等离子纳米技术范文

导语：如何才能写好一篇等离子纳米技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：物理技术；农业；增产；优质

农药化肥虽然能够在最短时间内提高农作物的产量，但是长期使用会导致土地对农药化肥的过分依赖，甚至导致土地本身的营养不断下降。大量实践证明，近年来自然环境被污染、农作物的品质指标在不断下降，直接影响了人们生活品质，同时也阻碍了我国现代农业的可持续发展[1]。为此，笔者结合实际，提出尽可能地将更多的物理技术应用在农业生产过程中。

1电磁场效应在农业中的应用

1.1提高种子发芽率

利用电磁场处理农作物的种子能够增强种子的呼吸度，增加种子的根系活力，提高种子的发芽率以及发芽效果。同时还能够净化环境，但是将电磁场效应应用在农业中，还需要考虑到不同类型种子其自身的品质、成熟程度等有着一定区别，种子中所蕴含的化学成分也会有所差异。因此在对种子进行电磁场效应时，一定要了解种子自身的导电率、电阻率、电容等一系列特征，明确在同一静电场运动过程中，种子的运动轨迹会有所差异。结合上述参数对该品类种子的电磁场能够去除破碎的种子，并且清除杂质，获取更多高品质的种子，使得种子的纯度得到提升。与此同时，利用磁化水浇灌农作物，也能够增强矿物质在水中的溶解度效果，提高营养物质和水分的吸收速率，对于农作物在生长发育以及增产抗逆能力中都有着极为重要的促进作用[2]。实践证明，对小麦进行电磁场处理，能够增加小麦的产量，同时也能够去除小麦种子中品质低劣的种子。利用电磁场对农作物或种子进行处理的过程中，在使用时利用磁场处理水，将种子放在磁场中进行磁化作用，由于微弱的磁场可以在最短时间内激发种子中各种不同酶的活力，进而提高种子的发芽效果，种子的幼苗也会不断地茁壮成长，其整体根系会十分发达。磁化水不仅能够增强小麦的处理效果，同时也能够帮助种子进行有丝分裂，确保细胞体积增大，增强了作物在水肥吸收过程中的效果。在植物生长过程中，电磁场一直以来都是不可或缺的条件，更是整个植物生产过程中的最重要物理环境因素之一。如果直接把植物与接地用的细金属网连接起来，会导致该金属网直接屏蔽了大气电场，植株就无法实现正常的生长和发育，但是如果在植物中添加适宜的电场，则可以促进植物生长和发育。一直以来在植物生长过程中，电磁场对其的作用都是毋庸置疑的，但是电磁场对于植株生长而言，其所带来的作用需要进行进一步的分析，由于物理环境因素多样且复杂不同，因此在利用电磁场增加植株的生长质量时，不仅要考虑到电磁场的作用效果，还需要考虑其他的综合因素。

1.2减少病虫害

很多研究人员都在利用电磁场本身的作用使得电场发生定向移动，可以将电场直接附着在作物表面或者是地面、墙壁等等，起到的作用就是在第一时间阻碍病虫害的传播，降低病虫害对农作物带来的负面影响[3]。无论是水肥的吸收或者是光合作用能力均会在此得到增强，能够有效地提高种子抗病虫害的处理能力，使得农作物在生长过程中更加健壮，进而实现农作物的增产和高产，而适当地利用磁化水浸泡小麦、水稻等一系列作物，能够确保自身具有明显的促进作用。

2声波效应在农业中的应用

在农业发展过程中，声波助长技术也是近几年新兴起来的一种全新的农业高新技术。该技术在科技发展中展现了其独特的效果，声波助长仪可根据不同植物本身所具有的声学特性，提高植物自身的光合效率，提高植物的产量。

2.1促进植物健康成长

利用音箱发出对该种植物所产生的特定的声波，这种声波频率能直接增加植物内活细胞电子流的运动速度，同时也可以通过声波促进植物对各种不同营养元素的吸收、转化以及输入，也可以加快茎叶等营养器官的生化反应速度，促进植物健康成长发育。并且可以针对同一营养物质增加植物的吸收量，使得植物的果实或者是营养体在形成的过程中合成数量不断增多，促进在植物体内出现大量的有机物质。例如蛋白质和糖的合成，使得植物本身的细胞一直以来都处在较高的氧化水平，而如果出现了毒素则具有极强的破坏作用，能够确保植物自身的能量供给以及中间产物的产量。声波的存在如同电磁场一样，能够发挥出极强的作用，并且增强植物在进行代谢时的代谢质量，提高植物的活性。事实上，声波作为一种物理技术，应用在农业生产过程中时间较早。

2.2减少病虫害

声波助长仪的作用是让植物在短时间内快速地生长，提高农作物的产量，增加各类不同的营养物质，增强植物本身的抗病能力，有效地去除植物中的敏感虫害，实现提早开花、提早结果，延长植物的储藏时间[4]。对某一些植物而言，还能形成隔离区，能够确保出现植物病虫害时，病虫害得到有效的控制。这些植物声波也可以让一些本身相对敏感的害虫在听到植物声波后产生厌恶感和恐惧感，不会出现在植物上繁殖的状态，甚至有一些害虫会主动离开，以此达到有效去除敏感害虫的功效。根据植物本身的发生状态，实现自发声，这种自发声具备极强特殊的声波，利用声波共振技术让声波仪模拟出与植物自发声相同的声波，提高植物自身的光合效率，提高植物的产量[5]。在农业生产过程中，声波助长物理技术的实施能够进一步完善当前的农业生产技术，提高农业生产科技水平，促进农业发展。

3纳米能量效应在农业中的应用

近年来，我国的纳米肥料研究呈现出蓬勃发展的趋势，纳米技术的出现也能够有效地改变种子中存在的微小裂口和破损，纳米包装可以更快速地适应不同环境的发展需求、不同环境的状态，在食品变质时第一时间提醒消费者。纳米技术也可以改善包装的渗透，能够提高阻隔性，改善耐热和抗损技术，阻止食物变质。在纳米技术应用过程中，其应用在包装技术上，对功能产品以及互动食品的发展带来了积极的促进作用，利用纳米包装能够促使这些食品为人体提供更加有效、更加科学的营养[6]。在分析农业技术中应用纳米技术时，我们发现其具有以下优点。

3.1提高种子的出苗率

出苗率一直以来都是农产品提高产量和质量的重中之重，利用纳米技术处理后的种子可以直接吸收自然界的光波，将光波直接转化成为电磁波接入，使得种子体内的大分子团渐渐分离，成为小分子团。如果在空间没有出现改变的情况下不断增加这一条件，能够使得分子团的运动速度更加剧烈，并且分子团与分子团相互碰撞时，其概率更大，活性也会随之增加，能量也会不断地增强，其对种子的破土能力而言，会带来积极的影响。

3.2促进植物的新陈代谢

通过纳米处理后，幼苗的长势飞快，并且幼苗本身的根系发达，利用纳米处理技术能够对种子进行有效的调节，加快植物体内的新陈代谢，提高植物的抗逆性，促进植物的生长，根系活力得到显著的提升。通过大量的实验分析，发现植物的根系活力甚至可以达到82.3%。在农业上利用纳米生物农药也能够使得植物的生长速度得到提升，而这一种农药不溶于水的复杂体系属于非均相体系，其物理化学和生物学也会在第一时间内出现改变。

3.3减少病虫害

利用纳米技术可以让植物的细胞壁出现破壁的情况，脂溶性和水溶性的杀虫物质也能够释放，直接作用于害虫，提高了农药在使用时的药效。纳米物质的表面效应十分明显，这是由于粒度越小，表面就越大，减少农药使用量[7]。随着纳米技术发展，促进农业系统环境的监控能力得到提升，确保农业实现精准生产，可以有效地挖掘植物中存在的潜在营养物质，进一步提高农产品的产量以及农产品的附加值，而使用纳米农药精准改变杀虫剂，有效地减少农药使用量，降低农药的残留，最终能够实现绿色农业发展，提高农业发展的整体质量。同时，去除土壤中存在的有害物质，清洁水质，保护我国农业生态属于生态健康状态。

4等离子处理技术在农业中应用

等离子技术也是农业发展过程中常见的技术之一，而使用等离子技术能够通过物理方法提高种子在使用时的活力，激发种子自身的潜能，实现提高种子发芽率，达到增产的效果。通过大量的实验分析可知，将等离子技术应用在农业发展过程中，大豆平均增产12.2%，玉米平均增产11.3%，而水稻则能够增产11.5%，这是一种以单项的技术就能够提高农作物产量和品质的农业技术[8]。等离子技术为我国粮食安全、粮食品质保障带来了极为正向的影响，而物体的存在状态与物体的温度有着直接密切的关系，温度的变化能够直接改变物体存在的状态，而物体存在的状态也会改变物质本身的特性。通过等离子技术能够让种子具有极强的抗逆性以及生命力，将使得农作物的产量得到提升，有效改善农作物品质，但是在使用等离子技术处理种子时需要考虑已经萌动的种子一定不可以利用等离子处理技术，等离子处理种子的目的和意义是打破原本种子的休眠状态，使得种子自身的活力得到增强。已经萌动的种子不再是真正意义上的种子，其内部物质已经出现了改变，种子已经变成了一个生命体，正在进行生命发展，而在这一阶段应用等离子体对其进行刺激，并不会对种子的生长、发芽带来正面影响，反而会带来负面影响，甚至会直接影响到种子的出苗。利用等离子处理技术不能处理有杂物的种子，这是由于等离子机在处理种子时，是根据种子的粒度处理，即能够流畅地确定各种尺寸，机器结构在满足最大力度通过的情况下间隙最小，只有保证种子在机器内部能够实现多次有效的翻转，并且获得充分的照射，才能提高处理效果[9]。但是如果在处理种子过程中存在杂物则有可能会导致杂物直接进入到机器内，使得机器内部出现堵塞的状况，等离子技术在处理种子过程中要保证种子的流通状态顺畅，按照正常的流动速度进行设计，才能够获取最佳状况，如果流速处理不当，会影响到在后续处理时的处理效果[10]。等离子处理技术自身的科技含量高，实用性强，具有非常多的综合优势，能够满足我国农业发展需求，既能保护环境，也可以增加社会效益以及经济效益。

