納米科技
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納米科技范文第1篇
1.何謂納米科技
所謂納米尺度是指十億分的一米，約為人類頭發(fā)直徑的八萬分的一，相當于十個氫原子的直徑長。納米科技涵蓋材料、微電子、計算機工程、化工、化學、物理、醫(yī)學、航天、環(huán)境、能源以及生物等各領域。而納米科技一般系指利用數個納米至數十個納米的觀察與操作技術，制作出具有該尺度的各種功能新穎的構造體，將其制作成各種不同領域與制程整合并加以利用的技術。
2.納米材料的特性
當材料結構小到納米尺寸時，材料中的晶粒大小介于一到十納米范圍的間。一般定義晶?；蝾w粒直徑小于1 0 0納米的粒子稱為納米晶。當超威粉粒直徑、薄膜厚度或孔隙直徑從微米減小至納米等級，具有與一般固體晶相或非晶質結構不同的原子結構；且有與傳統(tǒng)晶?；蚍蔷з|材料不同的性質，這些材料結構已小于可見光的波長，其表面原子所占全體原子的比例將快速增加，故其表面未飽和鍵數很多，使得納米具有極高的表面活性，因此表面能量占全體總能量的比例也快速增加，其具有大表面積的特殊效應，又因其固體表面原子的熱與化學穩(wěn)定性比內部的原子要差得多，造成此表面原子有催化劑的作用。目前我們所使用的材料結構尺寸已經縮小到器件所利用的物理原理即將失效的階段，科學家們預測這些物理原理的適用性再撐不過十年，由于納米結構材料，仍有很多的新化學性質及物理性質，例如材料強度、模數、延性、磨耗性質、磁特性、表面催化性以及腐蝕行為等，會隨著粒徑大小不同而發(fā)生變化，也就是說如果我們想要利用納米材料結構，不只需要找出更好的材料、更簡便和可信度高的生產方法，同時也必須了解其新物理和化學性質，想出新運用的原理，并且可以做出特定大小、形狀，或有可區(qū)分出不同尺寸與形狀的納米制造技術。
3.半導體納米組件
目前電子產品組件中的晶體管和鏈接尺寸都已經縮小到0.13微米（百萬分的一米） 以下，在計算機內兩公分平方的中央數據處理器，英特爾（ intel） 的最新商用微處理器pentium 4，系使用0.18微米制程，于一個微處理器內包含4700萬個晶體管，若使用0.02微米制程，則每一個微處理器幾乎可容納10億個晶體管。當我們從0.13微米發(fā)展到0.10微米將會面對棘手的技術障礙。為進一步的發(fā)展，需要材料、非光學微影制程、蝕刻、沈積和低溫退火等多方面的突破。除此的外，設計、檢驗、測試和封裝技術都需要艱難的技術革新。英特爾的創(chuàng)辦人的一、摩爾博士于1965年曾謂微處理器的晶體管密度，每十八個月會增加一倍，此即為摩爾定律，業(yè)界要維系摩爾定律，就必須不斷的提升制程技術，其中的關鍵技術即為微影，例如傳統(tǒng)微影制程使用的365納米、近紫外光，其解像度大約在0.30-0.35微米間，而目前4 ～ 5年內的主要曝光技術則是深紫外光光學微影（duv），2000年全球微影設備出貨量中，d u v設備占6 2％，9 9年時為57％，在d u v曝光技術中， 193納米氟化氬（arf） 雷射為深紫外光光學微影的主要光學光源，其解像度為0.13-0.10微米。更多的工作將會集中于如何在更少的基底損壞和更高選擇率的前提下凈化和蝕刻芯片。我們會努力將阻抗更低的材料、導電性更高的薄膜、新型金屬或金屬化合物和導電性更低的隔層材料應用到新的生產線中。除此的外，許多的專家將會投入大量時間研究原子級檢驗、超高速芯片級測試和高效可靠的封裝。臺灣有不少硅晶圓制造公司已經成功地發(fā)展出小于0.11微米的組件。
4.掃描探針微影術在納米科技的應用
掃描探針微影術是利用掃描探針顯微鏡（如原子力顯微鏡及掃描穿遂顯微鏡等） 來進行納米級微影的新技術?？捎靡葬槍Σ牧媳砻嫣匦缘臋z測，近年來更利用微小的探針頭尖端靠近材料表面以產生局部的強電場或低能電子束，用于改變表面特性的掃描探針微影術，即由相關參數的調整，而發(fā)展出多種掃描探針顯微加工技術。而其運用的范圍已擴及表面物理、固態(tài)物理、生物物理、生命科學、材料科學、納米科學等學術研究，以及納米量測、半導體檢測、超精密加工、生物技術與納米技術等工程研究與實際運用。掃描探針顯微鏡由于可達到原子級或納米級的分析能力，而且進行測量
與加工所需旳能量差別不大，因此同一系統(tǒng)幾乎可同時進行納米量測與納米加工，是未來納米技術最重要的基礎關鍵技術的一。其中，使用導電探針以產生場致陽極氧化作用的方法更被應用于制造納米尺寸的組件，如場效晶體管、單電子晶體管、單電子內存、高密度數據儲存媒介等。
5.納米碳管的研究
納米材料的研究為目前科學技術發(fā)展的先驅之一，其中，近年來被發(fā)現的納米碳管更是因其優(yōu)異的性質而備受矚目，并擁有許多潛在的應用。納米碳管有很高的化學穩(wěn)定性、熱傳導性和機械強度，尤其是獨特的電子性質，使其可應用在場發(fā)射平面顯示器上，有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＷ?991年被s. iijima發(fā)現以來，已逐漸成為科學界的主流研究課題的一，納米碳管主要是由一層或多層的未飽和石墨層（ graphene layer） 所構成，在納米碳管石墨層中央部分都是六圓環(huán)，而在末端或轉折部份則有五圓環(huán)或七圓環(huán)，每一個碳原子皆為s p2構造，基本上納米碳管上石墨層的構造及化學性質與碳六十相似。制備方法大致可分為三種：第一種為電漿法，由二支石墨棒在直流電場及惰性氣體環(huán)境下，火花放電而生成。第二種方法為激光激發(fā)法，由聚焦的高能量激光束于120℃高溫爐中揮發(fā)石墨棒而生成。第三種方法為金屬催化熱裂解法，在高溫爐中（＞700℃） 由鐵、鈷、鎳金屬顆粒熱裂解乙炔或甲烷而生成。由于上述三方法對于量產納米碳管依舊有一段距離。
6.生物科技在納米技術的應用
納米科技不只可以應用在電子信息工業(yè)上，在生物和醫(yī)學上也一樣有用。當我們有一天能區(qū)分出健康和患病者d na基因內碼排列的差異性時，也許可利用納米技術來加以修正；生物芯片因為結構微小，其偵測靈敏度特別的高，只需要極少量分子即能檢驗出病因，現在我們生病時所做生理檢查總是避免不了驗血、驗尿、驗一大堆東西，有些檢驗還得等好幾天的細菌培養(yǎng)，生物芯片一旦發(fā)展成功，小小的一片，從分子生物學出發(fā)，一次便可做多種檢驗，且不到幾分鐘或幾秒鐘便能全部完成；當然制造小醫(yī)療器件，把它注入體內做長期醫(yī)療工作也是發(fā)展方向之一，器件小會減少對其他器官正常作用的干擾。另外在基礎生物醫(yī)學方面，生物分子如何作用也可用納米技術做非常細微的分析，即以了解其作用機制，預料利用納米技術，有一天科學家可以測量單一分子的光譜和鍵能，也可切割或連結某一特定的分子鍵，一個分子馬達如何的旋轉，還有一個蛋白分子如何的松縮等現象也都可利用原子力顯微鏡等顯微技術直接觀察研究。
納米科技范文第2篇
1、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃
由于納米技術對國家未來經濟、社會發(fā)展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區(qū)）紛紛將納米技術的研發(fā)作為21世紀技術創(chuàng)新的主要驅動器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，以指導和推進本國納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術相關的研發(fā)。
（1）發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術計劃（NNI），其宗旨是整合聯邦各機構的力量，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術開發(fā)工作方面的協調。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀納米技術研究開發(fā)法案》，這標志著納米技術已成為聯邦的重大研發(fā)計劃，從基礎研究、應用研究到研究中心、基礎設施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。
日本政府將納米技術視為“日本經濟復興”的關鍵。第二期科學技術基本計劃將生命科學、信息通信、環(huán)境技術和納米技術作為4大重點研發(fā)領域，并制定了多項措施確保這些領域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進從基礎性到實用性的研發(fā)，同時跨省廳重點推進能有效促進經濟發(fā)展和加強國際競爭力的研發(fā)。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術給予了空前的重視。該計劃將納米技術作為一個最優(yōu)先的領域，有13億歐元專門用于納米技術和納米科學、以知識為基礎的多功能材料、新生產工藝和設備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術戰(zhàn)略，目前，已確定了促進歐洲納米技術發(fā)展的5個關鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢頭；加強研發(fā)基礎設施；從質和量方面擴大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識轉化為產品和服務；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內的多數歐盟國家還制定了各自的納米技術研發(fā)計劃。
（2）新興工業(yè)化經濟體瞄準先機
