中国农业科技导报，2016，18（1）：18－25Journal of Agricultural Science and Technology
收稿日期：2015-04-27；接受日期：2015-07-20基金项目：国家重大科学研究计划项目（2014CB932200）资助。
作者简介：孙长娇，助理研究员，硕士，主要从事纳米技术的农业应用研究。E-mail ：sunchangjiao@caas．cn 。*通信作者：崔海信，研
究员，主要研究方向为纳米技术的农业应用。E-
mail ：cuihaixin@caas．cn 纳米材料与技术在农业上的应用研究进展
孙长娇，崔海信*
，王
琰，曾章华，赵翔，崔博
（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081）
摘
要：近几年纳米材料与技术在农业领域的应用取得了一定进展，综述了纳米材料与技术在农业投入品的
传输、
动植物遗传育种、农产品加工、农业环境改良和农业纳米检测技术等方面的应用。目前纳米技术在农业中的应用研究仍处于初期阶段，一些研究成果实现商业化还需要更大的努力。此外，纳米材料因其特性可能存在潜在的安全性问题，选择生物安全型、环境友好型纳米材料进行农业应用研究对于发展农业纳米技术至关重要。
关键词：纳米技术；纳米材料；农业；应用；安全性；环境友好doi ：10．13304/j．nykjdb．2015．240中图分类号：S129
文献标识码：A
文章编号：1008-
0864（2016）01-0018-08Studies on Applications of Nanomaterial and
Nanotechnology in Agriculture
SUN Chang-jiao ，CUI Hai-xin *，WANG Yan ，ZENG Zhang-hua ，ZHAO Xiang ，CUI Bo
（Institute of Environment and Sustainable Development in Agricultural ，Chinese Academy of
Agricultural Sciences ，Beijing 100081，China ）
Abstract ：In recent years ，the application of nanomaterial and nanotechnology on the field of agriculture has made some progress．This review summarized the main progress of the applications of nanomaterials and nanotechnology in agriculture ，including delivery of agricultural inputs ，plant and animal breeding ，agro-product processing ，
environment rehabilitation ，nano-detection and other aspects．But at present ，the application of nanotechnology in
agriculture is still in its nascent stage．Some applications have been demonstrated at concept and experimental stage ，and greater efforts are still required for commercialization．In addition ，the characteristics of nanomaterials may cause potential safety problems due to the special nature ，so it is very essential to choose environmental friendly nanomaterials and study their applications for the development of nanotechnology in agriculture．Key words ：nanotechnology ；nanomaterial ；agriculture ；application ；safety ；environment friendly
纳米（nm ）是一种长度单位，
1nm 等于10－9m 。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1 100nm ）或由它们作为基
本单元构成的材料。纳米材料种类繁多，根据材料的成分分类，可分为纳米金属材料、纳米碳材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米高分子材料和纳米复合材料；按照材料的用途分类，可分为纳米电子材料、纳米生物材料、纳米建筑材料、纳米隐形材料等。纳米材料的主要特征在于其外
观尺寸，所以从三维外观尺度上对纳米材料进行
