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纳米粒子及纳米技术在包装印刷业的应用(上)
2013-03-09 16:27:04   作者:   来源:   评论:0 点击:

   [摘要] 文章阐述了纳米技术的基本概念及研究内容、纳米粒子的特性及纳米技术在包装工业领域中的应用。

[关键词] 纳米技术;纳米粒子;包装工业
    纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术,它将引起一场各个领域生产方式的变革,也将改变未来人们的生活方式和工作方式。
纳米技术基本概念
     纳米技术是以纳米科学为基础,研究结构尺度在0.1~100nm范围内材料的性质及其应用,制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础,以当代精密仪器和先进的分析技术为手段,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)相结合的产物。在纳米领域,各传统学科之间的界限变得模糊,各学科高度交叉和融合。
    纳米技术研究的内容主要有纳米材料学(研究由纳米结构单元构成的任何类型的材料,通过改变纳米结构单元的大小,控制内部和表面的化学性质,控制它们的组合,设计材料的特性和功能);纳米动力学(研究微机械和微电机,采用一种类似于集成电路设计和制造的新工艺,将传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上形成一个系统);纳米生物学和纳米医药学(研究生物分子之间的相互作用,研究磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA的精细结构等,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料);纳米电子学(包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装)等。
纳米粒子性质
    纳米粒子一般是指尺寸在0.1~100nm之间的粒子,具有下述效应,并由此派生出传统固体不具有的许多特性。
(1)表面效应:材料粒子直径减少到纳米级,表面原子数迅速增加,化学活性增高,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。
(2)体积效应(小尺寸效应):当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化。
(3)量子尺寸效应: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,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。
(4)宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒能力的效应。
(5)光学效应:当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级时,其颜色大都变成黑色,且粒径越小,颜色越深,表明纳米粒子的吸光能力很强。
(6)电磁性质:金属材料中的原子间距会随粒径的减小而变小,当金属晶粒处于纳米范畴时,其密度随之增加,导致电导率降低;磁性材料的磁有序状态也发生根本的改变,粗晶状态下为铁磁性的材料,当粒径小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态。
(7)化学和催化性能:纳米材料由于其粒径的减小,表面原子数所占比例很大,吸附力强,具有较高的化学反应活性。
(8)H-P关系:当晶粒减小到纳米级时,材料的强度和硬度随粒径的减小而增大,近似遵从经典的Hall-Petch关系式。
(9)热性质:当组成相的尺寸足够减小时,由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化,平衡相的关系将被改变。固体物质超微化后,熔点降低;纳米材料的比热容也大于同类粗晶材料。
(10)其他性质:金属通常是延展的,当晶体尺寸减少到其本身的应力不能再开动位错源时,就变得相当坚硬,在这种情况的临界长度下,打开这个位错源的应力变得比已知金属的屈服应力大。

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