意識到納米技術將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經濟體，為了保持競爭優(yōu)勢，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國政府2001年制定了《促進納米技術10年計劃》，2002年頒布了新的《促進納米技術開發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術開發(fā)實施規(guī)則》。韓國政府的政策目標是融合信息技術、生物技術和納米技術3個主要技術領域，以提升前沿技術和基礎技術的水平；到2010年10年計劃結束時，韓國納米技術研發(fā)要達到與美國和日本等領先國家的水平，進入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設施建設為基礎，以追求“學術卓越”和“納米科技產業(yè)化”為目標，意在引領臺灣知識經濟的發(fā)展，建立產業(yè)競爭優(yōu)勢。
（3）發(fā)展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強的發(fā)展中國家為了迎頭趕上發(fā)達國家納米科技發(fā)展的勢頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協調委員會、國家納米科學中心和納米技術專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發(fā)展綱要將明確中國納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發(fā)任務，以便在國家層面上進行指導與協調，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術浪潮是納米技術，南非科技部正在制定一項國家納米技術戰(zhàn)略，可望在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應用前景的納米技術的研究和開發(fā)。
2、納米科技研發(fā)投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發(fā)熱潮，現在無論是富裕的工業(yè)化大國還是渴望富裕的工業(yè)化中國家，都在對納米科學、技術與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術研究資金估計為20億歐元。這說明，全球對納米技術研發(fā)的年投資已達50億歐元。
美國的公共納米技術投資最多。在過去4年內，聯邦政府的納米技術研發(fā)經費從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據《21世紀納米技術研究開發(fā)法》，在2005～2008財年聯邦政府將對納米技術計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發(fā)的經費。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術投資國。日本早在20世紀80年代就開始支持納米科學研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據第六個框架計劃，歐盟對納米技術的資助每年約達7.5億美元，有些人估計可達9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內中央政府的納米技術研究支出達到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術相關領域中投資6億美元，每年穩(wěn)中有增，平均每年達1億美元。韓國每年的納米技術投入預計約為1.45億美元，而新加坡則達3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術研發(fā)公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據致力于納米技術行業(yè)研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業(yè)對納米技術的投資也快速增加。美國的公司在這一領域的投入約為17億美元，占全球私營機構38億美元納米技術投資的46%。亞洲的企業(yè)將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機構將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術的創(chuàng)新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋
各納米科技強國比較而言，美國雖具有一定的優(yōu)勢，但現在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據中國科技信息研究所進行的納米論文統(tǒng)計結果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領先于其他國家，3年累計論文數超過10000篇，幾乎占全部論文產出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數也較多，各國3年累計論文總數都超過了1000篇，且每年的論文數排位都可以進入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。
（2）在申請納米技術發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭
據統(tǒng)計：美國專利商標局2000—2002年共受理2236項關于納米技術的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數據來源美國專利商標局，所以美國的專利數量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數國家納米論文數與專利數所占比例的反差較大，在論文數最多的20個國家和地區(qū)中，專利數所占比例超過論文數所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術研究上具備一定的實力，但比較側重于基礎研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術的應用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領域快速發(fā)展。隨著納米技術在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應用，目前美國納米研究熱點已逐步轉向醫(yī)學領域。醫(yī)學納米技術已經被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術計劃》，目的是將納米技術、癌癥研究與分子生物醫(yī)學相結合，實現2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質在生物體內的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業(yè)化。
雖然醫(yī)學納米技術正成為納米科技的新熱點，納米技術在半導體芯片領域的應用仍然引人關注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術是這一領域中最受關注的地方。不少科學家試圖利用化學反應來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術本來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。
日本納米技術的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領先水平，但尚未脫離基礎和應用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術的研發(fā)上，日本最重視的是應用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結構的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結構、富勒結構套富勒結構、納米管套富勒結構、酒杯疊酒杯狀結構等。
在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術，特別是批量生產技術。細川公司展出的低溫連續(xù)燒結設備引起關注。它能以每小時數千克的速度制造粒徑在數十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應用大學開發(fā)的新技術能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內即可進入批量生產階段。
日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術。目前廣泛應用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現了諸如數字式顯微鏡、內藏高級照相機顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產品?？茖W家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應用于納米領域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。