5小结

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关键词：等离子体激元波导；对称混合长程表面；激光传输介质；介质分析

计算机和微电子技术的发展对数据传输的速度也有着很大的要求，随着技术的改善，光纤损耗技术的降低也让光纤通信有了良好的发展空间，随着通信技术和网络信号的处理要求不断提高，新一代的光电系统在生活中的应用范围也越来越广，集成光学在生活和研究领域的重要性也在不断增加，逐渐成为研究领域的热点之一。

1 表面等离子体的理论基础

在很久以前，人们就已经对金属表面的等离子共振有着一定的了解和接触，在这一现象尚未上升到理论高度的时候，人们在无意之中采用金属的这个特性进行了一些简单物品的制作，比如利用金属纳米结构的选择性散射和透射的效应，把不同种类的金属颗粒掺杂进彩色的玻璃当中，从而生产出各种各样颜色的玻璃，用作不同的装饰品，如在制备玻璃杯的时候，在制作玻璃的时候掺入微量的金粉和银粉，这样就能让玻璃杯呈现出不同的颜色，如不透明的绿色和半透明的红色，这就是等离子体在人类尚不能理论化这个现象时候的初级应用。

一般情况下，贵金属才是表面离子体产生的重要介质，因为贵金属当中可以实现电子跃迁，可以使能量衰减少，这样在金属尺寸缩小到几十纳米量级的时候，要使用麦克斯韦的电磁方程来进行理论上的建模与分析。

在日常的生活当中，金属频率的可见光波段会因为反射光比较多而阻碍同属性的其他电磁波进入和穿过。在微波和远红外的波段中，波导的包层可以使用某些金属作为代替，而且随着频率的不断增大，电磁波对于金属的穿透能力也在不断增强，也会带来更大的损耗，在这个状态下，我们可以使用德鲁特模型进行性质的描述。

表面等离子体的激元波导传输是外界在电磁场的作用下对电子自由振动的传播以及入射光子的相互作用而产生的电磁波，电磁波沿着金属和介质的分界面进行传播。它的振幅在垂直于传播方向上有着和传播深度呈反比方向的关系。在两个相异的均匀媒质分界面处，介电常数是正实数的媒质就是介质，而介电常数呈现复数状态的就是金属，在金属和介质的分界面处，一定频率的光波照射会引起金属中自由电子的震荡从而引起共振。

2 混合长程表面等离子体激元波导传输的分析

（一）混合长程表面等离子体波的特点

最近引用较多的混合长程表面结构就是三层结构，分别是IMI结构与MIM结构，这两种结构当中间层比较厚的时候，两个分界面的表面等离子体波互不干扰，而随着中间层厚度的减少，两个分界面上的表面等离子体波开始进行交叠，从而产生耦合的现象。我们对这种现象进行分析，发现场限制能力较强的结构会有较大的传输损耗，而传播长度和场限制能力是互相制约的，在IMI结构中，电磁能量向两边集中，所以传播长度交缠，传播距离也会大大增大，所以这就是长程表面等离子体波。

混合长程表面等离子体波具有传输距离较长、平面集成较为便利的特点，所以随着金属厚度的减少，表面等离子体的传输常数的虚数部分会趋向于0.从而可以进行较长的传输。这种易于被光纤介质波导激发的方式以及得到了广泛的应用，而且有着可以实现模场放大的可能性。

（二）混合长程表面等离子体激元波导的简介

混合长程表面等离子体激元波导是长程表面等离子体波和高折射率下的对比效应的混合状态，这种状态下等离子体波到有额外的场限制能力，传播长度也有着提升，对三维的集成光学电路的发展铺平了道路，通过详尽的计算，有着新型结构的初步实行方案。新型的结构注重传播长度、模式宽度的统一。

在具体的制造过程中，对称混合长程表面的等离子体波到是所有层和介质材料以及过程中化学蒸汽的叠加，所以有着一定的制造误差，要注重理想尺寸的精确程度。而侧向模场限制也是需要很多关注的，而且传播的损耗会由于模场限制而有所降低，在这个过程中，横向模场限制在没有弯曲损耗计算的情况下可以基本确定最低弯曲半径的实现，从而使模式宽度成为一个关键的参数。在耦合长度方面，水平放置的平行波导要大于垂直放置状态，而包层波导的耦合长度要比非包层波导的耦合长度长，两个相邻波导的串扰减小也会导致耦合长度的增加。

3 结语

新型的对称混合长程表面等离子体激元波导有着优点和缺点，要注重分析介质加载的表面等离子体，和长程表面等离子体的优点与缺点，对对称混合长程表面等离子体波导结构进行一定的优化。

参考文献：

[1]孙海丽. 对称混合长程表面等离子体激元波导传输特性研究[D].兰州大学，2014.

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    一、21世纪物理学的几个活跃领域

    蒸蒸日上的凝聚态物理学

    自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来,世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏,时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前,许多国家的科学工作者仍在争分夺秒,继续进行竞争,向更高温区,甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计,这个势头今后也不会减弱,此外,高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测,21世纪初,这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景,有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场,届时,世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

    由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末,在短短不到30年的时间内,已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件,它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”,从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象,并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测,下一代的电子器件可能会被微结构器件替代,从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累,它的前景不可低估。

    近年来,两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化,而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是,在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体,这种原因尚不清楚,就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前,巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求,预计下世纪初在这方面会有很大的进展,并会有诱人的应用前景。

    可以预计,新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是:复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如,成分密度和功能不均匀的梯度材料;可随空间时间条件而变化的智能材料;变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计,21世纪新材料品种可能突破100万种。

    等离子体物理与核聚变

    海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢,氧化氘就是重水,每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来,那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量,这个过程称为热核反应,也叫核聚变。

    核聚变反应的温度大约需要几亿度,在这样高的温度上,氘氚混合燃料形成高温等离子体态,所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩,他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏,远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内,2亿度的温度下,氘氚气体相遇爆炸成功,产生了200千瓦的能量,虽然只维持了1.3秒,但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离,技术上尚有许多难题需要解决,如怎样将等离子加热到如此高的温度?高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触,否则等离子体要降温,容器也会被烧环,这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

    纳米技术向我们走来

    所谓纳米技术就是在10[-9]米(即十亿分之一米)水平上,研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工,制造出各种东西,使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围,人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分,纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

    纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性,如它的硬度、强度,韧性和导电性等都非常高,被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为:任何经营材料的企业,如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发,今后势必会处于竞争的劣势。

    纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如,目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特/平方厘米,其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

    纳米机械和加工,也称为分子机器,它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体,它每秒能完成几十亿次操作,可以做人类想做的任何事情,可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的(米粒大小)蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪,杀死癌细胞,修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小,可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机,实现人机对话,并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

    “无限大”和“无限斜系统物理学

    “无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,宇宙年龄下限,宇宙物质的层次结构,宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到解决,暴胀宇宙论也并非十全十美,事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的,这还有待于进一步的努力和探索。

    “无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的,一个类星体发出的光相当于几千个星云,而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光,所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末,科学家们发现一个编号为3C271的类星体,一天之内它的能量增加了一倍,到底是什么原因使它的能量增加如此迅速?有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力,看不见,什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”,这种“暗物质”到底是什么?我们至今仍不清楚,也有待于下世纪去解决。

    原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴,它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、л介子、K介子等)、轻子(电子、μ子、τ轻子等)和媒介子(光子、胶子等)。强子是对参与强相互作用粒子的总称,其数量几乎占粒子种类的绝大部分;轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的,它们不参与强相互作用;而媒介子是传递相互作用的。目前,人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的,但是至今不能把单个“夸克”分离出来,也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢?还有一个不能解释的问题是“非对称性”,目前我们已有的定理都是对称的,可是世界是非对称的,这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾,是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

    从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然,宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构,即可观察的宇宙范围;而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密,即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范,实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计,这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

    二、跨世纪科学技术的发展趋势

    科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以,首先必须重视基础科学的研究,不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关,直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说,20世纪几乎所有的重大科技突破,像原子能、半导体、激光、计算机等,都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说,没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

    20世纪重大科技成果的成功经验证明,不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现,解释新现象,取得科学突破的关键条件之一。例如,核物理与军事技术的交叉产生了原子弹;半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计,21世纪待人类掌握核聚变能的那一天,一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

篇4

关键词：纳米金；生物医学技术；应用现状；

1前言

如今纳米技术随着时代的发展已经得到了很大的发展，成为了科学研究的热点，纳米金是指直径0.8~250mm的缔合金溶胶，它属于纳米金属材料中研究最早的种类，纳米金具有良好的纳米表面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，它具有很多良好的化学特性，比如抗氧性和生物相容性。