分类是目前最流行的分类方法，据此，可将纳米材料分为4类：零维纳米材料，即三维尺度均为纳米
级的材料，
如纳米微粒、量子点等；一维纳米材料，即单向延伸，二维尺度为纳米级，第三维尺度不限
的材料，如纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米管等；二维纳米材料，即一维尺度为纳米级，面状分布的材料，如纳米片、纳米板、纳米薄膜、纳米涂层等；三维纳米材料，包含纳米结构单元、三维尺度均超
过纳米尺度的材料或由不同类型低维纳米结构单元或其与常规材料复合形成的固体材料，如纳米陶瓷、纳米金属、纳米孔材料、纳米结构阵列、纳米复合材料等。
纳米技术是在纳米尺度范围内研究材料的性质和应用的一种技术，主要包括纳米尺度物质的制备、复合、加工、组装、测试与表征，实现纳米材料在原子、分子尺度上的可控制备，并为其应用奠定基础［1］。纳米技术发展迅速，已经渗透到化工、医药、能源、材料和生命科学等各个领域，给人们的生活带来极其深远的影响。
纳米农业将纳米技术运用于农业领域，是研究纳米尺度的材料在农业中的应用。纳米农业在国外已有十多年的发展历程。2003年，美国启动了“Nanoscale Science and Engineering for Agriculture and Food Systems”研究计划，联合国粮农组织（FAO）以及世界卫生组织（WHO）等国际组织也多次召开纳米农业相关会议。然而，我国纳米农业的研究还处于起步阶段。纳米技术为现代农业科学提供了新的科学方法论，主要涉及的研究方向包括农业投入品的传输、动植物遗传育种、农产品加工、农业环境改良和农业纳米检测技术。将农药、肥料、兽药、疫苗、饲料等农业投入品纳米化、包埋或加工成智能化纳米传输系统，提高其渗透性，使其具有靶向、缓/控释等智能化环境响应特性，从而提高农业投入品的有效利用率，实现农业生产节本增效；纳米材料与技术可以克服传统农业技术的局限性，加速动植物优良品种的繁育，提高动植物生产效益；利用纳米技术加工农产品，可以改善农产品的质量，减少环境污染；利用纳米材料和技术，通过吸附或光催化降解污染物或有害微生物等途径，修复污染水体和土壤，实现农业环境改良，进而有效控制农业面源污染，实现农业清洁生产与可持续发展；此外，纳米材料和技术能用于检测食品和动植物病原微生物、农药残留及水污染等方面，对于保障食品和生态环境安全具有重要意义。
纳米材料因其尺寸小、结构特殊，因此具有许多新的理化特性，如小尺寸效应、大比表面积、高反应活性、量子效应等。这些特性使纳米科技给各个领域带来革命性的变化，各种纳米材料在医药、电子、化妆品中广泛使用。但是，在造福人类的同时，纳米材料也可能会给环境和人体健康带来影响。由于目前纳米材料的安全性评价体系尚不完善，因此，将纳米材料与技术应用于农业时，必须重视相应的毒理学、安全性研究，引导农业纳米技术健康发展。
1纳米材料及技术在农业投入品中的应用
1．1农药
农药是防御生物灾害、保障粮食生产的重要物质基础。但农药传统剂型存在有机溶剂用量大、粉尘飘移、分散性差等缺陷，使得绝大部分农药流失于环境中，只有不足1%的农药作用于靶标位点［2］，从而造成严重的环境污染。将纳米材料与技术应用于农药领域，可以改变农药理化性质，使其变为高分散、易悬浮于水的稳定均相体，充分提高农药利用率，减少农药残留，降低环境污染。常见的纳米农药剂型有3类：①利用纳米加工技术使农药原药纳米化，如纳米分散体、纳米乳等。将农药原药纳米化后，农药制剂的比表面积增大，可以改善农药在水中的分散性和稳定性，促进靶标的吸收，与乳油等传统农药相比可以显著减少有机溶剂和助剂用量。如Jiang等［3］用低能乳化法制备了环保型草甘膦异丙胺（glyphosate isopropylamine，IPA）纳米乳，该制剂能增加水溶性IPA对叶面角质层和蜡质层的渗透性，其对牛筋草的防治半数有效量（ED50）显著低于市售草甘膦剂型农达（Ｒoundup）。②利用纳米载体负载农药，提高环境敏感型农药（如阿维菌素）的稳定性，改善药物在作物表面的粘附性和渗透性，减少流失。此外纳米载体能控制药物释放速度，延长药物的持效期等。如Li等［4］合成了表面包被CaCO
3
的中空二氧化硅纳米粒作为阿维菌素的载体，该载药系统的载药量最高可达63．6%，能有效防止阿维菌素被紫外光降解，并且呈现良好的缓释性能。③一些金属或无机材料制成纳米级微粒后具有杀菌和光催化功效，与农药复配使用，在防治病虫害后，能促进农药分解，降低农药残留。Guan等［5］通过层层自组装法制备了W-掺杂
TiO
2
-阿维菌素纳米复合物，其载药量可达66%，对鞘翅目昆虫九龙虫（Martianus dermestoides）成虫的半致死浓度（LC50）显著低于95%阿维菌素原药，在紫外灯照射下，纳米复合物中的阿维菌素
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1期孙长娇等：纳米材料与技术在农业上的应用研究进展
在TiO2的催化下能够快速降解。