日本企業(yè)、大學和研究機構積極在信息技術、生物技術等領域內為納米技術尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質及基因的結構等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數不多。
歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。
中國在納米材料及其應用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。
4、納米技術產業(yè)化步伐加快
目前，納米技術產業(yè)化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業(yè)前景。據統(tǒng)計：2004年全球納米技術的年產值已經達到500億美元，2010年將達到14400億美元。為此，各納米技術強國為了盡快實現納米技術的產業(yè)化，都在加緊采取措施，促進產業(yè)化進程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認為，美國大公司自身的納米技術基礎研究不足，導致美國在該領域的開發(fā)應用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學與大企業(yè)組成的研究中心，希望借此使納米技術的基礎研究和應用開發(fā)緊密結合在一起。美國聯邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區(qū)建立一個“納米科技成果轉化中心”，以便及時有效地將納米科技領域的基礎研究成果應用于產業(yè)界。該中心的主要工作有兩項：一是進行納米技術基礎研究；二是與大企業(yè)合作，使最新基礎研究成果盡快實現產業(yè)化。其研究領域涉及納米計算、納米通訊、納米機械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應用于美國國防工業(yè)。
美國的一些大公司也正在認真探索利用納米技術改進其產品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內取得突破，并生產出商業(yè)產品。一個由專業(yè)、商業(yè)和學術組織組成的網絡在迅速擴大，其目的是共享信息，促進聯系，加速納米技術應用。
日本企業(yè)界也加強了對納米技術的投入。關西地區(qū)已有近百家企業(yè)與16所大學及國立科研機構聯合，不久前又建立了“關西納米技術推進會議”，以大力促進本地區(qū)納米技術的研發(fā)和產業(yè)化進程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術研究所，試圖將納米技術融合進各自從事的產業(yè)中。
歐盟于2003年建立納米技術工業(yè)平臺，推動納米技術在歐盟成員國的應用。歐盟委員會指出：建立納米技術工業(yè)平臺的目的是使工程師、材料學家、醫(yī)療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協同作戰(zhàn)，把納米技術應用到信息技術、化妝品、化學產品和運輸領域，生產出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產品，同時減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過建立納米技術工業(yè)平臺和增加納米技術研究投資使其在納米技術方面盡快趕上美國。
納米科技范文第3篇
關鍵詞：納米材料 太陽電池 光催化 興趣小組
中圖分類號：N39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0001-01
為了更好地開展“納米科技”興趣小組，將興趣小組分成以下幾個部分來實施：納米材料的基本知識及制備方法，染料敏化納米薄膜太陽電池，納米科技在光催化、光吸收等方面的應用。
1 納米材料的基本知識及制備方法
“納米科技”興趣小組剛開展時，指導學生查閱文獻的方法，為小組成員提指導學生制作太陽電池，首先制作納米二氧化鈦，有很多參數會影響到納米供相關科技書籍，指導學生掌握相關知識：納米概念、納米微粒結構、納米材料的物理化學性質、納米材料的制備方法等，啟發(fā)學生主動學習科學知識，激發(fā)學生對納米科技的興趣。
針對小組成員是大一新生，理論知識和實驗技能相對不足，利用課余時間指導小組成員學習理論知識和常規(guī)的實驗技能，指導小組成員做一些簡單的材料制備實驗，熟悉紫外-可見分光光度（UV-Vis）、pH計等分析儀器。給小組成員布置學習任務，按期提交學習心得，督促小組成員盡快掌握基本的理論知識和實驗技能。給學生做演示實驗，指導實驗的關鍵點。通過言傳身教，讓學生懂得科學的嚴謹性，養(yǎng)成多動腦筋、勤觀察現象、善于分析的好習慣。指導學生掌握如何設計實驗方案，如何記錄實驗現象，如何進行實驗分析和數據處理。組織小組成員進行討論交流，提高學生獨立思考、分析理解能力、動手操作和自主創(chuàng)新的能力；增強學生的綜合能力，促進學生素質的全面發(fā)展。
在興趣小組的實施過程中，小組成員通過查閱資料、文獻檢索、聽講座、看演示實驗、動手做實驗、討論交流等方式了解納米科技，熟悉納米材料的基礎知識，納米材料的制備方法：共沉淀法、水解法、溶膠-凝膠法和微乳液法等，能動手制備一些納米材料，如：納米二氧化鈦、納米二氧化硅等。
隨著小組成員理論知識和實驗技能的提高，指導學生掌握實驗方案及注意事項，讓學生動手做一些實驗。指導學生利用實驗數據分析實驗結果，比較各個工藝路線的優(yōu)劣，討論如何設計下一步的實驗方案。指導學生記錄實驗過程，實驗現象，以及一些困惑和思考。學生在做科學研究時，興趣更大，操作更加細致認真。先后做的實驗有：納米二氧化鈦的制備，并用紫外-可見分光光度分析納米二氧化鈦的的光化學性質；制備摻雜型納米二氧化鈦材料，納米二氧化鈦和二氧化硅復合材料的制備。納米TiO2顆粒容易團聚形成較大的聚集體，對納米TiO2進行表面改性以避免其團聚現象。納米TiO2顆粒的晶型、顆粒大小對光催化性能起著決定性的作用，分析影響光催化劑晶型、粒徑的因素，控制納米TiO2的晶型和粒徑。
2 染料敏化納米薄膜太陽電池
給學生介紹染料敏化納米薄膜太陽電池（DSC），DSC具有廉價的原材料和簡單的制作工藝以及穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢。DSC采用有機染料來敏化納米多孔TiO2半導體，由于有機染料分子設計合成的靈活性和納米半導體技術的迅猛發(fā)展，DSC在技術發(fā)展和性能提高上有很大的潛力。
TiO2的形態(tài)（粒徑、顆粒形狀、孔隙和比表面積等），還有pH值及反應溫度和時間等。在第一階段已經做過納米二氧化鈦，然后合成染料敏化劑聯吡啶釕，染料敏化劑在太陽電池中的作用是極其重要的，它具有很寬的光譜吸收范圍和良好的穩(wěn)定性，能有效地捕獲太陽光，并通過染料分子的吸附功能基團與納米TiO2薄膜表面形成化學鍵，使染料能夠有效地敏化納米TiO2薄膜電極。將合成的染料溶于乙醇中，配制成染料溶液。第三步配制電解質。第四步，準備好導電玻璃，將二氧化鈦薄膜印刷到導電玻璃上，然后浸泡到染料溶液中，在反電極的玻璃上鍍上一層鉑。最后將兩片導電玻璃固定好，注入電解質，密封好就得到太陽電池了。學生親自動手制作電池，興趣很大，動手能力也得到很好的鍛煉。
3 納米科技在光催化、光吸收等方面的應用
指導小組成員學習納米材料在光催化、光吸收、生物、醫(yī)藥、磁性材料及傳感器等方面的應用；指導小組成員分析納米二氧化鈦的應用研究，如在水處理、氣體凈化、抗菌保潔等方面的應用；指導小組成員學習工業(yè)廢水的常規(guī)處理方法，以及催化劑的性質和應用；指導學生將所學知識運用到實踐中，將金屬離子摻雜納米二氧化鈦光催化劑應用到光催化降解工業(yè)廢水中。
采用溶膠-凝膠法制備共摻雜鋅、銀的納米TiO2光催化劑，提高納米TiO2的光催化效率。考察摻雜量、催化劑加入量等對光催化性能的影響。在處理制漿造紙工業(yè)、農藥制造、印染、化工等多種工業(yè)排放廢水方面顯示出良好的應用前景。這種光催化技術對解決環(huán)境污染，治理環(huán)境有重要的意義，特別是在全球環(huán)境惡化，病毒性傳染病時有發(fā)生的今天，加強光催化降解有機污染物技術更為重要。以甲基橙染料廢水的光催化降解為例，分析鋅、銀共摻雜納米TiO2光催化劑的降解效率。分析影響甲基橙染料廢水的光催化降解的因素：光照強度、反應時間、催化劑用量、pH值、有機廢水濃度等。
4 結語
通過“納米科技”興趣小組的開展，小組成員對科學研究產生了很大的興趣，學到了很多有用的科技知識和實驗技能，掌握了科研的一些基本方法和技能，能進行文獻的檢索，實驗方案的選擇等，能用紫外-可見分光光度（UV-Vis）對納米光催化劑的光化學性質進行分析，能比較各個工藝路線的優(yōu)劣，討論如何設計下一步的實驗方案?！凹{米科技”興趣小組的開展大大提高了小組成員對專業(yè)課的學習興趣，為今后走向工作崗位奠定了一定的理論知識和實驗操作技能。
通過“納米科技”興趣小組的開展，小組成員能制備出納米二氧化鈦、共摻雜鋅、銀納米TiO2光催化劑等納米材料。這種新型光催化劑是造紙、農藥、印染、化工等多種企業(yè)所需要的，為企業(yè)解決工業(yè)廢水的治理問題。
參考文獻
[1] O'Regan B，Graetzel M.A low-cost， high-efficiency Solar Cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films[J]. Nature，1991，353（6346）：737-740.