2纳米金在病原体检测技术中的应用现状

近些年来生物医学界对于流行病学的研究和对病原微生物的诊断已有了不小的进展，传统的分离、培养及生化反应逐渐被时代所淘汰，运用纳米金的免疫标记技术作为新的高通量的、操作简单的检测技术被广泛应用于临床病原体的检测，这种检测技术快速且准确，十分适合在临床上使用。1939年，两位科学家Kausche和Ruska做了一个小小的纳米金实验，他们将烟草花病毒吸附在金颗粒上，并在电子显微镜下观察，发现金离子呈高电子密度，就此打下了纳米金在免疫电镜中的应用基础。从1939年后生物医学技术不断发展，纳米金标记技术也广受世人关注，成为了现代社会四大免疫标记技术之一。作为一种特殊标记技术，纳米金在免疫检测领域受到了广泛的应用，使用纳米金粒子做探针，观察抗原抗体的特异性反应，放大检测信号，由此检测抗原的灵敏性。纳米金技术具有良好的检测灵敏性，在早期还支持诊断并监控了急性传染性病毒，根据这一特性，秦红设计了快速检测黄热病病毒的技术，在纳米金颗粒上标记上金SPA-复合物的标志，通过免疫反应实验我们发现病毒抗体与纳米金颗粒结合，并形成了人眼可见的红线。这种检测方法的优点有：不需要器材、简单、迅速、廉价、高效，极大地推动了黄热病病毒检测技术的更新，在黄热病的防控事业上有着深远意义。利用纳米金作为免疫标记物来检测的除了黄热病病毒，还有致病寄生虫。我国的民族种类多样，一些少数民族人民由于自身的文化特点，喜食生食或半生食物，这就形成了寄生虫病的传播，我国经济大发展后，人民的生活水平得到了提高，但还是喜食半生动物肉或者内脏，造成了食源性寄生虫病发病率的上升，严重影响人民身体健康。目前我国的临床诊断寄生虫病技术包括三方面：病原学检查、免疫学检查以及影像学检查。运用纳米金检测技术，不仅缩短了取材时间、缩小了取材范围，而且检出率高、创伤性小，受到了患者的广泛欢迎。

3纳米金在核酸、蛋白质检测中的应用现状

纳米金粒子具有特殊的表面等离子体共振现象，被应用在核酸构建和分析检测蛋白质领域中，可以把生物识别反映转换为光学或电学信号，因此人们将其与DNA、RNA和氨基酸相结合，在检测核酸和蛋白质方面收效颇丰，并且这种检测方法制备简单，同时还具有很多优点，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具体讲一下纳米金检测技术在核酸和蛋白质检测中的应用。首先是在核酸检测中的应用。美国首先利用纳米金连接寡核苷酸制成探针检测核酸，将纳米金做标记与靶核酸结合形成超分子结构，由此来检测核酸。利用纳米金技术检测特定病原体和遗传疾病首先要做的就是检测核酸的特定序列，在芯片点阵上整齐排列纳米金颗粒，利用TaqDNA连接酶识别单碱基突变，等待连接后，就可以经过一系列步骤得出单碱基突变结果，得到所需信息。在临床应用中使用纳米金技术的表现有高灵敏检测谷胱甘肽和半胱氨酸的新型电化学生物传感器，这种机器对于谷胱甘肽和半胱氨酸的检出限值更低，在检测及预防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的临床优势。其次是在蛋白质检测中的应用。纳米金与蛋白质的作用方式非常多样，有物理吸附方式、化学共价结合方式以及非共价特异性吸附等等方式，在此背景下，我们可以利用纳米金检测并治疗疾病和检测环境污染。

4纳米金在生物传感器制备中的应用现状

目前纳米金在生物传感器检测中的应用受到了人们的普遍关注，如上文所说，纳米金具有特殊的表面等离子体共振现象，这是制备生物传感器的基础。利用这种特性，科学家们做了许多实验，比如拉曼光谱试验，使用Uv-Vis光谱和拉曼光谱仪测试金纳米颗粒的表征，得出结论是可以根据纳米金颗粒的不同形貌制作不同浓度分子的探针，受外周环境介电特性和颗粒尺寸大小的影响，纳米金颗粒会表现出不同的形貌特征，比如吸收光谱、发生蓝移。纳米金是属于一种非常微小的贵金属，作为贵金属，它具有很好的导电性能，利用纳米金进行免疫检测时会大量聚集纳米金，从而增强反应体系的电导，顺利通过电导检测免疫反应。利用纳米金的高检测灵敏性可以进行电化学免疫传感器的制备。

5其他领域的应用现状

目前纳米技术的研究中，纳米金在生物医学技术中的应用研究是重要研究课题，除了上文中说到的病原体检测、核酸以及蛋白质检测还有生物传感器制备中的应用，纳米金技术同时也被广泛应用于肿瘤的诊断与治疗、药物载体以及CT成像。纳米金具有特殊的组成结构，它可以轻易被修饰并负载化合物，可以用于检测并治疗肿瘤，还可以被用于肺癌的检测及治疗，目前的大量数据都表明纳米金技术在诊断并治疗肺癌上有极大的优势。

6结语

篇5

关键字：纳米TiO2制备等离子体催化剂应用

引言

近年来,随着全球环境污染的日益严重,光催化剂材料一直是材料学及催化科学研究的热点.在光催化领域,TiO2因其具有成本低廉,高的化学稳定性,强氧化性等特点而成为使用最多的光催化剂,以TiO2为主的材料在光催化氧化有机污染物方面得到了广泛的研究,目前,纳米粉体的制备工艺已较为成熟并进入产业化批量生产阶段。

以光催化剂为背景的TiO2的研究起源于1972年,日本Fujishima和Honda在Nature杂志上报道,发现在光辐射的TiO2半导体电极和金属电极所组成的电池中,可持续发生水的氧化还原反应,产生H2,这表明通过半导体电极,可以把光能转化为化学能,他们的研究引起了人们对半导体在光作用下能否治理污染的兴趣,国内外许多学者竞相开展这方面的研究。到1976年,在J.H.Cary报道了紫外光照射下的二氧化钛可使难生物降解的有机化合物多氯联苯脱氯后,钠米二氧化钛光催化剂在环境中的应用越来越引起人们的注意。至今,已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外光线的照射下通过二氧化钛迅速降解,特别是当水中有机污染物的浓度很高或其他方法很难降解时,这种技术有着更明显的优势。正是由于在上述开拓性工作的基础上,有关光催化剂，TiO2的研究工作有了进一步的发展,人们研究出比表面积大,催化性能更好的纳米TiO2。本文将对纳米TiO2光催化剂的研究现状,即它的制备方法和改性,以及它的应用研究进展做简要评述。

1纳米TiO2及其纳米管的制备

1.1纳米TiO2的制备

传统的TiO2的制备方法主要有化学气相沉积法(CVD)、气相氧化法、固相热解法、醇盐水解法、钛盐直接水解法等,对上述这些方法的报道均已有很多,

这里就目前对这些方法新的研究作一简要概述。

1.1.1超临界流体干燥法

液相法制粉中普遍存在的问题就是团聚问题,常用的一种方法就是是在原料液中加分散剂,它只能在水解沉淀阶段防止团聚,但难于防止热处理阶段的团聚问题。用超临界流体干燥法代替传统的干燥方法,就可以避免这一问题超临界流体法就是利用液体的超临界特性,即在临界点以上,气液界面消失,孔内界面张力不复存在,所有溶剂在超临界的状态没有表面张力或毛细管作用力的影响,因而不会发生因存在表面张力作用而使凝胶网络结构塌陷和发生凝胶收缩团聚而使颗粒长大,从而可以制得粒径小,表面积大的粒子。

1.1.2微波辅助法制备纳米TiO2

微波作为一种新型的加热方式,具有对反应体系加热迅速,均匀,不存在温度梯度等特性,将微波应用于改进的溶胶-凝胶法TiO2制备中,能得到比常规方法粒度更小,分布更窄的多孔性纳米TiO2催化剂。ShiJian-zhen等研究应用微波法和银的掺杂提高了TiO2降解甲基橙的效率。孙啸虎等应用微波干燥制备纳米的TiO2,对于浓度为20mg/L、pH为3的水杨酸水溶液,以主波长为253.7nm的紫外灯照射下,在40min内降解率达到97%,实验表明用微波制得的纳米TiO2光催化剂的降解活性明显高于传统烘箱干燥方式制备的TiO2光催化剂。

1.1.3等离子体法制备纳米TiO2

该方法是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应,同时利用等离子体高温区与周围环境巨大的温度梯度,通过急冷作用得到纳米颗粒,产生等离子时没有引入杂质,因此生成的纳米离子纯度高,颗粒呈球形,分散性好,光催化活性提高。Ghezzar等研究利用等离子体协助下制备的对AG25的降解,实验表明TiO2在最佳浓度下,TiO2在通过等离子体处理15min后TiO2,染料在15min内完全被去除,COD的降解率为93%。邓仕英等对制备的TiO2用氮等离子体辐照,经处理的TiO2的光催化活性比未处理的活性高得多。

1.2TiO2纳米管的制备

目前制备的TiO2存在的重要问题是量子效率低,因此提高光催化剂的量子效率就成为研究的热点。与TiO2粉末相比,TiO2纳米管具有更大的比表面积和较高的吸附能力,将会大大改善TiO2的催化性能,可望进一步提高光催化量子效应。因此,TiO2纳米管已经引起许多科研工作者的广泛重视。XuHui等利用水热解法金红石型TiO2制成TiO2纳米管,实验通过比较TiO2粉末和TiO2纳米管的光催化活性,结果表明TiO2具有更小的比表面和更好光催化活性。MacakJanM等研究表明锐钛矿型TiO2纳米管比一般的光催化剂表现出更好的有机染料的转化。当前TiO2纳米管的制备方法主要有膜板法、水热法、电沉积法、冷却烘干法等,与制备TiO2粉末一样,TiO2纳米管的制备也有一些改进。罗永松等发现化学沉积法制备的碳纳米管长短不一,而且高度缠绕,限制了其应用,他们在实验中进行氧化剪裁,使高度缠绕的碳管变成两端开口的短管,再通过溶胶-凝胶的方法获得TiO2/碳纳米短管复和体,制得的复合体其光催化性能大大加强。杨迎春等将制备的TiO2纳米管通过酸化处理,实验表明处理过的TiO2纳米管的催化活性比未处理的TiO2纳米管活性高得多。

