研究利用纳米材料建设节约型社会

      纳米技术、信息技术及生物技术将成为新世纪社会经济发展的三大支柱。纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中*富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。

    一、 纳米材料的产生

    材料是人类赖以生存和发展的物质基础。纳米材料的使用古已有之。根据研究，中国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成；中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚地了解而已。

     现代社会以纳米命名的材料出现在20世纪80年代，纳米材料是指三维空间中至少有1维处于l～100 纳米尺度范围内或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料由于纳米尺度颗粒的许多特点导致纳米材料在结构、化学性质、光电性质等诸多方面存在诱人的特征，从而引起材料科学家的浓厚兴趣，使之成为材料学科学领域的研究热点。纳米材料对新材料的设计和发展具有十分重要的价值，被誉为“21世纪*有前途的材料”。

    通常人们将纳米材料分为三类：①零维，指空间三维都是纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②一维，指空间两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；③二维，指三维空间中只有一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。按照形态，纳米材料可以分为四类：一是纳米颗粒型材料，指使用时直接使用纳米颗粒的形态；二是纳米固体材料，指使用时尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压下压制成型，或再经一定热处理工序后生成的致密固体材料；三是颗粒膜材料，是将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜；四是纳米磁性液体材料，是由超微细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中而构成稳定的具有磁性的液体。

    目前，纳米材料的研究主要集中在两个方面：①探索新的合成方法，发展新型纳米材料；②系统研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征等，对照常规材料探究纳米材料的特殊规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。

     纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。如TiO2纳米材料具有奇特韧性，在180℃高温下弯曲而不断裂；CaF2纳米材料在80～180℃温度下，塑性提高100％。

    英国著名的材料专家Cahn称：纳米材料是解决陶瓷脆性的战略性突破，使材料科学家们奋斗了近一个世纪的梦想成为现实。纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径。

    二、 国内外纳米材料的研究及产业标准化现状

    1．国内外纳米材料的研发概括

     自20世纪80年代以来，纳米材料以其奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，已经引起了科学界和企业界的极大关注。发达国家高度重视纳米材料，美国将其列入“星球大战”、国家纳米技术计划（NII）、欧盟和日本也将其列入“尤里卡”和“高技术探索研究”等高技术研究计划，发展非常迅速。我国也及时地编制了“863”计划，对其进行跟踪和研究开发，而国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化，使纳米材料的研究开发取得了可喜进展。

    在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏；纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。目前描述纳米材料中的基本物理效应主要是从金属纳米微粒研究基础上发展和建立起来的，要准确把握纳米科技中现象的本质，就必须要在理论上实现从连续系统物理学向量子物理学的转变。

    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“国家纳米技术计划”(NNI)中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛，但*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。

    2．纳米材料的标准制定情况

    国外纳米技术发展起步比较早，在纳米标准化方面也奠定了一定的基础。如2005年1月，BSI正式向ISO提出了制定纳米技术标准的建议，目前它正在制定一项有关纳米术语的公用规范（PAS）；欧洲标准化委员会（CEN）新近成立了CEN/BT/WG 166，着手制定纳米术语标准。美国电工电子工程师协会（IEEE）于 2003年提出了一项标准化项目，内容涉及碳管电气性能的测试方法。美国国家标准与技术研究院（NIST）于2002年启动了“国家纳米科技计划（NNI）”，并于2004年7月成立了纳米技术标准工作组，承担纳米术语、纳米材料性能测试方法等标准的研制工作。欧洲委员会于2004年推出了“欧洲纳米技术发展战略”。不久前，德国标准化学会（DIN）也确定了纳米技术动态标准化项目。研究分析表明，这些国家首先推出的是纳米技术检测标准（包括术语标准）、质量标准与完全标准、兼容性标准和接口标准等内容。

    我国的纳米材料研究起步较早，已取得了碳纳米管和准一维纳米材料等在国际上有影响的研究成果，在起步阶段就处于国际*地位。我国的纳米材料标准化工作开始于2001年，被列入国家科技部的基础性重大研究项目，已开展了15项纳米材料标准的研制，其中首批7项标准经国家标准化管理委员会批准，已经于2005年4月1日起正式实施，后续还将有更多的标准陆续发布和实施。

    《纳米材料术语》（GB/19619-2004）等七项国家标准是我国*批准发布的关于纳米材料的国家标准，也是世界上*以国家标准形式颁布的纳米材料标准。它标志着我国纳米材料标准化工作已经走向世界前列。七项国家标准的发布实施，同样也具有非常重要的现实意义，它们对规范纳米材料市场、支持高技术含量的产品应用、促进我国纳米材料产业健康快速发展，必将起到积极的推动作用。

    三、 纳米材料对建设节约型社会的重要意义

     进入21世纪，我国钢铁、有色金属、水泥等行业都以两位数的比率飞跃增长，以致于钢铁、铝、水泥成为经济过热的领头羊，需要国家给予调控。影响所及，造成国内外铁、铝、铜矿价格暴涨；加上环保措施不力，安全和污染形势严重。而矿产资源短缺和污染都是制约发展的主要因素。

    而我国计划到2020年实现国民经济翻两番，并实现全面建设小康社会的目标。作为支柱产业的材料工业应该如何发展需要认真探讨。由于纳米材料可以显著提高材料性能，对于提高传统材料的性能，增强节能等方面都有显著效果。如在建设方面应用纳米材料。由于水泥广泛应用于建筑行业中，而耐久性是评价水泥的一个重要指标。实验证明，水泥基复合材料由于掺入硅质纳米颗粒，可以显著改善高速公路路面及路缘石高耐久性：抗冻性提高20倍，耐钢筋锈蚀提高10倍，耐除冰盐侵蚀能力提高8倍以上。

    （1）纳米技术在涂料行业的应用和发展

    纳米技术可以使建材涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品，展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体进行强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达 99％以上，有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料，实际上是*的卫生型涂料，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性*，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小，能深入墙体，与墙面的硅酸盐类物质配位反应，使其牢牢结合成一体，附着力强，不起皮，不剥落，抗老化。其纳米抗冻性功能涂料，除具备纳米型涂料各种优良性之外，可在－10℃到－25℃之内正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10％以下的规定，使建筑行业施工缩短了工期，提高了功效，又创造出高质量，一举三得，备受建筑施工单位的欢迎。我国每年房屋竣工面积约为18亿平方米，年增长速度大约为3％。18亿平方米的建筑若全部采用这种类型的建筑涂料装饰，与传统建筑涂料相比所产生的经济社会效益不言而喻，发展前景十分广阔。

    （2）纳米材料在节能灯具方面的应用

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