納米科技范文第4篇
想要考研的你，提及納米科學與技術專業(yè)，是否會列出“神秘”“高薪”“高就業(yè)率”“高科技”這一系列關鍵詞呢？
真正的“高富帥”專業(yè)
如果一定要用一個詞來形容納米專業(yè)，那就是“高富帥”。
說它“高”，是因為它的的確確是高科技的產物。1納米是1米的十億分之一，20納米也僅相當于1根頭發(fā)絲的三千分之一。也正是這么小的尺寸，才能夠用來做材料。不僅如此，納米材料還都帶著“特異功能”，具有奇異的化學物理特性。納米雖小，用途卻大，小尺寸成就大空間，真是高不可測。而研究生階段需要學的課程也很“高”：納米材料的結構、尺寸和形貌的表征技術、納米粉體材料的制備與表面修飾、一維納米材料的制備、納米復合材料的制備、納米結構材料的制備、納米材料的物理特性與應用、納米電子器件的基本原理和微加工技術、納米材料與納米技術的最新進展和發(fā)展趨勢等都是該專業(yè)的主干課。是研究生的必修課，而新專業(yè)的科研空間更加廣闊，所以發(fā)SCI的概率大大增加。想要寫好論文，你就要了解納米材料與技術的最新學科發(fā)展動向、理論前沿、應用前景等。而如果你打算游學海外，就更要在研究生階段狂抓英語了。這一專業(yè)的專業(yè)英語詞匯非常龐雜，有醫(yī)學、化學、物理、材料學等諸多領域，需要系統(tǒng)地學習。筆者碩士一年級的時候大家每周都會用英報告，這樣能有效提高英文水平，即使不打算出國，閱讀國外文獻也會非常流暢，開闊視野。納米專業(yè)確實很“高”，但當你真正鉆研進去，就會發(fā)現它的樂趣。
說它“富”，一點也不夸張。納米技術、信息技術及生物技術被譽為本世紀社會經濟發(fā)展的三大支柱。納米從20世紀80年代末，90年代初開始起步，經歷二十多年的發(fā)展，現在已經成為突飛猛進的前沿、交叉性新型學科。納米技術作為朝陽產業(yè)，將在生物醫(yī)學、航空航天、能源和環(huán)境等領域“大顯身手”。美國國家科學基金會的納米技術高級顧問米哈伊爾·羅科甚至預言：“由于納米技術的出現，在今后30年中，人類文明所經歷的變化將會比過去的整個20世紀都要多得多?！比绱丝磥?，納米技術必將創(chuàng)造巨大的經濟價值，同時也能為該專業(yè)的同學提供良好的職業(yè)發(fā)展平臺。
說它“帥”，是因為它有獨到魅力，吸引青年學子投其懷抱。其實，大部分工科生的研院生活都是相同的，讀文獻、做實驗、組會、聽報告，這些幾乎就是我們讀研生活的全部。想學好納米專業(yè)，你首先要做個雜家。在研究生階段，你要掌握數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識，學習環(huán)境納米材料的綠色制備及其規(guī)模化，面向環(huán)境檢測的納米結構與器件的構筑原理、方法，并且了解納米材料與納米結構性能與機理。而做到這些還遠遠不夠，因為理工科專業(yè)的直接目標在于應用，因此還需要學習納米材料在污染治理中的應用原理、技術與裝置研發(fā)、納米材料的環(huán)境效應與安全性評估、納米材料在節(jié)能和清潔能源中的應用等，掌握材料學的工藝裝備、測試手段與評價技術，具備相應的科研能力，具有從事科學研究和解決工程中局部問題的能力。運用納米技術解決這些問題和一般的常規(guī)思路有著很大的不同，有著前路未知的期盼和發(fā)現時的狂喜，為此我們都成為典型的“技術宅”，大部分時間會宅在實驗室里，在外人看來，可能是只顧科研無心生活的“苦行僧”，而只有我們才能體會到納米的“帥”及給我們生活所帶來的樂趣。
想要學好納米專業(yè)，團結協作的能力必不可缺。其學習都是以課題組和實驗室為單位，很多作業(yè)和項目都是大家集體完成，比如開發(fā)一種新型的納米材料，大家都有不同的分工，這就需要我們能緊密地合作與溝通，分擔辛苦分享成功。
同時，我們還需要有極強的表達能力和動手實踐的能力。我們學校經常舉辦學術沙龍，需要大家上臺演講，不僅本專業(yè)的導師在場，其他專業(yè)的學生和老師也會來聽，并從不同角度提出意見，所以我們要足夠有氣場才能HOLD住場面。而實踐方面，我們都有做老師科研助理的機會，同時開展自己的課題研究，不僅要寫得好論文，還要做好實驗。想讀納米專業(yè)，要做的功課非常多，你只有都嘗試了，才能體會到這個專業(yè)的巨大魅力，才會在科技的海洋里盡情遨游。
就業(yè)面窄是誤區(qū)
對于納米科學與技術專業(yè)，很多人對它的認識存在誤區(qū)。很多人認為，納米作為高精尖技術與日常生活相距太遠，所以想當然地認為其就業(yè)難。
其實，納米真實地存在于我們的日常生活中，而隨著科技的發(fā)展，未來有一天我們的衣食住行都將離不開納米技術。所以如果你能有幸就讀該專業(yè)研究生，并在學術上有所造詣，愿意將所學學以致用，那么你的就業(yè)前景無限光明！
那么納米技術到底是怎樣和實際生活聯系起來的呢，而我們工科生，又將以何種方式參與這種科技改變人們生活的進程呢？
衣：在紡織和化纖制品中添納米微粒，可以除味殺菌?；w布結實耐磨，但會產生靜電現象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電，穿起來非常舒適。
食：利用納米材料，冰箱的抗菌能力大大增強。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經進入市場。利用納米粉末，可以使廢水有效凈化，完全達到飲用標準，納米食品色香味俱全，還對健康大有裨益。
住：對于我們這代人而言，居家做家務、清理房間是一大愁事，納米技術的應用可以省下我們很多力氣。通過納米技術，墻面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，完全不需要擦洗。含有納米微粒的建筑材料，還可以吸收對人體有害的紫外線。既省時省力又對身體好。
行：在出行方面，納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發(fā)動機部件的理想材料，可以大大提高發(fā)動機效率、工作壽命和可靠性。納米球添加劑可以在機車發(fā)動機加入，起到節(jié)省燃油、修復磨損表面、增強機車動力、降低噪音、減少污染物排放、保護環(huán)境的作用。納米衛(wèi)星可以隨時向駕駛人員提供交通信息，幫助其安全駕駛。
而這些，只是納米科技應用在生活中的很小一部分，納米技術興起晚，發(fā)展態(tài)勢迅猛，更多的核心技術需要我們這一代去發(fā)掘，以期使之更好地為民生服務?？梢娂{米技術在日常生活中無處不在，各行各業(yè)都需要擁有高技術高學歷的納米技術專業(yè)人才，所以就業(yè)前景廣闊。