农药的发展趋势是水基化和溶剂无害化。目前农药微乳剂中大量使用醇类和酮类等极性溶剂，其急性毒性与二甲苯相当，并且容易渗透到农田和地下水中，分离和消除难度高，对环境和食品安全具有一定的威胁［6］。微乳剂中表面活性剂使用量大，在成本上优势也不明显。因此，减少有机溶剂和助剂的剂量，或选择环境降解性好、成本低的有机溶剂和助剂，是完善纳米农药的一个途径。此外，纳米农药制剂颗粒小，比表面积大，表面能高，容易发生团聚（自发团聚的趋势远大于普通颗粒）、分层、沉降等现象，进而影响纳米农药制剂的综合性能。所以，提高水基化纳米农药储存的稳定性也是日后的研究热点之一。
1．2肥料
肥料对于提高农产品质量、保障国家粮食安全等方面具有重要作用。然而我国肥料整体利用率低，不仅浪费了资源，造成了环境污染，也增加了农民的投入。纳米肥料是用纳米材料技术构建、用医药微胶囊技术和化工微乳化技术改性而形成的全新肥料［7］。纳米肥料主要有两类：①纳米结构肥料是将难溶于土壤的天然富营养矿石（如磷矿石、钾长石等）采用高能球磨或液相沉淀法加工成纳米级肥料；或纳米材料通过吸附、反应等途径制备出纳米结构肥料；或采用纳米技术制备纳米级氮、磷肥，如纳米尿素、纳米磷灰石；纳米结构肥料养分和复合组分均在纳米尺度范围内，活性高，养分更易于被植物吸收，提高了肥料的利用率［8］。Liu等［9］的研究表明，纳米磷灰石与常规的磷酸钙肥料相比，能增加大豆的生长速率、种子产量、地上生物质产量、地下生物质产量，增加幅度分别为32．6%、20．4%、18．2%和41．2%。此外，可将有机废弃物发酵直接制造成纳米级有机肥料，在一定程度缓解城乡有机废弃物面源污染。
②纳米材料包膜胶结缓/控释肥料以纳米级、亚微米级的腐殖酸、高岭土、蒙脱土、沸石、风化煤、高分子树脂、淀粉等材料为包膜剂和胶结剂，胶结包膜各种肥料；或在肥料中添加其他纳米材料。纳米材料包膜胶结缓/控释肥料的养分组分不是纳米材料，但因为胶结包膜材料等在纳米尺度范围内，从而使肥料具有纳米材料的特性，可以有效防止肥料迅速溶解，迎合土壤与作物的需肥规律，从而最大程度地提高营养元素的利用效率，降低因不当施用肥料而导致的环境污染［10］。肖强等［11］以废弃的腐殖酸、塑料等作为包膜材料，利用纳米技术制备的纳米材料胶结包膜型缓/控释肥料能够不同程度地提高小麦和玉米籽粒产量和蛋白质产量。Liang等［12］研究了碳纳米粒对盆栽烟草的生长与养分积累的影响，结果表明随着碳纳米粒量的增加，成熟期烟草植株的株高、叶面积、干物质的量、叶中所含的叶绿素及可溶性蛋白的含量都显著增加，且碳纳米粒促进烟草植株生长过程中氮磷钾等养分的积累，提高了烟草对肥料的利用效率。
目前国内外用于纳米肥料的材料较为广泛，虽然都有一定的增产作用，但对于增产机理和材料安全性的研究相对较少。通常纳米肥料价格较高，限制了其大规模应用。因此降低材料成本，重视廉价、天然与复合材料的研发，也是发展纳米肥料的关键。
1．3兽药和疫苗
纳米药物是纳米技术在医药领域的一个成功应用。随着纳米药物的快速发展并取得一系列引人注目的成果，纳米技术也逐渐渗透到畜禽药物科学领域［13］。
纳米载药系统颗粒小、比表面积大、表面反应活性高、吸附能力强，跟常规药物相比具有以下优点：高度靶向性，用药后到达特定组织和器官发挥作用；控制释放性，能改变药物在体内的半衰期，延长药物作用时间，在保证药效的前提下可减少用量，降低毒副作用；提高难溶药物的溶解度，有利于药物的局部滞留，提高药物吸收利用。近几十年发展起来的纳米药物类型有纳米晶体、纳米聚合物、脂质纳米药物输送系统和高分子纳米药物输送系统［14］。其中，壳聚糖因其无毒、良好的生物相容性、生物可降解性，以及能够提高大分子穿透黏膜表面而成为理想的纳米药物载体材料，用于口服药物和疫苗的载体［15］。目前一些纳米药物已经用于兽类肿瘤的诊断和治疗，如第一例由美国食品和药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的“Paccal Vet”是紫杉醇的纳米胶束［16］。
纳米材料作为疫苗载体可防止免疫功能物质在动物体内和体外降解，并实现控制释放；纳米材料的尺寸与病原体相似，因此能有效被抗原提呈细胞吞噬和整合；纳米材料的易修饰性使其易于
02中国农业科技导报18卷
添加和更换抗原、免疫增强剂、分子识别配体、转运调节因子和细胞内吞调节因子。因此利用生物相容性纳米材料，针对抗原提呈细胞表面受体进行靶向修饰，负载免疫功能物质，创制靶向疫苗新制剂，提高疫苗抗原的靶向递释效率，增强诱导免疫保护机制，延长免疫期限，减少系统分布，降低剂量和毒副作用，显著提高动物疫苗的免疫功能与效果，增强对重大动物传染病和人畜共患疾病的防控能力［17］。如Scheerlinck等［18］利用聚苯乙烯纳米颗粒与抗原共价偶联用于免疫羊，可同时诱导大量的细胞介导的免疫应答和适量的体液应答，并且无不良反应。
此外，由于近些年兽医临床和畜牧业生产中抗生素和抗寄生虫药物的不合理使用，致使畜禽对主要病原菌产生了耐药性，并且畜禽用药或疫苗后产生残留会间接导致人体对药物的敏感性降低。纳米材料和技术有望解决这一问题。如Wang等［19］研发出一种纳米海绵水凝胶，这种物质在不使用抗生素的情况下，能把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。
纳米兽药与疫苗研究历史较短，基础相对较薄弱，关于药物的理论问题还需深入系统的研究。由于纳米材料的小尺寸效应、大比表面积、高反应活性、量子效应等特殊效应，其在生物体内的分解可能导致独特的、难以预测的化学或生物学效应［20］。因此，除了常规的毒理学评价外，在应用研究中还需注意纳米药物的生物安全性问题等。