2光催化剂TiO2的改性

2.1贵金属表面沉积

贵金属对半导体催化剂的修饰是通过改变电子分布来实现的。在二氧化钛表面沉积适量的贵金属后,由于金属的费米能级小于二氧化钛的费米能级,即金属内部和二氧化钛相应的能级上,电子密度小于二氧化钛导带上的电子密度。因此,载流子重新分布,直到它们的费米能级相同。电子在金属上的富集,相应减少了二氧化钛表面电子密度,从而抑制了电子与空穴的复合。Sasaki等用激光脉冲法把Pt沉积在TiO2上,Pt/TiO2体系带隙能降为2.3eV,使激发波长延伸

至可见光区。

2.2过渡金属离子的掺杂

由于过渡金属元素存在多化合价,在TiO2晶格中掺杂少量过渡金属离子,即可在其表面引入缺陷,成为光生电子-空穴对的浅势捕获阱,延长电子与空穴的复合时间,从而降低光生电子空穴的复合几率。陈俊水[21]等采用水热法制备了Cu(Ⅱ)掺杂的纳米TiO2,实验表明Cu(Ⅱ)掺杂能提高纳米TiO2的光催

化活性,加快光催化进程。

2.3非金属元素的掺杂

半导体TiO2中掺杂非金属同样也影响光催化活性,通过完全是势线性缀加平面波模型分别计算了C、N、F、P、S取代锐钛矿二氧化钛中晶格氧时的态密度后认为,和O2P轨道相比,非金属元素具有能量相对较高的P轨道,用非金属元素取代O提高光催化剂的价带电位,从而降低半导体光催化剂的导带位置,能使其禁带宽度变窄。王永强等通过加热法制备了S掺杂的S/TiO2,实验发现S/TiO2在可见光下具有很好的光催化活性,是未改性TiO2的2.7倍。

2.4半导体复合

通过半导体的耦合可提高系统的电荷分离效果,扩展光谱响应的单位,从而提高催化剂的活性。近年来,对二元半导体复合进行了许多研究,如TiO2-CdS,TiO2-CdSe,TiO2-SnO2等。这些复合半导体几乎都表现出高于单个半导体的光催化性质。以TiO2-CdS为例,CdS的带隙能为2.5eV,当激发能不足以及发光催化剂的TiO2时,却能激发CdS,由于TiO2导带比CdS导带电位高,得CdS上受激发的电子更容易迁移到TiO2的导带上,激发产生的空穴仍留在CdS的价带,这种电子从CdS向TiO2的迁移有利于电荷的分离;当用足够的激发能量的光照射时,同时发生跃迁,由于能级差异,电子聚集在TiO2,而空穴聚在CdS上,光生电子和空穴得到分离。

3纳米TiO2光催化的应用

3.1污水、废气的处理

利用纳米TiO2的光催化性质对空气、水中有毒有害物质进行降解,以达到优化环境的目的,是纳米TiO2应用研究的一个热点。污水主要指有机废水,这些废水中含有许多对人体有害的物质,如有机磷、酚类、芳烃和杂环化合物等,它们污染程度大,对人体健康危害严重。利用纳米TiO2净化处理烃类、酚类、杂环芳烃等,工艺简单,效果良好。通过优化制备方法和控制晶粒的尺寸,还可以提高催化活性和选择性。在纳米TiO2粒子的表面,水分子和OH-捕获光生空穴产生羟基自由基,这些自由基的氧化能力强,可以与有机物中的碳结合,破坏双键、芳香链,使其裂解产生H2分子,终使有机物分子转变为无毒的CO2和H2O。C.A.Bahamonde等人以掺Fe的TiO2为催化剂,对水中的苯酚进行降解,效果良好。TiO2可将室内有害气体和大气污染气体吸附在表面上,并将其分解氧化起到净化空气、杀菌和除臭的作用。空气中超标的CO、NOx与SO2是严重危害人类健康的有害气体。利用TiO2光催化产生的活性氧,配合雨水作用可将空气中的NOx与SO2形成HNO3和H2SO4,从而将NOx与SO2去除。W.C.Hung等人采用由溶胶-凝胶法制备得到的掺Fe的TiO2对空气中的二氯甲烷进行光催化降解实验,获得了良好的效果。

3.2杀菌方面的应用

随着生活水平的提高,人们对工作和生活环境的卫生日益重视。一般杀虫剂能使细胞失去活性,但细菌被杀死后,可释放出致热和有毒的组分如内毒素,因此各种环保型的抗菌功能材料应运而生,并获得了迅速发展。利用纳米TiO2光催化产生的光生电子与光生空穴与催化剂表面吸附的H2O或OH形成具有强氧化性的性羟基或超氧离子,与细菌细胞或细菌内组分进行生化反应,彻底杀死细菌,同时还能降解由细菌释放出的有毒复合物,防止内毒素引起二次污染。利用纳米TiO2相继制成了抗菌陶瓷、抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌自洁玻璃、抗菌不锈钢和抗菌纤维等制品。另外,纳米TiO2在中央空调的杀菌、杀菌涂料等方面,都能实现抗菌、抗霉和净化空气等功能。C.Hu等人通过对AgI/TiO2复合的光催化剂的杀菌性能进行了研究,在可见光照射下,该催化剂可高效杀死大肠杆菌和葡萄球菌,而且检测表明,细菌完全分解为C的氧化物或小分子有机物。

3.3其他方面的应用

由于纳米TiO2的特殊性质,除上述的几个主要应用领域外,纳米TiO2在其他方面的应用也一直是人们研究的热点,除了有机物的光催化氧化,TiO2对无机化合物的光催化还原也是一个重要的研究方向。利用TiO2的光催化性质,可还原金属离子使其变成单质。据文献报道,贵金属可由相应盐溶液在TiO2的光催化下得到相应的金属单质微粒,为贵金属的回收提供了新的思路。近年来,国内外学者在太阳能转换和储存、光敏化、气体传感器、光催化化学合成等方面的应用也进行了大量的研究。

4.结语和展望

纳米TiO2可见光光催化剂是材料科学领域研究的热点之一,光催化技术在彻底降解水中有机污染物、利用太阳能节约能源、维持生态平衡、实现可持续发展等方面有着突出的优点,但此项技术还处于由实验室向工业化发展阶段,还有许多工作要做。

(1)尽管目前掺杂纳米TiO2在紫外光区和可见光区的光催化性能已得到很好的试验证明,人们也开发出多种掺杂工艺,但是对它的机理还存在争议,尤其是对非金属元素的掺杂存在较多争议,而对共掺杂纳米TiO2的光催化机理的研究报道甚少。只有对光催化反应机理进行深入的研究,才能更好地控制掺杂的元素种类、掺杂量等,从而针对不同的催化反应,设计并合成具有针对性的光催化剂。

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【关键词】重金属；纳米材料；传感器；气溶胶

在过去的一段较长时间内，我国的一些企业只顾着一味地追求经济利益最大化，却忽视了其发展过程中对环境造成的负面影响，形成了“以环境换发展”的发展模式。有许多细小的伤害是我们用肉眼无法发现的，如重金属对我们身体的伤害，长年累月的积存，才能检测出重金属离子的存在，等到发现时时却为时已晚。

谈及目前科学研究的热点，我们首先想到的就是纳米材料，相对应的纳米技术亦一直走在科技的前列。由于纳米具有特殊结构，因此人们将其制备成纳米管、纳米传感器、纳米薄膜等应用与各种领域。所制备的纳米材料的比表面积大、吸附性能强，因此被应用于环境保护事业，并为其做出了卓绝的贡献。

1 重金属污染现状在国内的表现

自2005年开始，截止2015年，重金属污染事件频发，一次比一次严重。目前，我国受铬、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2000万平方公顷，约占耕地总面积的五分之一。除了耕地受重金属污染外，我国部分地区的地表水、食品等也不同程度地收到重金属污染。近几年，我国还相机发生了砷污染事件以及儿童血铅超标等事件，这些事件成为了人们关注和讨论重金属污染的导火索。

2 重金属污染源及对人类生活的危害

重金属一般以及其微量的浓度存在于我们所生活的自然界中，但由于人们的过度开采、冶炼等活动日益增多，造成了重金属进入大气、水、土壤等环境介质中，富集在植物或动物体内，对人类健康造成严重威胁。重金属来源广泛，可以通过多种途径进入环境介质，再通过和人体的皮肤接触、呼吸等途径进入我们的身体，还会富集在各种环境中的植物内，最终进入我们的身体，对我们的身体带来了极大的伤害。现如今，重金属的来源主要分为三个方面：自然来源、农业污染源和工业污染源。

2.1 水中的重金属

水体中的重金属来源广泛，有自然状态下进入水体的，比如说岩石风化、降雨侵蚀等，会给水体带来一定的重金属，然而这一般不会对水体造成污染。从对人体健康的角度对水体中金属元素进行分类：其一是人体健康必需的常量元素，如钠、钾、钙、镁和微量元素等；其二是对人体健康影响非常严重的金属元素，如铅、镉、汞、砷等，它们对人体的健康甚至生命有着极其严重的危害。

2.2 固体污染物中的重金属

重金属进入土壤的途径有很多，有大气沉降、农业污水灌溉、化肥的使用、工业废水废渣和生活垃圾。重金属污染会控制土壤微生物群落量的多少、降低土壤微生物量并，在植物系统中迁移，会对植物的产量和质量有一定的影响，使植物的生长受到破坏，严重时造成植物死亡。