具體的就業(yè)方向，男生、女生之間相差很大。納米專業(yè)的大部分女碩士，特別是女博士一般選擇到大學或科研院所做研究。研究領域涵蓋納米材料、黏合劑、涂料、電鍍、陶瓷等相關領域，從事相關產品開發(fā)、生產和檢測等方面。大部分男生會去納米材料行業(yè)企業(yè)或傳統(tǒng)材料相關企業(yè)供職?？梢詮氖录{米材料表征、石墨烯及碳納米材料研發(fā)、納米材料改性、納米材料合成、無機納米材料制備以及交叉學科納米材料應用的相關工作。
跨專業(yè)報考受青睞
納米科學與技術是一個技術性很強的專業(yè)，不過并不限制跨專業(yè)報考，納米科學與技術專業(yè)不僅不是個排外的“高富帥”，反而非常歡迎跨專業(yè)的學生融入其中，共同搭建納米專業(yè)的大舞臺。納米科學與技術專業(yè)在工科或理科門類招生，不同學校有所不同，但都非常歡迎與之類似的材料專業(yè)同學報考，因為都涉及材料學的基礎知識，所以學起來會得心應手。同時，理工科專業(yè)背景如物理、化學甚至數學這類基礎學科出身的學生，也很受該專業(yè)歡迎。
在報考納米科學與技術專業(yè)的學生中，也有一部分醫(yī)學生。未來納米技術應用于醫(yī)學領域是大勢所趨。利用納米技術制成的微型藥物輸送器，可將適當劑量的藥物，通過體外電磁信號的引導準確送達病灶部位，有效地起到治療作用，同時可以減輕藥物的不良的反應。用納米制造成的微型機器人，它的體積可是小于紅細胞的，你能想象到嗎？通過它向病人血管中注射，能疏通腦血管的血栓，清除心臟動脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結石等。而隨著納米技術的發(fā)展，它與醫(yī)學還會有更多的交叉。
院校介紹
對納米科學與技術這種新興學科來說，每個學校都有自己的特色和側重，所以這里重點介紹一下。而通過這些不同院校的專業(yè)方向設置，我們也可以多角度地了解這一專業(yè)。
國家納米科學中心
國家納米科學中心是中國科學院與教育部共同建設并具有獨立事業(yè)法人資格的全額撥款直屬事業(yè)單位，自2005年開始招收研究生?，F有博士學科專業(yè)點3個：凝聚態(tài)物理、物理化學和材料學；碩士學科專業(yè)點3個：生物物理、生物工程和材料工程。鑒于納米科學與技術學科的前沿交叉特性，在招生階段，現將該學科掛靠在物理學、化學、材料科學與工程和生物學4個一級學科下，并相應產生4個專業(yè)代碼。涉及納米科技系列進展、納米檢測系列講、文獻信息利用、人文系列講座、納米功能材料等課程。
國家納米科學中心2013年在7個專業(yè)招收碩士研究生35人，專業(yè)包括納米科學與技術、凝聚態(tài)物理、物理化學、材料學、生物物理學、材料工程和生物工程，研究方向涵蓋高分子納米功能材料、生物納米結構、納米醫(yī)學、納米復合材料、納米電子學等幾十個方向，方向非常細化，具有材料、半導體、物理、化學、微電子、生物、醫(yī)藥等專業(yè)背景的學生都可以報考。相信有志于納米專業(yè)的學生，一定會在這里找到適合自己的研究方向。
國家納米中心是比較典型的科研所，其吸引考生的除了實力，很重要的一點就是待遇優(yōu)厚。該中心不需學生繳納學費，如遇國家政策調整還會有高額的獎學金返還制度，碩士研究生根據不同年級，每個月可以拿到1300～2500元的獎學金，博士會拿到3100～4500元的獎學金。此外，還會有其他生活補助等。研究生公寓已經完全賓館化管理，非常舒適。在國家納米中心深造，沒有經濟上的后顧之憂，這樣你才可以將全部精力投入到學習中去。
大連理工大學
大連理工大學的工程力學系開設生物與納米力學專業(yè)，已然在行業(yè)內一枝獨秀。該學科依托于工程力學系和工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，軟硬件條件優(yōu)越，擁有先進的實驗設備和儀器。學生有充足的動手實踐機會，能在宏觀、微觀等不同層次上，進行跨學科的數值模擬和力學實驗。同時，也有國家自然科學基金、重點基金、“863”“973”等眾多項目和基金支持。
該專業(yè)現在有生物器官生物力學模型及新材料應用研究、分子模擬和計算機輔助藥物分子設計、微納米與多尺度力學研究、生物材料的力學行為及其多功能化4個研究方向，涉及到力學、醫(yī)藥、生物、機械、材料、電子、控制、測量、微納科技等領域。
大連理工大學這個專業(yè)的直博生學制是4年，而一般的直博生需要學習5年時間，而分開讀碩士和博士一般需要6至7年，這吸引了不少學生報考，因為可以節(jié)約1～3年時間。當然，在4年的時間里完成碩士和博士學業(yè)，是一件很具挑戰(zhàn)的事情，需要最大限度地提升效率。
蘇州大學
蘇州大學納米科學技術學院是蘇州大學、蘇州工業(yè)園區(qū)政府、加拿大滑鐵盧大學攜手共建的一所高起點、國際化的新型學院。該學院建立于2010年，由全球著名納米與光電子材料學家、中國科學院院士、第三世界科學院院士李述湯教授擔任院長，教學科研實力雄厚，是國內高校中為數不多的專門的納米科學學院。招生方向涵蓋納米生物化學、納米技術工程、納米材料、有機無機復合納米材料等。有關納米的專業(yè)在物理、化學、生物學、材料科學與工程4個學科下招收學術型研究生，相關專業(yè)學生都可以報考。
需要提醒大家的是，蘇州大學納米科學技術學院初試提供詳細的輔導書和真題，有意報考的同學要多關注學院的網站，以獲得第一手信息。
武漢大學
武漢大學的納米科學與技術專業(yè)在物理科學與技術學院和化學與分子科學學院均有招生，各有側重。前者分為納米復合材料、納米光催化材料與技術、納米光電子學、納米管線陣列及其智能傳感器、納米材料制備與表征和納米尺度結構與性能關系6個方向。后者在納米催化、納米生物醫(yī)學、納米材料分離分析、微納傳感技術和高分子納米藥物載體。很多方向在國內上處于領先地位，每年也有大量學生報考，競爭力較強。
武漢大學與國外多所大學有合作關系，大家如果在武大讀研，出國交流、學習的機會比較多。
華中科技大學
華中科技大學是典型的工科學校，其納米專業(yè)當然也首屈一指。華科的納米專業(yè)同樣是熱門，除去每年招收本校內推的學生，考研的競爭非常激烈。
在培養(yǎng)模式方面，華科非常重視學、研、產相結合，科研成果轉化率非常高。在就業(yè)方面，很多碩士研究生在各科研機構及高校任職。如果你求學在華科，就不用愁生活保障的問題，學校的獎勵機制非常完善。學院對每位研究生在校期間將發(fā)放生活津貼，并設立各類獎學金以獎勵優(yōu)秀的研究生，其獎勵比例達80%。
納米科技范文第5篇
關鍵詞:LaF3;納米材料;
中圖分類號:TE624.82 文獻標識碼:A
Survey of Preparation and Lubrication of LaF3 Nanoparticles as Lubricating Oil Additive
