纳米技术制造的东西有什么(纳米材料的例子有哪些？它们具有什么性质？)

文|贾文彬的史书编辑|贾文彬的史书

纳米材料一直以来都备受科学家和工程师的关注，因为它们展示出了与常规材料截然不同的性质和潜力。

在纳米尺度下，材料的结构、组成和表面特性发生了显著变化，导致了独特的性能和应用，纳米材料的广泛应用涵盖了多个领域，包括电子、医学、能源和环境等。

纳米材料的例子非常丰富多样，纳米薄膜、纳米线、纳米孔和纳米复合材料等都是纳米材料的重要代表。

铈

铈首次由于1803年以其氧化物形式被发现，并在1839年成功分离而得，铈以合金的形式用于冶金目的，合金与杂质反应，减少了这些杂质对金属性质的影响。

铈是一种非常活泼的铁灰色金属，具有延展性和可锻性，熔点为798℃，沸点为3443℃，密度为6.770gcm-1。

铈是一种强氧化剂，通过氧配体稳定，在化合物中存在时，铈能够以Ce3+的铈离子或Ce4+的铈离子存在。

在自然界中，它可以与其他镧系元素一起存在，然而由于其四价价态的稳定性，它可以与其他只能以三价态存在的稀土元素分离开来。

铈石能够具有如此广泛的用途，是由于它的特性，这些特性包括它的半导体性质、对氧和硫的高热力学亲和力，以及由于其立方闪石结构而产生的自由基清除能力。

此外，铈石还具有吸收400纳米以下的紫外线的特性，这是由于电荷转移带引起的，最重要的是它的氧化还原能力，可以在Ce3+和Ce4+之间循环（具有特征性黄色）。

在铈石中，氧空位形成是通过一个氧原子从晶格位置移动，而留下两个电子来实现的，这两个电子定位在两个相邻铈原子的4f轨道上，导致Ce(4+)变为Ce(3+)，在富氧环境中会被逆转。

事实上有多种合成方法可以制备铈石，其中一些方法包括：溶胶凝胶技术、强制水解、超声化学、热解、微乳液法、沉淀法、热水解法、水热法和电热法。

铈石首次在1999年作为柴油颗粒过滤器中的催化剂而被商业应用，自那时以来，它的应用范围不断扩大和多样化。

如今，它可以在光学设备、微电子学、固体氧化物燃料电池、太阳能电池、催化应用、生物医学应用、耐氧化性、紫外线吸收剂和过滤器、防反射涂层、化学机械抛光用磨料以及冶金和玻璃/陶瓷应用中找到它的身影。

