT下的大鼠24h后的死亡率約為15％，源于肺部支氣管的機械性堵塞；同時，SWCNT和石英顆粒一樣會引起肺部炎癥和細胞損傷。而且SWCNT還會引發(fā)特殊的多灶性單核肉芽腫，它以SWCNT顆粒為核心，外側包裹巨噬細胞樣大型細胞。這種病變無法用傳統(tǒng)的支氣管肺泡灌洗和細胞培養(yǎng)法診斷。李俊剛等［19］研究了納米TiO2對小鼠腦部的毒性，方法與D．B．Warheit等的類似，通過向小鼠氣管按0．4mg／kg、4．0mg／kg、40．0mg／kg3種劑量灌輸納米TiO2，3d后用電感耦合等離子質譜儀（ICP－MS）測定每組小鼠大腦和血漿中的TiO2濃度。結果顯示，隨劑量的增加，大腦和血液中TiO2的濃度增加，腦漿中H2O2的濃度也增加，同時對大腦產生濃度依賴性損傷，表現(xiàn)為血腦屏障破壞、組織內溢血、組織壞死。IngridBeck－Speier等在《自由基生物學和醫(yī)學》上指出，納米碳顆粒的尺寸下降到5～10nm時，會刺激人體免疫系統(tǒng)中巨噬細胞的磷?；福瑢е虑傲邢偎氐群铣闪吭黾?，引發(fā)炎癥和免疫系統(tǒng)紊亂。D．M．Brown等研究了納米氧化鈦、納米聚苯乙烯和碳納米管的負面效應，結果顯示尺寸在幾到幾十納米區(qū)間內的顆粒對人體甲硫氨酸中的硫鍵有極強的氧化性，氧化生成亞砜，同樣對半胱氨酸也有類似的破壞作用［5］。Zhu等［20］比較了微米級TiO2和納米TiO2對胃液中胃蛋白酶結合能力和酶活性的抑制作用，發(fā)現(xiàn)微米級TiO2僅與胃蛋白酶發(fā)生物理吸附，對蛋白質一級和二級結構均無影響；而納米TiO2除存在物理吸附外，還與之發(fā)生協(xié)同作用，使蛋白質的二級結構展開，從而破壞酶的保護機制，顯著降低酶活性。另外，納米材料也存在傳統(tǒng)意義上的毒性。某些納米材料中包含了金屬元素，與金屬鹽不同，這些金屬元素通常是非離子態(tài)的，包括零價的重金屬，而另一些納米材料表面則連接有一些可能脫落的基團［21］，若重金屬粒子和有毒的不穩(wěn)定基團從納米材料表面脫離或從內部游離出來，則會具有相應有毒物質在傳統(tǒng)形態(tài)下的毒性。

存在的問題和思考

納米材料的性質及生物活性是由包括其化學成分在內的顆粒尺寸、形狀、聚集態(tài)等多方面特征共同決定的。這使納米材料在生物體這一復雜體系中的行為更加撲朔迷離，如果沒有對上述復雜性狀進行準確的描述和限定，就沒有辦法準確地標定劑量。我國亟待從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基點出發(fā)，制定出一套切實可行且符合我國納米產業(yè)現(xiàn)狀的納米材料安全性規(guī)劃。在處理納米廢棄物時，亦應遵循固體廢棄物管理的3R原則———減量、回用、循環(huán)（Reduce，Reuse，Recycle），盡可能減少向環(huán)境的排放，在納米材料的環(huán)境影響明確之前，最大限度地降低潛在風險。

本文作者：沈哲代朝猛張亞雷作者單位：同濟大學環(huán)境科學與工程學院

納米材料范文第4篇

1．1以單細胞生物體為模板制備納米材料細胞是生物體結構和功能的基本單位，而細胞表面的細胞膜是由磷脂雙分子層和鑲嵌其中的蛋白質等構成的。不同的細胞有著獨特精制的外形結構和功能化的表面，以單細胞為模板可以合成不同生物細胞形貌的納米結構。