1．4饲料和添加剂
饲料是动物饲养中必不可少的原料投入，然而饲料利用效率低导致沉重的环境负担，增加生产成本。利用纳米技术改进饲料，一方面，根据动物的营养需求改进饲料配方，可以显著提高饲料中营养元素和微量元素的生物利用效率，增加动物产品的产量和质量［21］；另一方面，饲料中的纳米材料还可吸附有毒物质或吸附、杀死病原菌，从而降低畜禽及水产动物患病的风险，并减少有毒有害物质在肉中的残留，大大提高畜禽产品的安全性和品质［22］。崔世贵等［23］利用纳米配合饲料应用于断奶仔猪生产，结果表明纳米饲料可以显著提高断奶仔猪的日增重，并降低仔猪的腹泻发病率。Shi等［24］的研究表明在绵羊的基础日粮中添加适量的纳米硒可以刺激瘤胃微生物活动，提高消化微生物和酶的活性，从而提高瘤胃发酵和饲料的利用率。
因为纳米材料的性质与其尺寸、组成和形状有关，生物体系对纳米结构物质代谢产生的作用难以预测。所以，在肯定纳米饲料和添加剂的优势的同时，要重视纳米饲料及添加剂安全性评价工作。然而现阶段纳米饲料及添加剂的安全性研究不够充分，尤其是系统的毒理学研究几乎处于空白。所以，在开展纳米饲料和添加剂研发工作的同时，也要开展相应的安全性评价工作，如纳米添加剂的细胞毒性研究、动物经口毒性研究等，确保鱼肉蛋奶等动物食品的安全。
1．5植物生长调节
利用纳米材料处理种子，可以增强种子的活性，提高种子体内各种酶的活性，进而促进植物根系生长，提高植物对水分和肥料的吸收，促进新陈代谢，在原有品种农艺性状的基础上进一步提高植物的抗虫、抗病以及各种抗逆性能力，达到增产和品质改善的效果。如多壁碳纳米管可以显著增加萝卜、油菜、黑麦草、莴苣、玉米、黄瓜种子的发芽率与根系的延伸［25］。纳米材料调节植物生长的原理是：①一些纳米材料如TiO2的光化学效应可以产生活性氧类的超氧化合物，增加了种子的抗逆性，促进种子对水分和氧气的快速摄入［26］；
②纳米材料渗透至种子中，增加了种子对水分的摄入，进而促进了种子的发芽率［25］。
值得注意的是纳米材料对植物生长的促进作用并不是无限的，一些纳米材料，如量子点材料CdSe抑制作物的发芽率［27］；超剂量的纳米材料纳米Zn和纳米ZnO也会影响作物的根系生长［28］。此外，一些有机产品认证组织，如Naturland已经禁止使用过人工纳米材料处理的农作物产品被标记为有机食品［29］。
2动植物遗传育种
转基因技术的发展加速了动植物遗传育种的进程。近几十年来，一些优质的动植物品种被繁育成功。但是传统的动植物育种方法普遍存在着技术难度高、工作量高及繁育周期长等缺点；而且显微注射法、农杆菌介导法以及基因枪法等植物转基因方法不仅效率低（0．01% 0．02%），而且主
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1期孙长娇等：纳米材料与技术在农业上的应用研究进展
要适用于双子叶植物的转化［30］，限制了遗传育种工作的进展，纳米技术的不断完善与发展有望克服这些缺点。纳米技术应用首先在基因治疗方面取得了成功，以纳米颗粒作为基因载体，将目标基因包被或者吸附，通过细胞吞噬作用进入细胞内，实现外源基因的靶向性转运［31］。因纳米基因载体对外源基因具有保护作用、穿透性强、转染效率高及安全低毒无免疫原性等优点，近年来在动植物育种领域引起了越来越多的关注。常用的有机高分子纳米基因载体有树枝状高分子聚合物［32］、聚乙烯亚胺（polyethylenimine，PEI）［33］、多聚赖氨酸（polylysine，PLL）［34］、壳聚糖［35］；常用的无机纳米基因载体有硅纳米颗粒［36］、四氧化三铁磁性纳米颗粒［37］、金纳米粒子［38］、碳纳米管［39］等。崔海信等［40］利用PEI覆盖的磁性纳米材料与外源基因结合，再与植物花粉或花药共培养，从而将外源基因转入花粉细胞中。通过人工授粉、自然成熟，在半年内直接得到转基因植物的种子。Campos等［41］将商品化的纳米聚合物和埃洛石粘土纳米管（halloysite clay nanotubes）应用于精子载体中，研究表明，与裸DNA和脂质体处理的外源DNA相比，纳米载体结合外源DNA后与牛精子共孵育，基因的整合效率由8% 10%提高至40% 45%，并且纳米载体对精子的活力以及胚胎的发育没有显著影响。
然而由于科普工作的滞后，对于转基因技术仍存在一些争议。因此将纳米材料与技术应用于转基因动植物育种，除了必要的安全性评价工作，还必须加大科普工作力度，以通俗易懂的方式提高公众对纳米技术的认识。
3农产品加工
纳米技术在农产品加工方面的应用主要有食品加工和食品包装等。利用纳米技术，将食品中的碳水化合物、蛋白质、脂类等有机成分纳米化，可以提高农产品的生物利用度，改善食品的口感、质地与稳定性，掩盖食品的不良气味。通常，将食品加工成纳米粒主要有两种方式，一种是“自上而下”的物理加工方式，即使用各种机械，如均质乳化机、超声波粉碎机、球磨机、胶磨机等，将原料加工成纳米级的粒子；另一种是“自下而上”的化学加工方式，即通过小分子自发聚合，生成纳米粒。此外，食品中的添加剂、酶、色素、营养补充剂等微量成分通过微胶囊化、包埋等技术纳米化，可以实现最大程度地保留对人体有益的成分，减少添加剂的用量［42］。利用可降解的生物纳米复合材料制备食品包装，可提高包装的可塑性、稳定性、气体阻隔性、控温保湿性以及抗菌性，同时大大减少由于塑料包装大量使用引起的白色污染。