将CeO2MNMs直接添加到燃料中作为柴油添加剂，以在颗粒上催化促进烟尘的氧化和降解，因为颗粒保持完整，但表面上的Ce3+被氧化为Ce4+。

由于大部分CeO2可能被柴油过滤器或催化转化器捕获，其进入垃圾填埋场或回收过程被认为非常重要。

目前对于MNM材料在回收工厂中的流动情况知之甚少，因此确定CeO2是否会通过这条途径重新进入环境具有重要意义。

同样，对于一旦释放到大气中的纳米铈石的命运和反应机制知之甚少，CeO2纳米颗粒可以通过在其表面吸附有机分子形成二次有机气溶胶。

由于其能够在其表面缺陷（氧空位）上吸附氧气的能力，已经证明它可以有效地还原H2O2（大气中的常见成分），使小有机分子脱羧和聚合，从而改变了其他大气物种的情况。

纳米材料的掺杂是有意将一种原子引入另一种结构（或晶格）中，以操控主要结构的特性以获得特定的性质。

掺杂纳米材料提供了一种灵活的方式来调节材料的性质，同时保持其高比表面积，一些掺杂合成技术的示例包括沉淀法和湿化学合成。

CeO2-ZrO2体系是文献中研究最多的混合金属氧化物之一，因为它在汽车催化剂的运作中起着重要作用，将锆掺入二氧化铈晶格中已被证明强烈影响了铈石的氧储存性能。

获得掺锆铈石的合成方法示例包括沉淀法、水热法、凝胶法和无机溶胶凝胶技术，锆掺杂的铈石主要用于催化科学领域，旨在获得优化的铈催化性能。

由于其独特的氧储存能力，锆掺杂的铈石已被广泛研究用于三元催化剂（TWC）应用，并在柴油烟尘氧化中受到更多关注，锆掺杂的铈石颗粒也被用作离子导体和电阻型氧传感器。

锌

锌由安德烈亚斯·马格拉夫在1746年发现，锌是一种过渡金属，主要用于镀锌金属，它的熔点为419.527℃，沸点为907℃。

氧化锌的分子式为ZnO，天然存在于锌矿石中，由于锰杂质的存在呈现红/橙色，单晶ZnO是无色的，而纯微晶ZnO在加热时会变黄，在冷却后恢复为白色。

氧化锌（ZnO）具有宽阻带间隙（3.37eV）和大的激子结合能，适用于蓝光/紫外光区域的光电子学应用。

它具有压电和热释电性质，其表面导电性对吸附在表面的不同气体物种非常敏感，氧化锌还具有高热导率和辐射硬度。

氧化锌可以具有三种结构，分别是六方纤锌矿结构、立方闪锌矿结构和极少见的立方岩盐结构，然而，在常温常压下，晶体ZnO具有六方纤锌矿结构。

氧化锌的合成方法包括溶胶-凝胶法、溶液和悬浮液的蒸发、溶液的蒸发分解、传统的陶瓷制备和湿化学合成。

其他方法包括微乳液合成、机械化学处理、喷雾热解和干燥、有机前驱体的热分解、射频等离子体合成、超临界水处理、自组装、水热处理、蒸汽输运法、超声或微波辅助合成、直接沉淀和均相沉淀。

氧化锌的使用可追溯到公元前2000年，当时它被用于药用皮肤霜，多年来，氧化锌在其他领域也得到了应用，尽管如今它在某些领域的使用已经被取代，其中一个例子是涂料。

如今，每年生产120万吨氧化锌，主要应用于橡胶工业，氧化锌在不同领域的应用，包括橡胶、陶瓷、化学、涂料、农业、电子和制药行业。

氧化锌用于制备太阳能电池、气体传感器、化学吸附电阻器、电气和光学器件、静电释放涂层、液相加氢催化剂以及光催化降解催化剂，代替二氧化钛纳米颗粒。

由于其防晒性能，氧化锌也是世界上许多国家批准的防晒霜成分，研究发现，含有物理性紫外线阻隔剂（如氧化锌颗粒）的防晒霜对抵抗紫外线诱导的DNA损伤非常有效。

铜

铜是一种呈红黄色的金属，已经在史前时代被发现，铜的原子序数为29，熔点为1084.62℃，沸点为2560℃。

铜金属确实存在于自然界中，但最大的来源是chalcopyrite和bornite等矿物中，铜通过熔炼、浸出和电解从这些矿石和矿物中获得，它最常见的用途是在包括电线和电动机在内的电气设备中。

铜可以形成两种氧化物，一氧化铜和二氧化铜，一氧化铜在自然界中以红色或棕红色的矿物红铜矿形式存在，具有立方或八面体的晶体形态。

根据制备方法和颗粒大小的不同，合成材料呈黄色、橙色、红色或紫色，它的熔点为1235℃，在1800℃以上分解。

二氧化铜在自然界中以黑色矿物tenorite（三斜晶体）和paramelaconite（四面体、立方晶体）的形式存在，它的熔点为1330℃，在1030℃以上分解，二氧化铜被用作多种铜(II)盐的前体。

通过声化学法、醇热合成、直接热分解、电化学方法、胶体热合成过程和微波辐射等各种制备方法可以实现铜氧化物的合成。

铜氧化物纳米材料在催化剂、电子技术（半导体、电子芯片、热传导纳米流体、超导体和电极材料）中得到应用，还用于气体传感器、太阳能电池和锂电池。

其他应用包括木材防腐，铜氧化物还被用于抑制细菌、真菌和藻类的不良生长，因此在口罩、伤口敷料和袜子等产品中赋予这些产品生物杀菌性能。

结论

综上所述，纳米材料在科学和工程领域中具有广泛的应用前景，它们展示了许多独特的性质和潜力，为我们提供了许多创新的解决方案和可能性。

然而，纳米材料的发展和应用也面临一些挑战和风险，例如纳米材料的制备和操控技术仍然需要不断改进和完善，以实现可控制备和可重复性的生产。

此外，纳米材料可能涉及毒性和环境影响的问题，需要进行充分的安全评估和管理。

（笔者观点）为了进一步推动纳米材料的研究和应用，我们需要加强跨学科的合作和交流，探索新的制备方法和表征技术，同时加强对纳米材料的安全性评估和环境影响的研究。

通过深入了解纳米材料的例子和性质，我们可以为材料科学、能源技术、生物医学和电子工程等领域的创新提供新的思路和方向，推动纳米科技的发展进步。

参考文献：

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