1．1．1以原核細胞為模板制備納米材料細菌和放線菌被廣泛應用于金屬納米顆粒的合成，其中一個原因就是它們相對易于操作。最早著手研究的Jha等［2］用乳酸桿菌引導在室溫下合成了尺寸為8～35nm的TiO2納米粒子，并提出了與反應相關的機理。隨著納米材料的生物合成的逐漸發(fā)展，現(xiàn)在已成功合成了以不同菌為模板的不同形貌的納米材料。Klaus等［3］在假單胞菌（Pseudomonasstutzeri）的細胞不同結合位點處制備并發(fā)現(xiàn)了三角形，六邊形和類球形的Ag納米粒子，其粒徑達200nm。Ahmad等［4］從一種昆蟲體內提取了比基尼鏈霉菌（Streptomycesbikiniensis），并以此制備出3～70nm的球形Ag納米顆粒。Nomura等［5］以大腸桿菌為模板成功制備出平均孔徑為2．5nm的桿狀中空SiO2，其比表面積達68．4m2／g。

1．1．2以真核細胞為模板制備納米材料真核細胞相比較原核細胞種類更為廣泛，培養(yǎng)更為方便，所以以此為模板的生物合成的研究更多。最簡單的單細胞真核生物小球藻可以富集各種重金屬，例如鈾、銅、鎳等［6］。Fayaz等［7］以真菌木霉菌（Trichodermaviride）為模板在27℃下合成了粒徑為5～40nm的Ag納米粒子，并且發(fā)現(xiàn)青霉素，卡那霉素和紅霉素等的抗菌性在加入該Ag納米粒子后明顯提高。Lin等［8］發(fā)現(xiàn)HAuCl4中金離子在畢赤酵母（Pichiapastoris）表面先發(fā)生了生物吸附然后進行生物還原，從而得到Au納米粒子。研究發(fā)現(xiàn)金離子被酵母菌表面的氨基、羥基和其它官能團首先還原成一價金離子，并進一步被還原成Au納米顆粒。Mishra等［9］以高里假絲酵母（Candidaguilliermondii）為模板合成了面心立方結構的Au和Ag納米粒子，兩種納米粒子對金黃色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的對比試驗表明化學方法合成的兩種粒子對致病菌均不具有抗菌性。Zhang等［10］則以酵母菌為模板合成了形貌均一Co3O4修飾的ZnO中空結構微球。尖孢鐮刀菌（Fusariu－moxysporum）［11］可以在其自身表面將米糠的無定型硅生物轉化成結晶SiO2，形成2～6nm的準球形結構。

1．2以多細胞生物體為模板制備納米材料雖然以單細胞為模板制備的納米粒子的單分散性較好，但是要涉及到生物體復雜的培養(yǎng)過程及后續(xù)處理，而以多細胞生物體為模板的制備方法就顯得更加方便簡捷。

1．2．1以多細胞植物體為模板制備納米材料地球上的植物種類很多，以其為模板的納米材料的生物合成也就多種多樣。多數(shù)情況下是將植物體培養(yǎng)在含有金屬離子的溶液中，然后將植物體除去便可得到復制了植物體微結構的納米材料。Rostami等［12］將油菜和苜蓿的種子培養(yǎng)在含有Au3＋的溶液中，將金離子變成納米Au粒子，其大小分別是20～128nm和8～48nm。Dwivedi等［13］以藜草（Chenopodiumalbum）為模板分別制備出平均粒徑為12nm和10nm的Ag和Au納米晶體，并認為藜草中天然的草酸對于生物還原起著重要作用。Cyganiuk等［14］以蒿柳（Salixviminalis）和金屬鹽為原料制備出碳基混合材料LaMnO3。將蒿柳培植在含有金屬鹽的溶液中，金屬鹽離子順著植物組織進行傳輸，進而滲透其中。然后將木質素豐富的植物體部位在600～800℃范圍進行煅燒碳化，得到的產物對正丁醇轉化成4－庚酮有很好的催化效果。黃保軍等［15］以定性濾紙通過浸漬和煅燒等一系列過程仿生合成了微納米結構的Fe2O3，并且對其形成機理進行了初步探討。Cai等［16］以發(fā)芽的大豆為模板，制備出室溫下便有超順磁性的Fe3O4納米粒子，其平均粒徑僅為8nm。王盟盟等［17］以山茶花花瓣為模板通過浸漬煅燒制備出CeO2分層介孔納米片，并且在可見光波段有很好的催化活性。

1．2．2以多細胞動物體為模板制備納米材料以多細胞動物體為模板的納米材料的制備比較少，其中以Anshup等［18］的研究較為突出。他們分別試驗了人體的癌變宮頸上皮細胞、神經細胞和未癌變正常的人類胚胎腎細胞。這些人體細胞在模擬人體環(huán)境的試管中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)液中含有1mmol／L的HAuCl4。最終得到20～100nm的Au納米顆粒。細胞核和細胞質中都有Au納米粒子沉積，并且發(fā)現(xiàn)細胞核周圍的Au粒子粒徑比細胞質中的小。