随着纳米技术在食品行业的广泛应用，必须在相关产品进入市场前，进行纳米粒子对人类健康和环境的安全性评估。同时相关的监管部门也必须深入研究，制定对应纳米产品的科学监管方法。
4农业环境改良
农业生产中由于化学药物的不当使用、畜禽排泄物等带来的土壤、水体污染、富营养化、有害气体污染等已经成为制约农业生产可持续发展的因素。纳米材料因其巨大的比表面积以及可修饰的多种官能团使其容易与环境中的有机化合物和重金属离子等污染物结合，如近年来，碳纳米管已经逐渐应用于吸附处理废水中有机污染物［43］；纳米零价铁（nZVI）可以修复多氯联苯、DDT等有机物污染的土壤和地下水［44，45］；纳米光催化物质在紫外线照射下，产生的氧和氢氧自由基有很强的化学反应活性，可以与细菌、有机物等发生反应，生成CO2和H2O，从而分解水体、土壤环境中的有机化合物和细菌等污染物质［46］。这些纳米材料应用于水产养殖、植物组织培养及畜禽养殖中，可以减少农业面源污染，实现农业生产的可持续发展。此外一些纳米材料能够抑制病原微生物的生长，如Dimkpa等［47］研究表明，与微米级的ZnO相比，纳米ZnO与生防细菌的拮抗作用能够显著抑制植物病原真菌禾谷镰刀菌病的生长，此研究为配制低剂量ZnO土壤改良剂奠定了一定的基础。
目前大多数纳米材料用于环境改良的研究仍处于实验研究或小规模应用。由于材料成本等因素的限制，到大规模的工业化生产和应用还有一段距离。因此，发掘天然存在的纳米修复材料，提高环境改良的效率，简化改良步骤，减少资金投入等问题都是未来研究的重点。
5纳米检测技术
纳米科技与电子学、生物学等交叉结合，制备
22中国农业科技导报18卷
出新型高效的纳米传感器，可用于食品的快速检测、植物病原体检测、动物疫情诊断、农药残留检测及水污染监测等方面。
在食品快速检测方面，可开发出由数以千计的纳米粒子阵列组成的纳米传感器，当其与不同的食物病原体或者有害物质接触时可发出不同的荧光［48］。Kuang等［49］用金纳米粒子组装成三聚氰胺冠醚传感器，可通过肉眼或者光谱快速、灵敏检测牛奶中的三聚氰胺，其检测精度可达6ppb。纳米传感器可将食物病原体的检测从几天缩短到几个小时甚至几分钟［50］，并且这些纳米传感器可直接放置到食品包装材料中，作为“电子舌”或“电子鼻”检测食品腐败过程中释放的化学物质［51］。
纳米材料可以直接改性用于植物病原体检测，或者作为快速诊断工具检测植物因病害产生的特征化合物，从而实现病害大规模爆发前按需施用药物或者肥料［52］。如Singh等［53］成功利用纳米金为基础的免疫传感器检测小麦印度腥黑穗病。该病由印度尾孢黑粉菌引起，因其冬孢子的形态与其他腥黑穗病真菌的冬孢子构造相似，用常规方法很难区分。这种基于纳米金的横向流动免疫试纸能原位检测出小麦印度腥黑穗病的冬孢子，检测灵敏度高，5个冬孢子即可用该试纸检测出来。利用该检测方法可以在播种前检测并处理受感染的种子，保证小麦的产量。
疯牛病、禽流感等人畜共患疾病不仅给畜牧业带来毁灭性的经济损失，更严重威胁人类的健康。疫情的早期发现能大幅度降低损失，纳米诊断技术可以实现高特异性和灵敏度、快速、稳定、同时检测多个目标。目前已经研制出便携式畜禽口蹄疫病毒和伤寒沙门氏菌的纳米检测设备［54］，未来有望利用纳米技术研制出可植入或者可穿戴检测设备，实时监测畜禽的健康状况，使动物疫病检测过程大为简化［21］。
纳米传感器还可实现灵敏度高、检测限低、超选择性、快速反应的农药残留和水体污染物检测，如基于生物酶的纳米传感器可用于有机氯、有机磷和氨基甲酸酯类农药残留的检测［48］；贵金属纳米系统可用于检测和移除水中的药物、染料等污染物［49］。
虽然这些传感器系统尚处于基础研究水平，但是发展纳米传感器，开发能大规模应用于农业生产现场的监测和诊断设备，对于提高农业生产力，减少农药、化肥、兽药等的使用具有重要意义。6展望
纳米材料与技术对于提高农业投入品生物利用率、实现农业生产节本增效和农业生产可持续发展、保护生态环境、提高农产品安全性等方面具有重要的意义。然而目前纳米材料与技术在农业上的应用仍处于初期阶段［50］，由于现阶段研究方向和材料的多样化，使得研究工作比较分散且不够深入。部分研究工作在理论研究方面仍然不够系统；还有一些研究仅在实验室阶段取得良好的效果，由于材料的成本、规模化生产设备等因素的限制，距离大规模田间应用或商业化还有一段距离。因此，加大科技投入，深入开展纳米材料与技术的农业应用机理研究工作，紧密结合农业生产实际，面向市场需求，探索合理的产学研模式，加速研究成果的产业化，是推进纳米农业技术研究的有效途径。