2.3 气体中的重金属

大气中重金属污染情况复杂，包含多种来源和途径，例如工厂制造产品、汽车的尾气排放等。由于接触面积大以及接触范围广，因此重金属大气污染对环境生态系统的影响最大。例如，大气中的铁离子和锰离子催化氧化酸性气体二氧化硫，使得大气中的强酸性物质浓度增加。大气中的重金属污染可以造成植物叶片中重金属的富集，但重金属污染物超过一定阈值就会导致植物毒害或死亡。

3 重金属样品分析中的纳米技术

离子交换作用是碳纳米管吸附重金属离子的先决条件，其表面的官能团或配合物也起到重要的作用。在修饰碳纳米管时，可以引入大量羟基、羧基、羰基等官能团，使之与重金属离子表面发生配位作用，提高吸附量，或者展开碳纳米管两端和管壁上的五元环及七元环结构缺陷，增大碳纳米管的开口率和比表面积，提高分散性，吸附量随之增加。有研究者用酸洗多壁碳纳米管对镍离子进行吸附。结果表明：当镍离子的浓度为0.2mg/L时，经HNO3氧化过的碳纳米管对镍离子的吸附量可达75mg/g。这主要是由于经HNO3氧化过的碳纳米管，不仅比表面积比原来增大了，而且表面引入了许多含氧官能团，从而其离子交换的能力增强。

很久以前人们就懂得了，固体、液体或固液混合物在高热作用下会发发。经过科学家们的反复试验，最终研制成了人工合成的发光化合物鲁米诺的化学发光行为。随着科技的发展，人们已经将这种化学发光法应用于光导纳米纤维传感器上，可以更容易地检测到重金属离子，并大大降低了检测线。卢建忠、章竹君发展了一种全固态模式的消耗型锰离子化学发光传感器，可以将一定量的化学发光试剂从固定化试剂上洗脱，应用于水样中痕量锰离子的测定（表1）。

碳气凝胶，是一种轻质、多孔、纳米级非晶碳材料，由于其较大的比表面积大，优良的导电性以及较优异的机械性能，很适合作电极材料。大的比表面积导致了碳气凝胶的孔隙量也很大，内部大部分存在的都是空气，使其像一种“凝固了的烟”。有人有碳气凝胶制备了一种电极，想要去除水溶液中的重金属离子，结果证明，该装置对氯、铬、铵、镉、铅、锰、铀等离子都有很好的去除效果。2007年，美国阿贡国家实验室的Santanu Bag等人又合成了一种多孔硫气凝胶。这种多孔凝胶物质的比表面为327m2/g且具有很宽的孔径分布。由此可见，此凝胶物质非常适合作为重金属离子的吸附剂。

4 结论

面对生活中日益严重的重金属污染，我们必须要有所重视。随着纳米技术的发展，一定会出现更多更方便的方法，来迅速检测出环境中的重金属离子，并对其进行有效去除。

参考文献：

[1]何连生，祝超伟，席北斗.重金属污染调查与治理技术[M].中国环境科学出版社，2013.

[2]王学松.膜分离技术及其应用[M].科学出版社，1994.

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    研究进展

    1991年,瑞士洛桑高等工业学校的Brian O Regan和Graetzel M 报道了一种以染料敏化TiO2纳米晶膜作光阳极的新型高效太阳能电池,从而开创了太阳能电池的新世纪,世界上第一个纳米太阳能电池诞生了。

    但是利用液态电解质作为空穴传输材料实践中存在许多无法改进的缺陷,如由于密封工艺复杂,长期放置造成电解液泄露,电池中还存在密封剂与电解液的反应,电极有光腐蚀现象,且敏化染料易脱附等,研究者们以固态空穴传输材料取而代之制备出全固态纳米太阳能电池,并取得可喜的成就。

    1996年,Masamitsu等人利用固态高分子电解质制备了全固态太阳能电池,利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的电解质,得到了连续的光电流,并得到0.49%的光电转换效率。

    1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74%的光电转换效率,而其单色光光电转换效率达到了33%,引起了世人的瞩目,使纳米太阳能电池向全固态迈进了一大步。

    国际上的研究热点之一是将单个液结TiO2纳米太阳能电池串联,以提高开路电压。中科院等离子体物理研究所为主要承担单位的研究项目在此领域取得重大突破性进展,2004年10月中旬建成了500瓦规模的小型示范电站,光电转换效率达到5%。这项成果使我国大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池的研制水平处于国际领先地位,为进一步推动低成本太阳电池在我国的实用化打下了牢固基础。

    专利

    国内外都公开了一些相关领域的专利,其中日本的专利数量最多。下面选取近几年部分专利简单介绍。

    北京大学2002年5月22日公开的CN1350334纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法,涉及一种纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法,以宽禁带半导体纳米晶膜为基底,在该基底表面吸附一层金属离子,再在金属离子吸附层上吸附光敏化剂。通过金属离子的表面修饰,改善电极的光电转换性能,提高太阳能电池的光电转换效率。与单纯TiO2相比,基于金属离子修饰TiO2纳米晶太阳能电池的光电转化效率提高了5~14%,可作为电极广泛应用于太阳能领域。

    东南大学2005年1月12日公开了CN1564326软基固态染料敏化薄膜太阳能电池及制备方法。软基固态染料敏化薄膜太阳能电池是一种成本低、制造工艺简单、性能稳定、理论上寿命可以达到20年以上的软基太阳能电池,该太阳能电池的结构为层状结构,即:在透光导电聚酯片下设有TiO2纳米晶膜,在TiO2纳米晶膜下设有LnPc2敏化层,在LnPc2敏化层下设有固体电解质层,在固体电解质层下设有柔软金属膜背电极,在柔软金属膜背电极下设有高阻隔复合Al膜。

    复旦大学2005年7月27日公开的CN1645632一种固态染料敏化纳米晶太阳能电池及其制备方法,具体为一种采用离子液体与无机纳米粒子之间的氢键相互作用形成的染料敏化纳米晶表面组装上固态电解质作电解质材料的太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池中,在吸附光敏化剂的宽禁带半导体纳米晶膜的表面组装固态电解质来代替液体电解质,解决了液体电解质的封装问题,而且在不明显降低电池的光电转化效率的前提下,能够大幅度延长染料太阳能电池的使用寿命。其中的宽禁带半导体纳米晶膜为TiO2纳米晶膜。

    中国科学院等离子体物理研究所就染料敏化纳米薄膜太阳电池申请了多篇专利,其中2003年9月24日授权公告的3篇发明专利分别涉及到染料敏化纳米薄膜太阳电池的电解质溶液、电极制备方法、密封方法等,CN1444290公开的染料敏化纳米薄膜太阳电池用电解质溶液,以A、B或B、F或A、B、F为主体组分,通过复配或不复配其它四个组分中的一个或几个组分组成电解质溶液,其中A组分—有机溶剂或混合有机溶剂;B组分—电化学可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化还原电对;C组分—光阳极的配合剂;D组分—碘化物中阳离子的配合剂;E组分—I2的配合剂;F组分—离子液体;G组分—紫外吸收剂。这种电解质溶液,具有较高的电导率、较低的粘度、良好的电化学可逆性、良好的低温稳定性、较强的耐紫外线性能,能提高太阳电池效率,增加太阳电池寿命,本身性能稳定,对环境无污染等优点。

    中国科学院等离子体物理研究所2005年9月7日公开的CN2724205大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池,包括有上、下两面透明基板,透明基板上有透明导电膜,透明导电膜上有导电电极与催化剂层间隔排布,另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料块间隔排布,纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。将两块透明基板叠放在一起,周边密封成腔体,腔体中有电解液。本实用新型制作电池内部并联电极,获得所需要的该太阳电池输出电流。电池密封功能好,保证了电池运行的长期稳定性。本实用新型的技术和方法操作简单易行,价格低廉,电池性能稳定。 

    日本SEIKO EPSON CORP于2001年4月27日公开了JP2001119052半导体和太阳能电池及其制备方法。传统的湿型太阳能电池在氧化钛电极中包含染料,对于吸收波长非常敏感,但是由于TiO2会分解这些有机染料,它的寿命达不到实用的要求。本专利将锐钛矿型TiO2微粒烧结成多孔TiO2半导体,还包含杂质铬或钒,解决了这个问题。

    日本KANEKO MASAHARU于2003年6月24日公开了染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜和电极的制备方法,提供了一种制备多孔TiO2薄膜的喷涂分解方法,适用性和生产率都得到保障,利用这种薄膜作太阳电池的电极可以提高了太阳电池的能量转换率。具体方法是将一种钛混合物添加到TiO2溶胶溶液中,得到一种原材料溶液,或将非晶TiO2溶胶溶液和锐钛矿TiO2溶胶水溶液混合得到另一种原材料溶液。间歇地将这两种原料溶液喷涂到基底上,在高温下热分解钛混合物,在基底上形成TiO2多孔薄膜。在透明电极和TiO2多孔薄膜之间用有机钛混合物为原材料制备一层密实的TiO2缓冲膜。

    希腊LIANOS PANAGIOTIS于2004年11月4日公开了WO2004095481用纳米结构有机无机材料制作的电化学太阳能电池,描述了一种固态光电化学太阳电池的结构,包括纳米有机-无机材料的薄膜,可以将太阳能转换为电能。电池的主要组成部分包括:(1)商用透明导电玻璃;(2)透明的TiO2薄膜,钌有机金属混合物作为光敏剂;(3)由纳米结构的有机-无机材料制备的固态凝胶电解液层;(4)作为阳极的商用导电玻璃,可以淀积一层铂。

    应用前景

    纳米TiO2太阳能电池有着可以与传统固态光伏电池相媲美的高光电转换率,加之价格低廉,使这种电池具有广阔的前景和潜在的商业价值。虽然此类太阳能电池还存在一些问题,仍需进一步深入研究。但是,纳米太阳能电池以其高效低价无污染的巨大优势挑战未来,我们相信,随着科技发展,研究推进,这种太阳能电池应用前景广阔无限。

    参考文献:

    [1] A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films 

    Nature,l99l,353:737—74O

    [2] 环境纳米技术,化学工业出版社,2003.5

    [3] 固态TiO2纳米太阳电池研究进展.化学研究与应用 2003(2)31-36

    [4] Dye Sensitized TiO2 Photoelectrochemical Cell Constructed With Polymer Solid Electrolyte

    Solid State Ionics,1996,89:263—267.

