什么是纳米材料
What is Nano Mateiral?
“纳米”实际上是一个长度单位，1纳米等于10-9米，大约相当于一根头发丝直径的万分之一。
纳米材料，指的是由纳米量级（1-100nm）的晶态或非晶态超微粒为基本结构单元构成的材料。由于纳米材料的表面正电子和负电子的运动，以及晶体结构的位错和滑移，通常会产生宏观材料完全没有的四种效应，即小尺寸效应、量子效应、表面效应和边界效应。纳米材料根据不同的分类依据，便会有不同的分类方法。[2]
其实，在日常生活中，纳米材料很常见，只是我们可能没有意识到它特殊的身份。比如说，蛋白质就有许多的纳米微孔，生物体的骨骼和牙齿等都存在纳米结构，贝壳、昆虫甲壳 、珊瑚等天然材料也是由有序排列的纳米碳酸钙颗粒构成，因此具有独特的力学性能。
纳米材料的结构与性质
Structure and Features
纳米材料是处于亚稳态的物质，比表面积*大，粒径小，表面原子比例高，具有独特的电子运动状态和表面效应，表现出宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，这些结构上的特点使纳米材料具有很多优良的特性。[4]
*比表面积：是指单位质量物料所具有的总面积，分外表面积、内表面积两类。一般多孔材料（如活性炭、沸石、硅藻土等）的外表面积相对内表面积而言很小可忽略不计，所以比表面积通常指内表面积，单位为平方米/克。比表面积大、活性大的多孔物质，吸附能力会较强。因此比表面积是评价催化剂、吸附剂及其他多孔物质工业利用的重要指标之一。
化学反应性质：纳米材料的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应活性。例如，纳米级的金属材料在空气中可以会发生氧化反应，并伴随有剧烈的发光燃烧；45nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧，可以得到TiO2晶粒。
催化性质：纳米粒子比表面积大、表面原子配位不足等性质增加了表面的活性中心，从而使其具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙，可直接加入反应体系，不必外加载体。另外，纳米粒子催化剂的表面比较粗糙，使得反应面积进一步扩大。
光催化性质：纳米颗粒可以很好地吸收光能，使其氧化还原能力增强，从而有利于催化反应。粒径越小，光催化性越强，反应速度越快。
此外，纳米材料还具有比热大、塑性好、硬度高、导电率高和磁化率高等优异的特性。随着研究的进一步深入，相信还会有更多优异的性能呈现出来。
纳米材料的应用
Applications in Life
微生物感染是当今科学家们尝试攻克的难题之一。抗生素的到来给予了人们希望，但随之而来的耐药性使抗生素的使用受到限制。由于纳米材料的优良特性，部分研究者把目光投向纳米材料。近年来，纳米材料的抗菌特性得到了应用，与抗生素相比，抗菌纳米颗粒具有低毒、克服耐药性、低成本等优点。公认的抗菌机制包括锋利的边缘介导的切割作用，氧化应激和细胞滞留。各种纳米材料如石墨烯、Ag、Ag2O、TiO2、ZnO、CuO等已被用作抗菌剂。[5]
有学者指出，仿生磷酸钙矿化-GO/壳聚糖(OCP-GO/CS)支架有望成为骨组织工程的理想材料，该支架不仅可促进骨髓基质细胞的增殖和分化，诱导骨组织再生，还可有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长，且生物相容性良好。ZnO/GO-COOH复合材料也被证实对变形链球菌具有抗菌作用，具有显著的成骨作用。
清华大学未来实验室首席研究员乐恢榕教授与英国普利茅斯大学生物学院著名纳米病毒学家R. Handy教授团队合作，在钛合金表面产生TiO2纳米多孔结构并镶嵌多种纳米颗粒。例如，通过溶胶-凝胶法植入抗微生物纳米颗粒如Ag，ZnO，改善了牙科和骨科材料在植入早期的抗微生物性能。[6]
当下，全球的经济和工业的快速发展，有毒或难降解有机物引起的环境污染日益严重，成为了世界范围内不可忽视的问题之一。有研究表明，两种不同半导体纳米材料组成的，类似半导体的p-n结，可以大幅度提高可见光的吸收能力，加快有机染料的裂解。
例如NiO是一种p-型半导体材料，CdS是n-型半导体。CdS纳米粒子附着在NiO晶板表面上，导致能带结构发生变化，从而在CdS表面产生更多的自由电子，同时在NiO表面产生更多的电子空穴。该材料以粉末的方式投放到含刚果红的染料污水中，在可见光照射下，能够大幅提高了有机污染物的分解效率。[7]
纳米尺度的二维材料，如氧化石墨烯、MoS2和WS2，能够强化表面光催化性能，最初应用于太阳能水解制氢技术。斯坦福大学H. Dai博士团队[8]采用水热法在氧化石墨烯晶片上沉积MoS2纳米颗粒，在水制氢过程中表现出优越的光催化性能，这跟MoS2纳米晶片的边沿效应以及石墨烯的良好导电性有关。台湾国立大学的J. H. He团队[9]在p-型Si片上沉积单层MoS2薄膜，提高了太阳能的吸收效率，换算成能量转化密度可达20 mA/cm2。此外，ZnO-TiO2复合涂层具有优良的光吸收和催化作用，也已经在太阳能转换和水制氢等领域受到广泛重视。
随着纳米材料制备技术的发展和产业化进程的加速，国内外众多学者针对其在航天、能源等领域的应用开展了大量研究。纳米碳复合材料可将纳米碳的优异性能保留在宏观尺度，充分发挥复合材料和纳米技术的协同作用，其具备的轻质、多功能性等特点可满足航空航天领域轻量化需求，为航空航天领域材料的发展注入新的活力[10]。
美国佐治亚理工学院Kumar小组的研究表明，将冻胶纺单壁碳纳米管/聚丙烯腈纳米复合材料碳化后生产出的碳纤维，其拉伸强度比聚丙烯腈制备的碳纤维高50%，这主要归因于聚丙烯腈纤维中纳米管的高度排列。在复合材料中加入碳纳米管除了可以增加材料的拉伸强度外，还可以降低材料的热膨胀系数，减小材料因高低温引起的变形，这对于具有高精度指向要求的卫星天线非常适用。
Peng等[11]基于跨尺度与仿生设计思想，提出并实现了石墨烯纳米带海绵结构的概念，获得了石墨烯纳米带海绵并实现复合化，使复合材料拉伸强度(提升4倍)，模量(提升4倍)与韧性(提升10倍)同时获得提升。同时受“药物在水中分散”技术的启发，提出石墨烯多孔骨架复合技术，解决了纳米碳材料在树脂基体中难以分散的问题，并将该技术引入到碳纤维复合材料当中，使得碳纤维复合材料剪切及压缩性能获得提升，该成果在中国运载火箭技术研究院首页网站报道。
Pictured: Graphene, computer illustration. Credit: AFP
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Pictured: Unsplash. Credit: mustafa bashari, nino liverani, qiu nguyen, susan wilkinson.
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