此外，纳米材料因其小尺寸效应、表面效应等特殊性质可能存在潜在的安全性问题。近些年来纳米材料在农业上应用的主要关注点有：①对环境的毒性［51］，即各种纳米农业投入品、环境改良修复材料等在生产制造、实际应用和废弃过程中，以各种途径进入环境后造成的生态效应；②在食品中的残留［52］，纳米农业投入品、纳米食品以及纳米食品包装材料的使用日益增多，部分纳米颗粒通过消化道摄入不可避免地进入人体，可能对人体造成的影响；③纳米材料的细胞毒性［53］，随着各种纳米农业投入品的使用以及纳米基因载体在动植物遗传育种上应用的增多，纳米材料与动植物细胞接触，并进入细胞内，对细胞、遗传性存在潜在的损伤和危害。目前，国际上对纳米材料的安全性评价标准尚未统一，文献报道中的评价方法与体系繁多，材料种类、大小及应用范围不同，其安全性也不能一概而论。因此，选择无毒、生物相容性高、可生物降解的纳米材料，研究其在不同环境中的使用剂量、理化性质、其穿越细胞壁和细胞膜的机制及其暴露风险等，不断完善安全性评价工作和使用规范，对于农业纳米技术的发展是非常必要的。
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1期孙长娇等：纳米材料与技术在农业上的应用研究进展
关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有
纳米材料的研究进展及其应用 姓名：李若木 学号：115104000462 学院：电光院
1、纳米材料 1.1纳米材料的概念 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。 1.2纳米材料的发展 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。
2、纳米材料：石墨烯 2.1石墨烯的概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。 另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
智能复合材料最新研究进展与发展趋势 1.绪论 智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴，通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。 在一般工程结构领域，智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性，来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域，智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域，智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果，航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物（FRP）与光纤光栅（OFBG）复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中，可以有效地检测混凝土的裂纹和强度，而且它可以根据需要加工成任意尺寸，十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状，同时展望了其应用前景。 2.形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymer）智能复合材料的研究 形状记忆聚合物（SMP）是通过对聚合物进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200％，是可变形飞行器
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
纳米技术是新世纪一项重要的技术，为多个行业带来了深远影响。纳米技术包含几个方面：纳米电子学，纳米生物学，纳米药物学，纳米动力学，以及纳米材料。其中，纳米材料主要集中在纳米功能性材料的生产，性能的检测。其独特性使它应用很广，那么，纳米材料用在哪方面呢 1、特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体（如SiC、WC、BC等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入%%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。 纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，获得烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。 2、生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也
碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法
