纳米材料导论论文概要Word文档下载推荐.docx

1、生物纳米材料研究，不仅涉及基因与蛋白质的结构与功能，包括它们的识别、结合、相变、特殊因子的释放、生物电化学信号的产生与传导、生物力学与热力学特性，而且还涉及新技术工具的发展。生物纳米材料可分为4类：（1）天然纳米材料；（2）譬物仿生与人工合成的纳米材料；（3）智能纳米复合材料；（4）合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。尽管很多根本问题仍然不清楚，但是带有生物与纳米特征的新材料研究与开发已取得很大进展。1纳米材料简介纳米材料是指结晶粒度或多层膜的调制波长为纳米级（nm） 的多晶材料。它自本世纪80年代中期以来, 研究开发日新月异。粒子具有壳层结构, 其表面层原子占很大的比例并

2、且是无序的类气体状, 在粒子内部存在有序-无序结构。与晶体体相基层的完全长程有序结构不同, 纳米粒子的结构的特殊性使它们具有与传统固体材料不同的许多特殊性质, 成为材料科学领域中跨世纪的材料科学研究的热门课题。科学家们把纳米材料誉为“21 世纪最有前途的材料”。1.1纳米材料的一般特性1.1.1 小尺寸效应（又称体积效应）当超细微粒的尺寸与光波的波长,传导电子的德布罗意波长或超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时, 其周期性的边界条件将被破坏, 那么光、声、电、磁、热力学等特性会表现出新的小尺寸效应。利用等离子共振频移随颗粒尺寸的变化的性质, 可以通过改变颗粒尺寸来控制吸收边的位

3、移, 制成具有一定频宽的微波吸收材料, 用于电磁波的屏蔽、隐形飞机等。1.1.2表面与界面效应此效率是指纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加。使其表面能及表面张力也随之增加。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不同, 存在许多悬空键, 具有不饱和性质, 因而极易与其它原子结合, 具有很高的化学活性和电化学活性。1.1.3 量子尺寸效应当粒子的尺寸小到某一值时, 金属的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散, 对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级和能隙变宽, 此现象称为量子尺寸效应。此效应使纳米材料的催化

4、、光、热、磁、电和超导等特性与宏观特性显著的不同。1.1.4 宏观量子隧道效应微观粒子贯穿能垒的能力称为隧道效应。一些宏观量如磁化强度、磁通量等也具有隧道效应。例超细微颗粒的磁化强度和量子相干器中的磁通量等也具有量子隧道效应, 此现象称为宏观量子隧道效应。它的研究确立了微电子器件进一步微型化的极限, 是未来微电子器件的研究和开发的理论基础。1.2纳米材料的特性1.2.1 力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低, 位错滑移和增殖符合Frank- Reed 模型, 其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大, 增殖后位错塞积的平

5、均间距一般比晶粒大, 所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生, 这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史, 由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时, 其韧性、强度、硬度大幅提高, 使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。1.2.2 磁学性质纳米微粒的磁性特征是奇异的超顺磁性、高的矫顽力和磁致性。当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm, 在这情况下,感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%,已不

6、能满足需要, 而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%, 可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系, 所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率, 对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多, 而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级, 磁性比FeBO和FeF透明体至少高1个数量级, 从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。1.2.3电学性质由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至

7、发生尺寸诱导金属绝缘体转变（ SIMIT）利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。1.2.4 热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。1.2.5光学性质纳米材料的光学性质主要有光谱迁移性、光学吸收性、光学发光性、光学催化性。光学迁移性就是纳米材料的应光发射峰发生蓝移或则红移，纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用

8、,光透性可以通过控制径和气孔率而加以精确控制, 在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应, 纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象, 其光吸收率很大, 所以可应用于红外线感测器材料。纳米吸收性主要表现在纳米材料对光的不透射性和不反射性，在外观上，对金属而言，能纳米粒度大，则纳米微粒的颜色较黑或浅黑，随着纳米级粒度减小，均趋向黑色，纳米的粒度越小，黑色程度越大。纳米材料的发光性质，包括光致发光和电致发光两种现象。纳米材料的光学催化性主要表现在，纳米利用自然光可催化详解有机化合物染污，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水和一些简单的化合物。另外，还有增强增韧性、储氢性质、润滑性质等。综上所述纳米