YOU Jian-wei, LI Fen-fang, FAN Cheng-kai
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)
Abstract:LaF3 nanomaterials have shown excellent tribological properties as a kind of new additive in lubricating oil and grease. The preparation method, surface-modification technology, lubricating mechanism and application development of LaF3 nanomaterials are summarized in this paper. It is pointed out that the key problems of LaF3 nanoparticles in lubricant are the dispersity and stability. The future development of LaF3 nanomaterials as lubricating oil additive is presented as well. With the accelerative development of modern industry nowadays, LaF3 nanomaterials will be a young conception in the field of tribology. And the tribological properties and lubricating mechanism will be gotten more and more attention. Key words:LaF3; nanomaterials; lubrication
0 前言
納米微粒是指顆粒尺度為納米量級(1~100 nm)的超細微粒。當材料的顆粒縮小到只有幾納米到幾十納米時,材料的性質發(fā)生了意想不到的變化。由于組成納米材料的超微粒尺度,其界面原子數量比例極大,一般占總原子數的40%～50%,使材料本身具有宏觀量子隧道、表面和界面等效應,從而具有許多與傳統(tǒng)材料不同的物理、化學性質[1]。納米材料是當前材料學科研究的熱點之一。納米材料的奇異特性和廣闊的應用前景,使得材料、凝聚態(tài)物理、膠體化學、原子物理、配位化學、化學反應動力學和表面、界面科學等學科領域的科學家紛紛投身于納米材料的研究工作中[2]。由于納米材料具有比表面積大、高擴散性、易燒結性、熔點降低等特性,可以預見新型納米材料應用于摩擦系統(tǒng)中,將以不同于傳統(tǒng)添加劑的作用方式,起到減摩抗磨作用[3]。納米粒子作為油添加劑在國外已研究多年,并有產品投放到中國市場如美國的JB、加拿大的倍力、美國的APOLLO等。這些產品具有降低摩擦、延長設備使用壽命、降低噪音、修補金屬表面等優(yōu)點,主要應用于轉動、有摩擦、有燃燒的各種儀器、設備等。而我國的納米油添加劑還處在研制及如何添加到油的階段[4]。
鑭元素位于元素周期表中第六周期第ⅢB族,原子序數為57。研究發(fā)現:LaF3納米材料作為油添加劑具有優(yōu)良的抗磨減摩性能,同時,與常用油添加劑的活性元素具有協同效應。由于鑭元素是鑭系的第一個元素,鑭化合物與其他鑭系化合物的化學性質相似,因此研究LaF3納米材料對于研究其他鑭系納米材料具有一定的指導意義。本文綜述近年來LaF3納米材料的制備、相關的摩擦學性能及在油中的作用機制和應用進展,并指出了LaF3作為油添加劑在摩擦學中的研究現狀和發(fā)展趨勢,以及需要解決的技術難題。
1 LaF3納米材料的制備和穩(wěn)定分散技術
1.1 LaF3納米材料的制備方法
納米微粒制備方法按有無化學反應發(fā)生,可分為物理方法和化學方法兩大類[5-6]。物理方法是利用低溫、超聲波、水錘、高能球和沖擊波粉碎等方法對較粗物質的顆粒進行粉碎,制成納米顆粒。化學方法是通過適當的化學反應,從分子、原子出發(fā)制備納米材料的方法,化學方法按分散介質種類可分為液相、固相和氣相三種反應方法。LaF3納米材料通常采用化學方法制備。
1.1.1 液相反應法
液相反應法是目前實驗室和工業(yè)制備納米粒子的主要方法,其原理是在溶液中對不同的分子或離子進行反應,控制反應物濃度、溫度和攪拌速度,可得到納米級固體產物。液相法一般分為水熱法、微乳液聚合法、沉淀法、溶膠―凝膠法、聚合物基模板法等。而LaF3納米粒子的制備主要有以下幾種方法。
(1)溶劑熱法
溶劑熱法是制備一維納米材料的簡單方法。張茂峰[7]等通過利用溶劑熱法制備的LaF3納米線,結晶性好,為六方晶系,P3cl空間群。LaF3納米線直徑約80 nm,長度約4～8 μm。并且研究了它的形成機理:剛加入的F-與溶液中的自由La3+以一定的反應速率結合成LaF3晶粒;溶液中離子的擴散運動使晶粒成核長大,當周圍離子的擴散速率小于成核速率時,在邊緣處開始出現明顯的斷面從而形成一系列顆粒帶;晶體將沿生長速度快的晶面方向生長。并促使周圍晶粒發(fā)生團聚和定向排列;定向排列的晶粒通過自組裝作用粘結在一起并重結晶成棒狀顆粒,這些棒狀顆?？赡芴峁┥L納米線的初始模板。使顆粒帶中微粒擴散到棒的兩端并發(fā)生晶體的成核和外延生長,從而形成細納米線。
(2)醇水法
陳爽等[8]在醇和水(V醇∶V米=1∶1)混合溶劑中合成了表面為油酸修飾的LaF3納米粒子,所制備的LaF3納米粒子大小均勻,粒徑約為8 nm,其納米核為六方結構的LaF3。易書理[9]通過相轉移將醇水法制備的表面修飾過的納米LaF3,從水相轉移到油相(500SN基礎油),得到納米LaF3含量為10.2%的液體添加劑。
(3)微乳液聚合法
1982年,Boutnone等[10]在微乳液的水核中制備出Pt、Pd、Rh、Ir 等金屬團簇微粒,從而開拓了一種新的納米微粒的制備方法。微乳液是指2種互不相溶液體在表面活性劑作用下形成的熱力學穩(wěn)定的、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑1～100 nm的分散體系;它有水包油型(O/W)、油包水型(W/O)和油水雙連續(xù)型3種結構[11]。微乳液法制備納米粒子的特點在于:粒子表面包裹一層表面活性劑分子,使粒子間不易聚結;通過選擇不同的表面活性劑分子可對粒子表面進行修飾,并控制微粒的大小[12]。劉翠紅等[13]通過考察表面活性劑、助表面活性劑和水相等因素變化對基礎油/(Span80+十六烷基三甲基溴化銨)/異丁醇/水體系的影響,確定了該體系形成微乳液的最佳工藝條件。利用該微乳液體系,在一定的反應物濃度下制備了LaF3納米粒子。