纳米技术 1510700224 韦甜甜纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术，也称毫微技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。 利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 在我国，纳米技术早已融入到大众的生活了，包括很多涂料、纤维材料、燃料、高分子合成和纺织品加工处理技术等等。其实纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米技术内容 1、纳米材料 当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。 这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。 2、纳米动力学 主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.
纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单
元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基
“纳米材料”—开启微观世界之门 1.纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为：在1nm～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中，人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1～100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。 1981年格尔德?宾宁（Gerd Binnig）和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了Fe纳米粉。随后，美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特?富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使
2011年第4期甘肃石油和化工2011年12月 纳米材料研究进展 李彦菊1，高飞2 （1.河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050018； 2.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄050000） 摘要：纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。综述了纳米材料 的分类、特性以及应用领域。 关键词：纳米材料；功能材料；复合材料 1前言 纳米（nm）是一个极小的长度单位，1nm=10-9m。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100nm 这个范围空间，物质的性能就会发生突变，呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。纳米技术正是利用纳米粒子这些特性实现其在各行各业中的特殊应用［1，2］。纳米技术和纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识，纳米科学与技术被认为是21世纪的三大科技之一。目前世界各国都对纳米材料和纳米科技高度重视，纷纷在基础研究和应用研究领域对其进行前瞻性的部署，旨在占领战略制高点，提升未来10～20年在国际上的竞争地位。我国政府对纳米科技十分重视，先进的纳米产业正在蓬勃发展［3，4］。 2纳米材料的分类 以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1～100nm［5］。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言，纳米材料是指在3维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数［6］，纳米材料的基本单元可以分为3类：①0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； ③2维，指在3维空间中有1维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。按化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料［7，8］。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的［9，10］。 3纳米材料的特性［11，12］ 3.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面体 收稿日期：2011-07-05 作者简介：李彦菊（1981-），女，河北廊坊人，硕士，已发表论文10余篇，其中SCI2篇。主要从事纳米材料的研究工作。8
碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人
高等物理化学 学生姓名：聂荣健 学号：…………….. 学院：化工学院 专业：应用化学 指导教师：………….