2以生物體提取物或組成成分中的有效成分制備納米材料

生物體中含有很多還原穩(wěn)定性成分，如果將這些成分提取出來，就可以脫離生物體原有形貌的束縛，得到綠色無污染的生物還原劑，進而以其制備納米材料。很多糖類，維生素，纖維素等生物組成成分也被證實有很好的生物還原穩(wěn)定作用，這就使得納米材料的綠色生物合成更加方便快捷。

2．1以微生物提取物為有效成分制備納米材料以微生物的提取物為活性成分制備的納米材料多數(shù)是納米Ag和納米Au，而且這兩種粒子具有殺菌的效果。而以微生物提取物制備的納米材料粒徑更小，并且普遍也比一般化學方法合成的粒子有更好的殺菌效果［9］。Gholami－Shabani等［19］從尖孢鐮刀菌（Fusariumoxysporum）中提取了硝酸鹽還原酶，并用其還原得到平均粒徑為50nm的球形納米Ag顆粒，并且對人類的病原菌和細菌有很好的抗菌效果。Wei等［20］和Velmurugan等［21］分別用酵母菌和枯草桿菌提取液成功合成了不同粒徑及形貌的納米Ag顆粒。提取物中的還原性酶是促進反應進行的重要成分。Inbakandan等［22］將海洋生物海綿中提取物與HAuCl4反應制備得到粒徑為7～20nm的納米Au顆粒，主要得益于其中的水溶性有機還原性物質。Song等［23］則從嗜熱古菌（hyperther－mophilicarchaeon）中提取出高耐熱型騰沖硫化紡錘形病毒1（Sulfolobustengchongensisspindle－shapedvirus1）的病毒蛋白質外殼。并且發(fā)現(xiàn)實驗條件下在沒有遺傳物質時其蛋白質外殼仍可自組裝成輪狀納米結構。與TiO2納米粒子呈現(xiàn)出很好的親和能力，在納米材料的生物合成中將有廣闊的應用前景。

2．2以植物提取物為有效成分制備納米材料生物提取物制備納米材料的研究最多的是針對植物提取物的利用，因為地球上植物種類眾多，為納米材料的生物合成提供了眾多可能性。Ahmed等［24］以海蓮子植物（Salicorniabrachiata）提取液還原制得Au納米顆粒，其粒徑為22～35nm。制備出的樣品對致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氫化鈉還原4－硝基苯酚為4－氨基苯酚，也可催化亞甲基藍轉化成無色亞甲藍。Velmurugan等［25］和Kulkarni［26］分別用腰果果殼提取液和甘蔗汁成功制備出納米Ag和納米Ag／AgCl復合顆粒，其均有很好的殺菌效果。Sivaraj等［27］用一種藥用植物葉子（Tabernaemontana）的提取液制備了對尿路病原體大腸桿菌有抑制作用的球形CuO納米顆粒，其平均粒徑為48nm。

2．3以生物組成成分為有效成分制備納米材料碳水化合物是生物體中最豐富的有機化合物，分為單糖、淀粉、纖維素等。其獨特的結構和成分可以用來合成各種結構的納米材料。Panacek等［28］測試了兩種單糖（葡萄糖和半乳糖）和兩種二糖（麥芽糖和乳糖）對［Ag（NH3）2］＋的還原效果，其中由麥芽糖還原制備的納米Ag顆粒的平均粒徑為25nm，并且對包括耐各種抗生素的金黃葡萄球菌在內的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有很好的抑制作用。Gao等［29］和Abdel－Halim等［30］分別用淀粉和纖維素還原硝酸銀制得了不同粒徑的Ag納米粒子，對一些菌體同樣有很好的抗菌性。維生素是人體不可缺少的成分，在人類機體的新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用，是很好的穩(wěn)定劑和還原劑。Hui等［31］用維生素C還原制備了Ag納米顆粒修飾的氧化石墨烯復合材料，將加有維生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液進行超聲反應，得到的Ag納米顆粒平均粒徑為15nm，并附著在氧化石墨烯納米片表面。Nadagouda等［32］用維生素B2為還原活性成分室溫下合成了不同形貌（納米球、納米線、納米棒）的納米Pd。并且發(fā)現(xiàn)在不同的溶劑中制備的納米材料的形貌和大小不同。