9、材料具有特殊的光学、力学、磁学、电学（超导）、化学（电化学）、催化性能、耐蚀以及特殊的机械性能: 耐磨、减震、巨弹性模量效应等, 引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注, 作为一种崭新的材料, 展示出诱人的、广泛的应用前途。2纳米材料在生命科学中的应用现代材料科学在亚微米与纳米水平的台成与控制方面不断取得进展，使得制造具有一定特性的功能材料成为可能。在纳米水平，生物材料展现出新的特性。材料科学与生物学之间的交叉领域已成为新的研究前沿。21生物芯片材料生物芯片是一个正在发展中的技术，对遗传诊断、药物发现及基础研究等方面具有重大影响，它的发展取决于生物纳米材料。它的主要进展包

10、括两方面：一方面是纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力，促进小型化、高分辨率与多功能。另一方面，生物芯片已拓宽它的应用范围，如植物药有效成分的高通量筛选、癌症等的临床疾病诊断、作为细胞内部信号的传感器。结合微电子磁技术，生物芯片已应用于单细胞分离、单基因突变分析、基因扩增与免疫分析。电场作用下自动寻址的细胞芯片也研制成功，既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位，又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达2。22纳米生物仿生材料纳米仿生材料的研究集中在力学形变、微结构与功能方面。阐明生物纳米材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。例

11、如：坚果壳的结构，它们的形状结合了最好的材料特性。在功能方面，既能保护种子对抗外界的破坏，同时又能确保种子在发芽期间可从壳内出来。进一步研究表明，这是由于其内部存在1020nm直径的草酸钙盐的单层分子结晶。这种生物矿化层的功能可能是：（1）储存大量的钙，满足细胞囊的要求；（2）增强组织的力学性能，对抗外界的破坏侵袭力。坚果壳提供了过量储层钙与周期性间隔处理钙的有效机制，在仿生材料设计方面具有应用前景。蜘蛛是一个制造丝蛋白的家族。这种丝经历了数千年的进化，其结构已被优化修饰。这种丝具有平衡的硬度、强度与延展性，已被用作原子力学显微镜的探针。重组的蜘蛛丝已被用作纺纱纤维。丝纤维的生物仿生矿化过程已

12、被用于制造特殊功能的生物复合材料。磁性细菌能够控制磁铁的生物矿化过程。每个生物磁性分子被包裹一层膜，并排列成链状，在细胞内形成磁极。磁性粒子的直径在50100nm范围，每个细胞内有10个左右磁性分子。这些生物磁性分子有单个磁极，在液体中有超级弥散特性。可被用于免疫分析或诊断芯片。23生物纳米马达生物马达分子也称作纳米机器。它们在肌肉收缩，细胞移动、分化，囊泡转运，信号转导，DNA复制、卷曲与翻译方面起着重要作用。马达分子主要分为actin网络、kinesin与dynein超家族和与DNA相互作用的蛋白质。通过ATP水解，化学能被转化为机械能，导致马达分子构像发生改变，引起马达分子运动。人们已经

13、详细研究了这些马达的详细结构与它们的运动轨迹，但是马达分子的生物力学机制仍然不太清楚。在此领域进行研究有助于纳米装置动力的发展。231 actin网络actin网络在细胞运动中起协同作用。actin结合蛋白的结构与它们在细胞运动期间对细胞骨架的调节作用已有很多研究。研究证宴了细胞的力学行为具有惊人的抗突变能力。3个actin调节蛋白被敲除，并不改变细胞形状及细胞运动等表现型行为。这种现象可以用弹性原理来解释，因为交联部分的敲除使得aetin网络软化可通过F-actin功能增强与整体体积减少来补偿。232 Kinesin马达Kinesin是一个线状的两个头的马达，通过在细胞内沿着微管移动囊泡而发

14、挥转运作用。Kinesin的每个头由一个带有ATP结合结构域的重链与带有运动囊泡的轻链组成。两个轻链形成卷曲螺旋的劲部区域。Kinesin分子沿着微管每移动一步，距离是8nm，同时消耗一个ATP分子水解提供的能量。大约57 pN的机械力可阻止kinesin分子的移动。Kinesin的运动率随着应用负荷的增加而呈线性减少。Kinesin的两个tubulin结合区域正常隔开约5nm，要取得超过8nm的距离，其构像必须有大的改变。Kinesin劲部的绞链区域一旦与ATP结合，即可出现构像改变，协助一个头粘附于微管，另一个头在ATP水解能量的驱动下，向前移动16rim。但是不清楚kinesin的8nm的力学距离产生的机制以及劲部绞链构像改变与ATP水解释放焦磷酸相联结的机制。233 Myosin马达Myosin II是一个两头线性马达，在骨骼与平滑肌内部的actin与myosin细丝之间产生滑动。在任一时间，只有一个头粘附到actin。每个myosin头由一个球形马达结构域与一个长的杠杆臂结构域组成。ATP水解导致化学能转化为力学能，使杠杆臂摆动