1.1.2 固相反應法
固相反應法的應用較少,但近幾年倍受重視,是一種利用金屬鹽的熱分解制備納米顆粒,或者利用金屬有機化合物的熱分解制備納米金屬顆粒的方法。韓元山等[14]以La2O3、HCl為原料制備了LaCl3,并直接用雙柱法,以LaCl3溶液與NH4HCO3溶液作用合成了粒度較小的La2(CO3)3粉體;以粉體La2(CO3)3為鑭源與NH4F混合,在微波作用下經過固相化學反應,合成了LaF3超細粉。
1.1.3 氣相反應法
氣相反應法是在高能狀態(tài)(高溫或等離子體)下,無規(guī)則排列的原子或分子與氣體作用,形成并長大成均勻納米微粒材料的制備方法[15]。
1.2 LaF3納米材料的穩(wěn)定分散技術
LaF3納米粒子同其他納米粒子一樣在油中分散穩(wěn)定性不夠理想,因此必須借助分散技術來改善它與油的相溶性。納米材料在體系的分散技術主要包括物理分散和化學分散[16]。
1.2.1 物理分散
物理分散又分為機械攪拌分散和超聲波分散。機械攪拌分散具體形式有研磨分散、球磨分散、膠體磨分散、砂磨分散、高速攪拌等。超聲波分散是降低納米微粒團聚的有效方法,利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等,可較大幅度地弱化納米微粒間的納米作用能,有效地防止納米微粒團聚而使之充分分散。同時通過聲波的吸收、介質和容器的共振性質引起的二級效應如乳化作用、加熱效應等來促進塊狀材料分散[17-18]。
1.2.2 化學分散
化學分散實質上是利用表面化學方法來實現的一種分散方法,包括表面化學修飾和分散劑分散[19]。分散劑分散主要是通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布,產生靜電穩(wěn)定和空間位阻穩(wěn)定作用來達到分散效果,分散劑分散法可用于各種基體納米復合材料制備過程中的分散。
表面化學修飾是增加LaF3納米粒子在基礎油中的油溶性較為常用的一種方法。通過利用具有兩性結構的偶聯劑,或采取金屬氧化物與醇進行酯化反應,或者利用納米微粒的表面基團,與有機化合物反應產生化學鍵進行表面接枝改性,形成納米有機接枝化合物,通過有機支鏈化合物在有機介質中的可溶性,增強納米粒子在介質中的分散。目前文獻報道的有采用烷氧基二硫代磷酸鹽、磷酸烷基酯、烷基酸二乙醇胺、油酸、聚異丁烯丁二酰亞胺等親油性基團對LaF3納米粒子進行表面改性。如余國賢等[20]以不同極性基團為表面修飾劑,在醇-水體系中制備了3種氟化鑭納米粒子,采用離心沉降法考察了納米粒子在基礎油中的分散穩(wěn)定性,實驗表明:表面修飾劑的極性基團具有較長側鏈以及與無機納米核之間強的化學作用更有利于納米粒子在基礎油中分散穩(wěn)定。陶小軍等[21]采用陽離子共沉淀表面修飾法在水醇混合介質中成功地制備了有機化合物表面修飾的LaF3納米微粒。周曉龍等[22]采用聚異丁烯丁二酰亞胺T152/S280復合表面活性劑(w(Span80)∶w(Tween20)=2∶3(質量比))/異丁醇/500SN基礎油/氟化銨水溶液W/O微乳液體系構建微反應器,通過原位表面修飾制備了含納米LaF3粒子的液體油添加劑,同時,采用洗滌法制備了干粉納米LaF3。分別將液體和干粉添加劑加入基礎油中,采用離心沉降法考察了不同后續(xù)分離方法得到的納米粒子在基礎油中的分散穩(wěn)定性。其結果見表1。
從表1的數據表明:采用超聲波分散在基礎油的干粉LaF3的分散穩(wěn)定性遠不如表面修飾的液體添加劑LaF3的分散穩(wěn)定性。原因是液體添加劑中的納米氟化鑭粒子沒有經過溶劑洗滌,粒子表面包覆有大量表面活性劑,加上T152的聚異丁烯鏈的空間穩(wěn)定作用,使得納米氟化鑭在基礎油中分散穩(wěn)定性大大增。
2 LaF3納米材料摩擦學性能及與其他添加劑復配
1969年美國宇航局(NASA)劉易斯中心的Harold•E•S報道了稀土氟化物和氧化物作為油添加劑的研究結果,此后將稀土元素應用于摩擦學工程的報道和專利便陸續(xù)出現。中國科學院蘭州化學物理研究所從上世紀90年代初開始研究LaF3納米材料用作油添加劑的摩擦學性能。報道表明經過表面修飾的LaF3納米粒子在基礎油中均具有良好的穩(wěn)定分散性[23-24],其極壓(以最大無卡咬負荷PB表征)、抗磨(以磨斑直徑D表征)性能的四球摩擦磨損試驗機測定結果見表2。
表2的實驗數據顯示出了LaF3-DDP、納米LaF3、ZDDP和石蠟油的承載能力和抗磨性能。長時磨損試驗條件為:載荷300 N,試驗時間30 min,轉速1450 r/min。結果表明未修飾的LaF3納米微粒有一定的抗磨性,對基礎油的承載能力無明顯影響;ZDDP添加劑有良好的抗磨性,顯著地改善了基礎油的極壓性能。LaF3-DDP磨斑直徑有一定程度降低。LaF3-DDP添加劑與商品添加劑ZDDP相比,具有更優(yōu)越的抗磨和抗極壓性能。筆者認為并非是LaF3納米粒子本身的抗磨性能差,而是納米粒子不能夠有效地分散在基礎油中或是分散后在基礎油中的穩(wěn)定性差,容易沉淀從而導致發(fā)揮抗磨極壓作用的有效成分相對減少,因此樣品的磨斑直徑和PB值較液體石蠟沒有發(fā)生明顯的改變。
周靜芳等[25]進一步說明了經表面修飾過的LaF3納米粒子的抗磨性能,隨著添加劑含量的增加,鋼球的磨斑直徑下降,與其他文獻報道的結果相吻合。當LaF3-DDP納米粒子的含量1.0%時,其抗磨性能顯著優(yōu)于ZDDP。同樣考察了含納米LaF3和ZDDP液體石蠟摩擦系數隨時間的變化關系:隨著載荷的逐漸增加,含兩種不同添加劑的液體石蠟的磨斑直徑也分別在增加,但含LaF3-DDP添加劑的液體石蠟的磨斑直徑增加的幅度遠小于含ZDDP的磨斑直徑,并且在相同的載荷下,前者的磨斑直徑同樣遠小于后者的。在低負荷下,LaF3-DDP具有優(yōu)異的抗磨性能。張擇撫等[26-27]利用微乳液法制備了含氮有機化合物修飾過的納米LaF3,并研究了其在液體石蠟(LP)中的摩擦學性能。指出含氮有機物修飾的納米LaF3在液體石蠟中具有良好的減摩、抗磨性能及較高的承載能力,在相同試驗條件下,其在液體石蠟中的減摩、抗磨性能優(yōu)于ZDDP,承載能力略低于ZDDP。
以上文獻中,經表面修飾的LaF3納米材料具有顯著優(yōu)于ZDDP的抗磨減摩能力,這就意味著,以LaF3納米材料代替目前應用最廣泛的抗磨劑ZDDP作為油極壓添加劑將可達到有效降低磷危害的效果。