3以病毒為模板制備納米材料

病毒本身沒有生物活性，可以寄宿于其它宿主細胞進行自我復制，其實際上是一段有保護性外殼的DNA或RN段，大小通常處于20～450nm之間，其納米級的大小使得以其為模板更易于制備出納米材料。Shenton等［33］以煙草花葉病毒為模板制備了Fe3O4納米管。因為煙草花葉病毒是由呈螺旋形排列的蛋白質單元構成，內部形成中空管。以此為模板制備出來的Fe3O4也復制了這一結構特點而呈現(xiàn)管狀結構。由于煙草花葉病毒的尺寸小但穩(wěn)定性高，使得它被頻頻用來作為納米材料生物合成的骨架［34－36］。Dang等［37］則以轉基因M13病毒為模板制備了單壁碳納米管－TiO2晶體核殼復合納米材料。實驗發(fā)現(xiàn)以此為光陽極的染料敏化太陽能電池的能量轉換效率達10．6％。

4結論

納米材料范文第5篇

關鍵詞：納米材料；生物安全；應用

中圖分類號：G301 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）09-0082-02

一、什么是納米材料

納米材料是處于納米尺度范圍或者由該尺度范圍的物質為基本結構單元所構成的超精細顆粒材料的總稱，根據(jù)物理形態(tài)劃分，納米材料大致可分為納米粉末（納米顆粒）、納米纖維、納米膜、納米塊體和納米相分離液體等五類。由于納米尺寸的物質具有與宏觀物質所迥異的表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應和量子限域效應等，因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學、機械等性能。1984年，德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議上，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。

二、納米材料生物安全性問題的提出

進入21世紀以來，納米科技發(fā)展迅猛，大規(guī)模生產的各種人造納米材料已經在生活消費品和工業(yè)產品中廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計，納米材料已經應用在近千種消費類產品中，來提高原有的功能或獲得嶄新的新功能，包括化妝品、食品、服裝、生活日用品、醫(yī)藥產品等領域。然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，由于小尺寸效應、量子效應和巨大比表面積等，納米材料具有很強的“雙刃劍”特性，即在提高原有材料功能同時也存在巨大的安全風險。例如，美國科學家讓一組小鼠生活在含20納米特氟隆顆粒的空氣里，結果小鼠在4小時內全部死亡；而另一組生活在含120納米特氟隆顆粒的空氣里的小鼠，卻安然無恙。僅僅尺寸改變，竟導致如此巨大的生物毒性變化。美國科學家還發(fā)現(xiàn)納米顆粒可通過胎盤屏障由母體進入到胎兒體；碳納米顆?？山浶嵊X神經直接進入動物腦部；一些人造納米顆粒在很小劑量下也容易引起器官炎癥，或導致大腦損傷，使機體產生氧化應急，隨納米尺寸減小生物毒性有增大的趨勢。研究還發(fā)現(xiàn)，納米顆粒非常容易進入細胞，它們對細胞的結構和功能產生什么影響？一些人工納米結構具有自組裝能力，它們在生物體內的不同微環(huán)境里，會自組裝成不同的可蔓延生長的特殊結構，這些結構對生物大分子的結構和功能將產生什么影響？它們是否會干擾生命過程的正常進行？

三、納米材料的生物安全性成為科學前沿問題

2005年12月，美國政府以世界“經濟合作發(fā)展組織（OECD）”的名義，召集世界各國政府，在美國首都華盛頓召開了“人造納米材料的安全性問題”圓桌會議，討論如何采取措施，保障“人造納米材料的安全性問題”。納米安全性問題之所以引起各國政府和科學界的如此重視，是因為納米材料的應用事關人體健康和安全，而“健康和安全”永遠是國家的重大需求。納米科技事關國家前沿科技的發(fā)展，美國國務院代表在華盛頓的“納米安全會議”上說“保障納米科技的健康可持續(xù)發(fā)展，是保持我們科技領先地位的國家戰(zhàn)略”。納米科技居于21世紀公認的前沿科技之首。因此，為納米科技保駕護航，是國家層面的重要戰(zhàn)略目標之一。同時，率先開展納米材料的生物安全性研究，就有可能搶占先機，抓住在科學上取得重大突破的機遇：人造納米結構或納米顆粒與生命體相互作用過程是一個未知領域，存在許多新現(xiàn)象、新問題、新規(guī)律，無論對納米科技的發(fā)展或者對理解生命過程本身都孕育著新的挑戰(zhàn)和機遇。搶占先機，就意味著擁有取得重大突破的機會。

四、目前急需解決的難題