    [5] Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies .Nature,1998,395:583—585

    [6] 中科院建成染料薄膜太阳电池500瓦示范电站

    people.com.cn/GB/keji/1056/2969232.html

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[关键词]纳米技术、包装、食品包装、药品包装

中图分类号：TB383.1；TB484 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0047-02

20世纪90年代初兴起的纳米技术，被认为是21世纪科技发展的前沿领域。它主要研究0.1～100nm尺寸之间的物质组成体系以及其运动规律和相互作用，其中在实际应用中纳米技术的实用性。它是一种结合科学前沿和高技术于一体的完整体系。纳米技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代――纳米科技时代。其科学价值和应用前景已逐渐被人们所认识，纳米科学与技术被认为是21世纪3大科技之一。纳米技术主要包括：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学和纳米力学。在包装行业迅速发展的当今社会，纳米技术必然会引领包装行业走向更好的未来。

1 纳米材料

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。纳米材料可定义为：把组成相或晶粒结构控制在100nm以下长度尺寸的材料。从广义上说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸长度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

1.1 纳米材料的结构特征和性质

纳米材料又称为纳米结构材料，主要由晶粒和晶界组成。纳米晶体结构与常规物质不同，关于纳米晶体结构特征主要有两类看法：a.以Gleiter为代表的1类气体0结构。它既不同于长程有序的晶体也不同于近程有序的非晶体，而是处于一种无序度更高的状态；b.近程有序结构说。根据大量的实验结果分析，纳米材料的晶界处存在着短程有序的结构单元，原子保持一定的有序度，趋于低能态排列。按不同的分类原则，纳米材料有不同的分类。按纳米晶体结构形态划分成4类：零维纳米材料，如原子团、量子点等；一维纳米材料，即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级，如纳米丝、量子线等；二维纳米材料，即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级，如纳米厚度薄膜，碳纳米管等；三维纳米材料，即在三维方向上晶粒尺寸为纳米量级，如通常所指的纳米固体。把所有纳米材料从结构上区分为两类：第一类纳米材料结构全部为晶粒和晶界组成，结构基元尺寸为纳米量级；第二类是低密度具有大量纳米尺寸空洞的无规网格结构，由纳米晶粒和纳米空洞（有时还有纳米骨架结构和更小的亚稳原子团簇）组成。

1.2 纳米材料优异的特性[1～2]

a.表面效应 表面效应是指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比，随粒径变小而表面急剧增大后所引起的性质上的变化 这种表面效应使其在催化、吸附、化学反应等方面具有普通材料无法比拟的优越性。

b.体积效应 当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波波长相当或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，使其物理性质、化学活性、电磁活性、光吸收和催化特性等与普通材料相比都将发生很大变化，这就是纳米粒子的体积效应。

c.量子尺寸效应 指纳米粒子尺寸下降到一定值时，纳米能级附近的电子能级由连续能级变为分离能级的现象，这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光学催化性等。

d.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。近年来，人们发现一些宏观量如微粒的磁化强度、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发生变化，故称为宏观量子隧道效应MQT。早期曾被用来定性的解释纳米Ni晶粒在低温下保持顺磁性现象。这一效应与量子尺寸效应一起确定了微器件进一步微型化的极限，同时也限定了采用磁带磁盘进行信息存储的最短时间。

e.独特的光学性质 又分为：线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，在纳米SnO2、Fe2O3、Al2O3中均观察到异常红外振动吸收。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起关注。当Si晶粒尺寸减小到5nm或更小时，观察到很强的可见光发射。进一步的研究发现，CdS、CuCl、TiO2、SnO2、Fe2O3等的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也观察到发光现象。非线性光学效应。纳米材料的非线性光学效应分为共振和非共振光学非线性效应，前者由波长低于共振吸收区的光照射样品而导致，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，从而使纳米材料的非线性响应显著增大；后者由高于纳米材料的光吸收边的光照射样品导致，目前主要采用ZSCAN和DFWM技术来探测纳米材料的光学非线性。

f.巨磁电阻效应（GMR） 磁场导致物体电阻率改变的现象，称为磁电阻效应（MR），对于一般的金属其效应（2%～3%）常可忽略。巨磁电阻效应（GMR）是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。最近，在一些磁性纳米材料中观测到比巨磁电阻效应大得多的效应称为庞磁电阻效应（CMR）。

g.超塑性 指材料在特定条件下变形时不存在加工硬化现象，且可以承受很大程度的塑性变形而不断裂，这种特性被称为超塑性或超延展性。材料超塑变形的基本原理是高温下的晶界滑移。除以上特性外，纳米材料还具有高导电率和扩散率、高比热和热膨胀、高磁化率和矫顽力，在催化、光电化学、熔点、超导等方面也显示出与宏观晶体材料不同的特性。

2 纳米技术在食品包装应用研究的最新技术

2.1 纳米抗菌性包装材料

传统的抗菌材料一般采用以银、铜、锌等金属离子为抗菌活性成分的抗菌剂生产工艺，新的MOD系列纳米高性能无机抗菌剂是将纳米技术导入无菌复合包装，是以MOD活性基因及无机纳米银化合物为主要抗菌成份，以各种无机材料为载体而制成的无机抗菌粉体。该抗菌材料采用高科技纳米技术制备而成，抗菌机理为金属离子作用和光催化作用，具有强力的长效抗菌功能，抗菌率可达99.9%，彻底解决了无机抗菌包装材料在应用中变色的难题，是一种无毒的广谱抗菌剂，可广泛应用于生产液体奶、饮料无菌复合包装产品。抗菌制品被世界各国认为是跨世纪的环保和健康产品，纳米无机抗菌剂具有巨大的潜在市场[3]。新型抗菌材料尼龙66中掺加了一种特殊的纳米粘土复合材料，经改性后，不但提高了强度、韧性等物理力学性能，还对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有明显的杀伤效果，同时生产成本也可大幅度降低，应用于食品等高档包装薄膜的生产。日本开发了以银沸石为母料的全新型无机抗菌剂，既起催化作用，同时有具有显著的抗菌特性，其特点为抗菌效果持续时间长，不会气化和迁移而对包装物产生影响，加工稳定性高，不会污染环境。添加银沸石母料（含量1%～ 3%）制得的薄膜或表面覆一层这种薄膜的容器，经2年试用表明：在无营养源的情况下，含1%银沸石的薄膜在1～2天内完全杀死会引起食品中毒菌类，广泛应用于熟食肉类、水产品和液体食品包装[4]。

2.2 纳米保鲜包装材料

在保鲜包装中，果蔬释放出乙烯，当乙烯释放到一定浓度后，果蔬会加速腐烂。因此，果蔬等新鲜食品的保鲜技术的思路，是加入乙烯吸收剂，减少加快果蔬后熟过程的乙烯气体含量，控制包装内部气氛浓度。纳米Ag粉具有乙烯氧化的催化作用，在保鲜包装材料中加入纳米银粉，便可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯，减少包装中乙烯含量，从而达到良好的保鲜效果，并延长货架寿命。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色，而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物，从而降低食品的营养价值。利用纳米材料的光学特性，纳米TiO2粉体可以有效地屏蔽紫外线，用添加0.1%～0.5%的纳米TiO2制成的透明塑料包装材料包装食品，既可防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。纳米技术在食品包装领域已得到较广泛地应用，陈丽、李喜宏[5]等人成功研制出富士苹果PVC/TiO2纳米保鲜膜；李喜宏等[6]还进行了PE/Ag纳米防霉保鲜膜研制；黄媛媛等通过实验研制了一种新型绿茶纳米包装材料，与普通包装材料相比，透氧量降低2.1%，透湿量降低28.0%，纵向拉伸强度提高24.0%；绿茶包装240d后，新型纳米材料包装的绿茶中，维生素C、叶绿素、茶多酚、氨基酸保留量比采用普通包装绿茶分别高7.7%、6.9%、10.0%、2.0%。

2.3 纳米高阻隔性材料及其在高阻隔性PET塑料啤酒瓶中的应用

食品包装阻隔性主要是指氧气、二氧化碳等的气体阻隔性，水蒸气阻隔性等。目前市场上较普遍的玻璃啤酒瓶存在质重、运输破损与易爆裂，制造污染等不利因素，国外上世纪90年代就已经着手研制用于啤酒灌装的PET瓶。啤酒对包装材料要求的一个重要指标是对气体的阻隔性，首先要保证在6个月的货架期内CO2的损失率小于10%，同时氧气的透过量不超过110-6。氧气尤为敏感，极微量的氧气就可以使啤酒产生异味从而影响口感，甚至是塑料瓶体材料自身溶解的氧的渗出都会影响啤酒的品质，塑料作为啤酒包装材料首先必须解决的就是气体的阻隔性问题。PET瓶因透明，化学性质稳定，阻隔性相对好，质轻价廉，回收方便等优点广泛用于软饮料和含气饮料的包装，但作为啤酒瓶，PET的气体阻隔性仍不够高，普通PET装啤酒一般只有1个月左右的保质期，不能满足市场需求。如何改进PET材料组分使之适用于啤酒包装是该领域的一个重要课题，提高聚酯瓶气体阻隔性是实现啤酒包装塑料化首要解决的技术问题。法国Sidel公司开发的无定形纳米碳涂覆技术（ACTIS）是使等离子乙炔在PET瓶内壁凝聚淀积，形成一层高度氢化的非晶态碳均匀的纳米固体膜，厚度为20～150nm。采用ACTIS工艺处理的PET瓶，较普通PET瓶的隔氧化性能效果提高30倍，对CO2的阻透性提高7倍多，防乙醛的渗入性提高了6倍[7]。此外，中科院化学所工程塑料国家重点实验室的研究人员使用PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）聚合插层复合技术，将有机蒙脱石与PET单体一起加和到聚合釜中，成功地制备了PET纳米塑料（NPET），这种纳米塑料的阻隔性较普通的PET有了很大改善，实验表明：把啤酒装在NPET瓶里保存了4～5个月后，结果发现啤酒的口味与新鲜啤酒没有明显区别[8]。