華東理工大學對LaF3納米材料在中的應用同樣進行了大量的研究。如余國賢等[28]利用四球機研究了親油鏈長度對納米氟化鑭粒子的摩擦學性能及對基礎油感受性的影響。結果表明:隨著表面修飾劑烷基鏈長度的增長,納米LaF3粒子在500SN基礎油中摩擦學性能呈現出逐漸增強的趨勢;親油鏈越長,納米粒子在液體石蠟中的摩擦學感受性比500SN基礎油中更好。認為親油基鏈的長度影響了納米粒子的界面活性,而且同系有機酸皂類物質,親油基碳鏈越長,其減摩作用也越好;基礎油的性質影響了納米粒子的界面活性。納米粒子在液體石蠟中的摩擦學感受性比基礎油中更好。周曉龍等[18]以不同極性基團的十八酸二乙醇胺、雙β羥乙基十八胺及二辛基二硫代磷酸二乙醇胺為表面修飾劑,在醇-水體系中制備了3種氟化鑭納米粒子,用四球機考察了它們的摩擦學性能。結果表明:二烷基二硫代磷酸胺鹽修飾的納米粒子粒徑更小,更均勻。含犧牲性元素硫和磷的表面修飾劑納米粒子因極壓膜的生成而有更好的極壓抗磨性能。表面修飾劑的親油鏈越長越有利于發(fā)揮納米粒子的減摩作用。
河南省納米材料工程技術研究中心研制的DNLa-1型納米粉體作為抗磨添加劑已經應用于工業(yè)。DNLa-1型納米粉體是采用共沉淀方法制備的表面被飽和烷基所包覆的LaF3納米微粒集合體,具有良好的物理、化學穩(wěn)定性,在基礎油等多種有機介質中有良好的分散性,作為油脂的極壓抗磨添加劑,有良好的減摩抗磨性能。其質量指標如表3。
在實際的應用中,油并不是由某種單一的添加劑和基礎油組成,而是由基礎油和各種添加劑復配而成。不同的配方,油的效果不同,因此添加劑相互間的協同效應就顯得至關重要。包括LaF3納米粒子在內的稀土氟化物在酯中卻得到了廣泛的應用,US4507214、US4946607、US4946608公開了氟化稀土在酯中具有良好的性。在CN1032549A,CN1032550A中,稀土氟化物已被成功的應用于鐵路成膜膏中,并取得了非常好的效果。專利CN1218104A[29]公開了一種納米氟化稀土油添加劑及其制備方法,該發(fā)明的納米氟化稀土顆粒的尺寸在10~50 nm,成功地解決了納米粒子在油中的分散問題,是性能優(yōu)良的極壓、抗磨添加劑。該添加劑配方及摩擦學性能見表4、表5。
從表5中可以看出:含有專利報道的抗磨劑的油極壓性能與含有ZDDP的基本一致,但其抗磨性能卻優(yōu)于ZDDP,尤其是當該添加劑質量分數在1%時,PB值較未加任何添加劑的液體石蠟提高了約105%,磨斑直徑降低了約42%,明顯改善了液體石蠟的性能。
3 LaF3納米材料的作用機理
鑭元素是15種鑭系元素的其中一種,鑭系元素最外層(6S)的電子數不變,都是2,而鑭原子核有57個電荷,從鑭到镥,核電荷增至71個,使原子半徑和離子半徑逐漸收縮,由于鑭系收縮,這15種元素的化合物的化學性質有諸多相似之處。研究LaF3納米粒子油抗磨劑的作用機理,有助于開發(fā)性能更加優(yōu)異的其他鑭系元素的納米材料油添加劑產品,并對深入研究納米摩擦學理論起到促進和推動作用。目前,對LaF3納米材料的作用機理研究主要集中在以下幾個方面。
(1)形成吸附膜及沉積膜
在摩擦過程中壓應力和切應力作用下,經表面修飾的納米LaF3微粒的表面活性很高,可通過油溶性基團與金屬摩擦表面發(fā)生強烈的吸附。在摩擦初期,基礎油膜和添加劑的吸附膜使摩擦系數保持穩(wěn)定,隨著摩擦過程的繼續(xù),摩擦表面溫度不斷升高,表面修飾LaF3納米微粒在熱的摩擦表面分解,并與摩擦表面反應形成氧化膜,提高了摩擦表面的粘著力,阻止金屬對摩擦副之間的接觸,從而降低摩擦系數,提高抗磨性能[30];另外,中國科學院蘭州化學物理研究所張明等[31]根據接觸電阻隨時間變化的情況,監(jiān)測到摩擦副表面的成膜狀況,進一步證實LaF3納米顆粒在摩擦過程中形成了一層較穩(wěn)定的沉積膜。
(2)復合作用機制
表面修飾的納米微粒在摩擦過程中,表面修飾劑首先在摩擦表面發(fā)生反應,達到改善摩擦學性能的作用,當摩擦反應膜不足以承載時,也即修飾劑與納米微粒之間的修飾作用遭到破環(huán),此時的納米微粒與金屬發(fā)生作用,通過物理或化學作用與摩擦表面形成保護膜[32]。
(3)摩擦表面的自修復機制
修復是指在摩擦條件下由于介質及環(huán)境的摩擦物理化學作用,對磨損表面具有一定補償的現象,修復型添加劑是實現這種補償作用的關鍵。其作用機理與傳統(tǒng)的活性添加劑不同,不是以犧牲表面物質為條件,而是在摩擦條件下通過在作用表面上沉積、結晶、鋪展成膜,使磨損得到一定補償并有一定抗磨減摩作用[33]。后勤工程學院的孫玉秋等[34]通過每次試驗后對鋼球進行稱重,來計算磨損量,評價了LaF3在脂中的自修復性能,在摩擦開始時,磨損量增大,接著逐漸降低至負磨損,然后磨損量逐漸增加至正磨損。在40 min時出現零磨損,40～100 min內穩(wěn)定在負磨損,60 min時負磨損量達到最大,而在110 min后,磨損量增加至正磨損。這一結果表明,LaF3微粒在脂中具有較好的自修復功能。
(4)原位摩擦化學原理
納米微粒具有極高的擴散力和自擴散能力,容易在金屬表面形成具有極佳抗磨性能的滲透層而表現出“原位摩擦化學原理”。這種機理認為:在高負荷條件下納米添加劑的作用不再取決于添加劑中元素對基體是否是化學活性的,而是很大程度上取決于它們是否與基體組分形成擴散層或滲透層和固溶體。這與傳統(tǒng)的含硫、磷、氯等活性元素油添加不同,不會對基體金屬造成腐蝕和避免了由腐蝕而引發(fā)的環(huán)境問題,為解決油添加劑從設計上長期依賴硫、磷、氯等活性元素的狀況展示了美好前景[35]。
4 展望
大量研究表明,LaF3納米材料能夠明顯改善基礎油的抗磨減摩性能。但目前來看,LaF3納米材料在實際應用中面臨著以下幾個問題:
(1)由于LaF3納米微粒極易聚集成大顆粒,在油介質中仍有沉淀現象產生;
(2)現有的制備方法只是在實驗室中實現,只能制備少量的 LaF3納米材料;
(3)經表面改性的LaF3納米材料未實現低成本化。
針對以上問題,可以通過尋求性能更佳的表面修飾劑經表面化學修飾來增加LaF3納米粒子在基礎油中的油溶性;改進現有的制備方法和制備工藝,以提高其穩(wěn)定分散性、高溫性能和環(huán)境友好性;加強與工業(yè)領域的合作,實現經表面改性的LaF3納米材料低成本化和規(guī)?；?。
油是基礎油和多種添加劑復配而成,不同添加劑,不同含量,所起到的效果明顯不同。由于LaF3納米材料能夠與含硫、磷等活性元素,稀土添加劑復配并顯示出良好的協同效應[36-37],因此,與更多添加劑之間的協同復合作用及其作為材料添加劑的用量問題,也將是未來LaF3納米材料摩擦學研究的熱點問題之一。
LaF3納米材料作為抗磨劑的機理較為復雜,不同摩擦學工作者持有不同的觀點,部分學者提出納米粒子在摩擦表面存在類似于滾珠滾動的機理、超光滑表面作用機制等。因此,在研究LaF3納米微粒機理的同時,必須注意納米微粒對摩擦表面材料性質的影響與摩擦學性能的關系。LaF3納米材料作為一種新型的添加劑在摩擦學領域中具有廣闊的應用前景。
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