纳米科学技术与精细化工

清风明月

纳米科学技术与精细化工
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陈和生 孙…    文章来源：《湖北化工》
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1、纳米科学技术
    纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。有关科学家认为，纳米技术将有可能迅速改变物质产品生产方式，从而导致社会发生巨大变革。欧洲联盟委员会在1995年发表的一份研究报告预测，今后10年内，纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的第二大制造业。美国自1991年开始，把纳米技术列放了"政府关键技术"、"2005年战略技术"，每年为此拨款3500万美元作为重大研究经费开支。日本1991年开始实施为期10年耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划，1995年又将其列为今后10年开发的四大基础科技项目之一。德国在1993年提出了今后10年重点发展的9 个领域关键技术，其中4个领域涉及纳米技术。
    我国对纳米材料的研究也非常重视。我国已将" 纳米材料"列入国家八五期间重大基础研究"攀登计划"项目。许多科学研究所、高等院校也组织科研力量开始纳米技术研究工作，并取得了令人瞩目的成果。 1996年底，舟山普陀升兴公司与中科院固体物理研究所合作，成功开发了纳米家族的重要一员棗纳米SiO2，使我国成为继美、英、日、法国后，国际上第五个能批量生产此产品的国家。1997年9月27日，北京大学成立的纳米科技研究中心，是我国第一个跨学科的纳米科技联合研究机构，已取得多项高水平的研究成果，有些方面已达国际先进水平。其中，由该中心与北京真空物理开放实验室合作完成的利用STM在有机复合薄膜上进行的超高密度信息存储研究，得到了 1.3nm的信息点，比国际最小存储点径小了近一个量级，该成果被两院院士评为1997年中国十大科技进展的第4名。
- G, ?  X# E/ T8 o& H    纳米粒子的奇特性质
    纳米材料由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。
, o$ E. j' n" L  m( p4 f2.1表面效应
+ i/ Z% M2 v! Q3 D6 M3 i   粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
7 `% b/ E& V6 m0 s% g2.2量子尺寸效应
    指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等.
1 F- K6 @7 D0 [$ Z2.3体积效应
: k# ^/ K* B/ u, h/ f! C/ s    指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。
2.4宏观量子隧道效应
    微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。
    以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些"反常现象"，如金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（箔黑）后，却成为活性极好的催化剂等。
3、纳米粒的制备方法
9 o8 v( {+ C! h. r3 s   纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法
3.1物理方法
2 R' p+ i5 Q( x  ?& \3.1.1真空冷凝法
. a# {) t3 L6 T3 @" w   用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。
3.1.2物理粉碎法
   通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
* f: ~" y0 N, @$ [7 M3.1.3机械球磨法
   采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
3.2化学方法
3.2.1气相沉积法
   利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。
# T# m, p7 ?' r1 V9 k2 g0 N) v3.2.2沉淀法
8 ]% J1 a0 T, j. U& d   把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。
3.2.3水热合成法
   高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。
3.2.4溶胶凝胶法
3 _# a' H, T6 Y2 @5 ]* m7 B   金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。
! R% a( S5 \/ n  N3.2.5微乳液法
   两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。
4、纳米科学技术在精细化工方面的应用
4.1粘合剂和密封胶
. s& I4 O0 d$ l8 D    国外已将纳米材料棗纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构掏胶体流动，固体速度加快，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。
4.2涂料
   在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。
- P& j$ P5 r( j" z4.3橡胶
- `9 N: R' `& v    纳米Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米SiO2可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝缘橡胶的填料。添加纳米SiO2的橡胶，弹性、耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。
/ f" ]$ C1 G- ~+ o0 W) ?3 f/ A& A4.4 塑料
. g7 p4 A9 _# V2 f9 X% T$ q: l7 r! T   纳米SiO2对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。
$ \4 l0 z4 {) Q5 M. [4.5纤维
! Y0 z9 \" r3 D. i# p    以纳米SiO2和纳米TiO2经适当配比而成的复合粉体作为纤维的添加剂，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用SiO2+ TiO2+ Al2O3+ZnO四合一粉体对人造纤维进行改性的研究正在进行中。
0 y  A' X0 }( G2 k4.6有机玻璃
9 F7 r( g, r0 R- ?2 l    在有机玻璃生产时加入表机经修饰的纳米SiO2可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃中添加纳米Al2O3既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。
( |1 M& m! z. v6 u5 _7 Y4.7固体废弃物处理
' x5 [( `. T: Q* u! G    在固体废物处理中可将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末以除去其中的异物，成为再生原料回收。在日本还将废橡胶轮胎制成粉末用于铺设运动场、道路、用作新干线的路基。
5、展望
# m5 F" W) S( w. u& K/ G) v1 \    纳米技术是近十年来蓬勃兴起的新科技，是一门崭新的、面向21世纪的科学技术，已渗透于精细化工的方方面面，逐步形成纳米精细化工学，可以预言，随着纳米科学技术的飞速发展，会有越来越多的新型纳米材料在精细化工方面得到广泛的应用，精细化工学也会发生巨大的变革。因此，作为广大从事精细化工的科研发开人员，必须抓住这一历史性机遇，迎接挑战，抢占新的制高点，为我国的精细化工再创辉煌而作出贡献.