3 纳米技术在药品包装应用研究的最新技术

3.1 高阻隔性包装

高阻隔性包装是指对氧气、水蒸气、二氧化碳等有高阻隔性的包装，高阻隔包装常采用多层复合膜。药用泡罩包装材料包括药用铝箔、塑料硬片（最常用的材料是药用聚氯乙烯PVC硬片）、热封涂料等。但因为药品对湿气、氧气等敏感和人们对药用包装要求的提高及药品储存期的延长，现在正在采用新技术将塑料硬片复合一层高阻隔性材料，如PVDC等，以提高对湿气等气体的阻隔性能，最具有代表的结构为PVC/PVDC，PVDC作为高阻隔层材料，其最大的特点就是对气体水蒸汽优异的阻隔性，很好的保持药品原味。

添加纳米级材料的无机粒子可以极大地改进基础树脂的物性，在高阻隔包装材料中发挥神奇的作用[9]。如德国Bayer公司推出的尼龙纳米复合材料，把化学改性的硅酸盐粘土分散在PA6薄膜中，这些细小颗粒不影响薄膜透明度，但建立了迷宫式的气体通路，减慢气体通过薄膜的进程。日本纳米材料公司将纳米复合材料涂在各种薄膜基体上，据称阻隔性与镀铝膜相同。既具有无机材料的高阻隔性又有塑料透明性的涂氧化硅膜是塑料阻隔技术发展的代表，这种薄膜光泽、透明性好，阻隔性优于一般共挤出薄膜和PVDC涂布膜。氧化硅的深层厚度仅为0.05～0.06 m，不会影响透明度，氧气、水蒸气的透过率极低，而且与塑料膜粘合极牢，抗弯折性极佳，耐消毒，因而在美国、日本等发达国家已生产和使用。

3.2 纳米抗菌性包装材料

纳米抗菌性包装材料在药品包装领域的应用前景有具有抗菌功能的纳米纸、纳米复合抗菌素薄膜等。主要是将一些纳米级的无机抗菌剂加入到造纸浆料或者薄膜中，制成抗菌性能极强的纳米纸[10]、纳米薄膜。

由于许多有机抗菌剂存在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物质、安全性能不好等问题，所以无机抗菌剂的开发成为人们的研究重点。人们利用超微细技术可以产生纳米级的无机抗菌剂，无机抗菌剂主要包括银、铜、锌、硫、砷及其离子元素。光催化抗菌剂有纳米级氧化钛、氧化硅、氧化锌等，它们能将细菌和残骸一起杀灭和消除，所以比传统的抗菌剂仅能杀死细菌本身的性能更加优越。MOD系列的纳米高性能无机抗菌剂还解决了无机抗菌剂在应用中 变色的世界性难题。

4 展望

纳米技术是未来包装技术的希望。它可以使用更少的材料，同时具有更好的性能，并且使包装成为智能化系统的一部分。纳米技术制造的包装材料有更好的强度、刚性、生物降解性、化学稳定性、热力稳定性、隔热防火特性和防紫外线特性等。这必将使得食品和药品包装领域的新材料新技术大量出现。从而使这些与我们生活密切相关的商品质量得到更好的保障。

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关键词：防冻液无机盐有机酸

一、添加无机盐型汽车防冻液

（一）添加硅酸盐、磷酸盐、硼砂型防冻液

应用最早的配方类型是硅酸盐，硅酸盐在防冻冷却液中是一种具有多种功效的缓蚀剂，硅酸盐缓蚀剂能够较好地抑制铝金属表面的发生腐蚀现象，对钢铁等许多金属均有很好的保护作用，不但具有缓冲作用效果好，而且价格极其便宜，十分适合长期广泛应用于腐蚀防护的各个领域，该配方曾经得到广泛发展。但该配方随着添加剂的不同随时间的变化使硅酸盐的稳定性越来越差，会析出部分胶状沉淀，极易降低其缓蚀性能，而导致该配方在使用过程中使其传热效能降低而导致发动机本身因温度过高而损毁，因此，一起加入了硅酸盐体系相应的稳定剂。

经过长期调查研究结果显示，硅酸盐胶体沉淀形成以及硅酸盐与水中的钙镁等离子反应生成沉淀是导致硅酸盐稳定性降低的主要原因。硅酸盐胶体沉淀的生成路径是很繁复的而且十分不易掌控。对于后者可以通过使用纯度较高的去离子水和添加必要的试剂对水中的钙镁离子浓度进行调节。但是稳定剂的加入也仅仅是延缓了沉淀和胶体的形成时间，并未能从根本上解决凝胶形成的实际问题。由我们可以看出，即使是非常好的硅酸盐汽车防冻液稳定效果也只能够维持 1a 的范围内，如果应用到市场汽车防冻液中，行驶一定的时间范围内依然会由于生成胶体沉淀而毁坏汽车内部的部件，部分专利添加了硅酸盐系列的稳定剂，通过调整添加时间不同、改变比例和速度大小，将汽车防冻液整体的储存系统稳定性大幅度提高，但仍未彻底改变在实际运行过程中汽车防冻液有关稳定性方面的问题。

（二）添加f酸盐的汽车防冻液

继铬酸盐系列之后又开发出了钼酸盐，钼酸钠是最为常用的钼酸盐。这是一种非常好的非氧化型多金属缓蚀剂，对所有的金属冷却系统均能起到很好的保护作用，在使用时为了使金属表面形成一层保护膜需在缓蚀剂中加入相应的氧化剂。由于其防护性能异常优异，钼酸盐配方体系也成为取代常规硅酸盐配方体系的换代产品，近几年添加有机酸的钼酸盐配方逐渐发展起来。虽然钼酸盐属于低毒性物质有利于健康，但由于受其昂贵的价格影响，使其在推广使用过程中受到了很大的阻碍。

二、有机酸型汽车防冻液

（一）有机酸成分的优点和研究进展

近年来在高级防冻冷却液中使用较多的是有机酸配方，有机酸缓蚀剂的消耗就比常规的缓蚀剂缓慢许多，主要是利用有机酸活性吸附的物理性质来体现它的缓蚀作用，当冷却系统发生腐蚀或局部环境呈现酸性时，有机酸从其相应的盐溶液中解离出来，吸附在发生腐蚀的地方，通过产生隔离从而抑制腐蚀进一步发生，当阻止腐蚀继续发生以后，局部的酸碱性得到恢复以后，有机酸又会回到原来的溶液里，这就是有机酸消耗特别慢的真正原因。

因为有机酸型汽车防冻液对环境的保护功能非常显著，对汽车防冻液的研发进程非常有利，使用以后能够利用微生物的降解作用保护并绿化环境，在国际上有机酸型汽车防冻液的应用得到了显著的发展。据报道我国近年来也出现了许多有关有机酸型防冻冷却液的研究，但仅处于生产过程中并未得到广泛应用，主要是受其昂贵价格的影响未被广大用户接受。有机酸型的研究技术具有长期防护的性能，并且对环境有良好的保护作用，目前由于人们对这种技术的认知度低而使其在推广过程中受到一定的阻碍，相信在不久的将来随着汽车工业的不断发展，有机酸型防冻液技术在防冻液领域会得到广泛的应用。

（二）添加无机盐的有机酸型配方

为了研发出性能更加优异的防冻液配方，利用有机酸与无机盐型配方的特点不同将二者结合起来，研发出了新的配方技术。目前，在我国汽车防冻液市场上许多企业公司在配方中添加了一定量的钼酸盐、磷酸盐等无机盐和胺类。据调查某品牌汽车防冻液添加成分为：有机一元羧酸 0.40% ～2.00%，有机二元羧酸 3.50% ～ 4.50%，有机非酸缓蚀剂 0.30% ～ 0.50%，钼酸盐 0.20% ～ 0.40%，铝用特效缓蚀剂 0.02% ～0.05%

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关键词：抗菌陶瓷；复合材料；研究；展望

1 前言

随着人们生活水平的提高，抗菌防病毒已经成为了人们生活中关注的一个热点。从90年代初，我国的一些研究所和大学也开始了抗菌剂和抗菌陶瓷的研究。在各中抗菌制品中，抗菌陶瓷由于与人们生活息息相关，这些年得到人们的广泛重视和研究。日本最大的两家陶瓷生产商TOTO和INAX公司，以及美国知名品牌美标等生产的卫生陶瓷大部分都是抗菌陶瓷，而且产品畅销全球。在国内，只有一小部分厂家生产抗菌陶瓷，其抗菌率在90%左右，仅仅或偶尔能达到国家标准。尽管这对抗菌陶瓷的研究取得了长足的进展，但是真正应用于工业化生产，而且抗菌率达99%以上，长效稳定的抗菌陶瓷并不多。本文简单阐述了国内抗菌陶瓷的研究现状和发展的趋势，旨在推动抗菌陶瓷的制备技术和发展，通过对新型抗菌复合材料的介绍，让抗菌陶瓷能近一步普及和走进人们的生活中。

2 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是指在陶瓷制品（陶瓷墙地砖、卫生陶瓷、日用陶瓷等）的釉中或釉面上加入无机抗菌剂，或采用表面浸泡、喷涂、滚印等方式加入无机抗菌剂，从而使陶瓷制品表面的细菌数目控制在一定范围之内。抗菌陶瓷的抗菌效果与其采用的抗菌剂有直接的关系。

2.1 抗菌剂及抗菌原理

应用于抗菌陶瓷的无机抗菌剂主要有两类：一类是含金属离子的抗菌剂。多种金属离子都具有抗菌作用，其抗菌作用大小顺序为：Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pd>Co>Zn>Fe。但Hg、Cd、Cr、Pd等金属离子残留于人体中会严重有害身体健康；Ni、Co、Cu等离子对物体有染色作用。实际上，用金属抗菌剂是使用银系抗菌剂。其抗菌机理是：银离子通过与蛋白质的硫基（―SH）反应，破坏细菌细胞合成酶的活性，使细胞失去分裂繁殖能力而死亡；金属银离子与细菌结合，破坏细菌正常代谢，导致微生物死亡或抑制其繁殖。另一类是TiO2被光催化（或叫光触媒）抗菌剂。其中用机理为：TiO2被光照后产生电子空穴对，并与其表面吸附的OH-和O2-作用生成羟基自由基和超氧化物阴离子自由基O2-。这两种自由基均非常活跃，当遇到细菌时直接攻击细菌的细胞，抽取有机物的H原子或攻击其不饱和键，导致细胞蛋白质变异和脂类分解，以此杀灭细菌并使其分解，起到杀菌、防霉、除臭的作用。

2.2 不同种类抗菌剂的比较

银系抗菌剂和光催化抗菌剂都具有抗菌作用，但由于抗菌作用机理不同，其材料的性能和使用条件有较大的区别。不同种类抗菌剂的性能比较如表1所示。

2.3 抗菌陶瓷的制备工艺

（1） 银系抗菌剂陶瓷的制备

传统的银系抗菌陶瓷是将含银的无机抗菌剂直接加入到釉料中进行烧制。

该方法的最大特点是制备工艺简单，只需要对传统的陶瓷生产工艺作很少的调整，因此便于大规模生产。其缺点是贵金属多（釉面中Ag2O 含量为0.09wt%），成本高且容易改变制品外观质量，而且在烧成温度较高时，由于银离子的损失，抗菌效果会急剧下降。

离子扩散法是新提出的一种利用银系抗菌剂制备抗菌陶瓷的方法。其原理是当釉面与熔融的银盐混合物在一定温度下接触时，由于离子的扩散作用，熔盐中的银离子逐渐扩散到釉面之中。根据釉的组成选择适当的银盐成份、扩散温度和扩散时间可得到所需的银离子分布。具体工艺为：将AgNO3和NaNO3按一定的摩尔比范围混合，在约300 ℃下混合盐熔化为液体，把上釉烧制好的陶瓷器皿放在液体中，在360～370 ℃扩散4～24 h，取出器件并清洗，陶瓷器皿即具有优良的抗菌功能。离子扩散法最大的优点是避免了高温烧成抗菌陶瓷中银离子的损失问题，制成的陶瓷制品的釉层颜色和光洁度均能保持原状。

（2） TiO2薄膜抗菌陶瓷的制备

以普通釉面陶瓷作为基体，采用溶胶-凝胶方法和浸渍提拉技术制备TiO2抗菌薄膜陶瓷是今年来研究较多的一种方法。这种方法的主要过程如下：以钛酸丁脂为主要原料，正丁醇或异丙醇为溶剂，采用溶胶-凝胶法制得透明溶液，即前驱体；以普通陶瓷为基体，经过预处理后，直接浸入前驱体中，浸渍一定时间后，以一定的速度提拉，制得溶胶膜；然后经过老化、干燥，形成凝胶薄膜；再经过高温热处理、退火等工艺，最后形成TiO2薄膜。此法的特点是能避免TiO2在高温下由锐钛型转变成金红石型，从而失去光催化活性，并且可以控制薄膜的厚度。但是这种方法生产工艺难度大，规模化生产有困难，而且成本较高。

（3） 新型银系复合抗菌陶瓷的制备

新型银系复合抗菌陶瓷是将含新型银系复合抗菌剂直接加入到釉料中进行烧制。该方法的最大特点是制备工艺简单，不需要对陶瓷生产工艺作调整，便可大规模生产。成本低，不会改变制品外观质量，耐高温，抗菌效果好，一般在99%以上。

3 影响银系抗菌陶瓷抗菌效果的因素

3.1 载体对杀菌效果的影响

银系抗菌剂中的银离子载体对抗菌效果有很大影响，尤其是载体物质的粒径大小。粒径大，表面积小，载银量小，银离子只是简单地吸附在颗粒表面，容易损失。随着纳米技术的发展，采用特殊的化学手段和阴离子置换法，将Ag+置换进纳米载体的微孔中，制成纳米载银抗菌剂。纳米载体巨大的表面积为抗菌剂和细菌的充分接触创造了良好的条件，提高了杀菌的效率，所以，纳米级抗菌陶瓷的杀菌效果更好。

3.2 阴离子和烧成温度对杀菌效果的影响

银离子的引入直接影响杀菌效果。在相同釉烧温度下，加入量越大，杀菌效果越强，但加入量过大，釉烧温度就会降低，釉的质量下降，且成本提高；而加入量太少又达不到杀菌的效果，一般以2%～5%较为合适。烧成温度不仅影响陶瓷产品的质量及性能，而且影响其杀菌效果。随着烧成温度的升高，银离子的损失逐渐增大，杀菌效果明显下降，一般釉烧温度在1100～1200 ℃之间，产品的质量比较好。对以磷酸锆为载体的抗菌粉体，较理想的温度范围是1080～1500 ℃。实验证明：添加一定量的氟化物有助于提高银离子的耐烧温度。添加一定量氟化物后提高了烧成温度，抗菌效果几乎无变化。也有研究发现，在无抗菌剂中引入稀土元素可以激活银系抗菌剂，从而更有效地强化材料的抗菌效能。

4 影响TiO2光催化型抗菌陶瓷抗菌效果的因素

4.1 光源对TiO2光催化效果的影响

光源的强度和波长对TiO2光催化效果有一定的影响。根据一些研究报道，在相同波长照射相同时间的情况下，紫外线光强度大的杀菌效果比光强度小的杀菌效果好。且由于太阳光是一种混合光，半导体对太阳光的利用率较低，太阳光的杀菌效果不如紫外光的杀菌效果好。此外，不同波长的紫外线杀菌效果也不一样。波长短，光子能量大，当细菌受到该波段的辐射后，其白和核糖核酸（DNA）强烈吸收辐射能，引起DNA链断裂，核酸和蛋白的交连被破坏，导致细菌死亡。因此，波长小的效果要好些。

4.2 烧成温度对TiO2光催化效果的影响

不同烧成温度与光催化活性的变化情况是：光催化活性开始随灼烧温度的升高而增强，到500 ℃时显著增加；在600 ℃时达到最大值，然后降低；到800 ℃时显著降低。在500～700 ℃之间是最理想的灼烧温度，因为当温度较低时，凝胶中包含的有机物未被充分灼烧掉，TiO2也主要以光催化活性较低的无定型为主，随温度的升高有机物被充分灼烧掉，且TiO2也主要转变为光催化较高的锐钛型，使光催化活性大为提高。当温度进一步升高时，TiO2再次发生晶型转化，由光催化活性较高的锐钛矿型向光催化活性较低的金红石型变化。当温度进一步升高时，釉开始熔化使TiO2被包裹、凹陷，并与釉发生反应使活性失去。表面再次变得光滑均一，但呈微黄色，说明TiO2与基体釉层反应生成新的物质，而使光催化活性失去。

5 新型银系复合抗菌陶瓷的效果

新型银系复合抗菌陶瓷是将银和二氧化钛通过复合技术，将不同纳米级银和二氧化钛进行复合。该新型复合材料经多家知名陶瓷企业的工厂试验和检验机构检验后认为：新型的复合抗菌陶瓷工艺简单，不需要对陶瓷生产工艺作调整，成本低，不会改变制品外观质量，耐高温，抗菌效果好。

6 抗菌陶瓷的展望

（1） 随着人们生活水平的提高，抗菌防病毒已经成为了人们生活中关注的一个热点。抗菌陶瓷已经逐步得到人们的认同和使用，特别这几年，H7N1等各种病毒不断对人们造成伤害，越来越多的人希望家居中的生活用品都具有杀菌功能。

（2） 传统的银系抗菌剂和光催化抗菌剂由于在生产工艺、成本等过程中仍有不足，而且杀菌效果受环境等条件的影响大，传统的银系抗菌剂和光催化抗菌剂已经满足不了现在的陶瓷工业生产和人们对杀菌陶瓷的需要。

（3） 新型银系复合抗菌陶瓷具有生产工艺简单、成本低、不会改变制品外观质量、耐高温、抗菌效果好等优点，因此能满足现在陶瓷生产的需要和人们对抗菌陶瓷的需要。

7 结语

抗菌陶瓷是一种功能陶瓷，但随着纳米技术和化学复合材料的发展，使得陶瓷的抗菌材料既能保持原有陶瓷花样外观的效果，又能增加陶瓷产品的抗菌消毒功能。随着人们生活水平和对生活要求的提高，抗菌陶瓷作为一种功能陶瓷将进入每个家庭中，其应用领域将日益扩大，市场前景十分广阔。

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