金属氧化物纳米材料研究进展 应用化学专业聂荣健学号：……指导老师：…… 摘要:综述了近年来金属氧化物纳米材料水热合成方法的研究进展，简要阐述了金属氧化物纳米材料的应用，对其今后的研究发展方向进行了展望。 关键词: 纳米材料水热合成金属氧化物
Research progress of metal oxide nanomaterials Name Rongjian Nie Abstract: This article reviews the recent progress in hydrothermal synthesis of metal oxide nanomaterials. The application progress of metal oxide nanomaterials is briefly describrd．The future research directions are prospected. Keywords: nanomaterials; hydrothermal; metal oxides ;
引言 纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向，近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。作为纳米材料的一个方面，金属氧化物纳米材料在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色。 1.纳米材料简介 1.1 纳米材料概述 纳米是长度的度量单位，1纳米=10-9米，1纳米大约为10个氢原子并排起来的长度，仅仅相当于一根头发丝直径的0.1%。纳米材料则是在纳米量级（lnm-100nm)内调控物质结构所制成的具有特殊功能的新材料，其三维尺寸中至少有一维小于100nm，且性质不同于一般的块体材料。 纳米材料是指在三维尺度上至少存在一维处于纳米量级或者由它们作为基本单元所构成的材料，一般将纳米材料分为零维、一维以及二维纳米材料: (1)零维纳米材料，是指在空间三维尺度上都处于纳米量级的纳米材料，如纳米球，纳米颗粒等； (2)一维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有两维处于纳米量级，而第三维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米棒、纳米管、纳米线/丝等； (3)二维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有一维处于纳米量级，而其他两维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米片，纳米薄膜等。 1.2纳米粒子基本效应的研究 纳米粒子是尺寸为1-100nm的超细粒子。纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着粒径的减小而急剧增大，显示出强烈的体积效应(即小尺寸效应)、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。 1.2.1 量子尺寸效应[1] 当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明:金属纳米粒子所包含的原子数有限，能级间距发生分裂。当此能级间隔大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体有显著的不同。 1.2.2 体积效应[2] 由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子的尺寸与德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米粒子的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的体积效应。例如：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加；声子谱发生改变；强磁性纳米粒子(Fe-Co合金，氧化铁等)尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变[3]。 1.2.3 表面效应[4] 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧增大后引起的性质上改变。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，粒子的表面张力和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米粒子表面输运和构型的变化，也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。
纳米材料国内外研究进展 一、前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)[1]。自20世纪80年代初, 德国科学家 Gleiter[2]提出“纳米晶体材料”的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒)，一维材料(直径为纳米量级的纤维)，二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)[3]。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域。 二、国内外研究现状 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料, 同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议, 使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议, 标志着纳米科技的正式诞生；l994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。近年来，世界各国先后对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列人近期高科技开发项目。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元，2005年预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一[4]。 自70年代纳米颗粒材料问世以来，80年代中期在实验室合成了纳米块体材料, 至今已有 30多年的历史, 但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80年代中期以后。因此 ,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段[5]。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管
磁性纳米材料的研究进展 Progress of magnetic nanoparticles 李恒谦﹡贾雪珂李艳周康佳 （合肥工业大学，安徽宣城） （Hefei University of Technology, Xuancheng, Anhui, China) 摘要：纳米技术是近年来发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的科学领域。而磁性纳米材料因其优异的磁学性能，也逐渐发挥出越来越大的作用。随着科学工作者在制备、应用领域的拓展逐渐深入，也使得纳米材料的外形、尺寸的控制日趋完善。因此，磁性纳米材料在机械、电子、化学和生物学等领域有着广泛的应用前景。文章综述磁性纳米材料的制备方法、性能及其近年来在不同领域的应用状况。 关键词：磁性；纳米；制备；性能；应用 Abstract: Nanotechnology is developed in recent years as a kind of science with wide coverage and multidisciplinary. Magnetic nanoparticles also play an increasing role due to its excellent magnetic properties．As scientists research take them deeper along the aspects of synthesis and application．the control of shape and dimensions of magnetic nanoparticles has become more mature．Therefore, magnetic nanoparticles have wide application propects in machinery, electronics, chemistry, biology, etc. In this paper，the synthesis method is discussed, the character is mentioned and the application of magnetic nanoparticles is summarized． Keywords：magnetic；nanoparticles；synthesis；character; application 1.引言 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。 纳米表征技术是高新材料基础理论研究与实际应用交叉融合的技术。对我国高新材料产业的发展有着重要的推动作用，其在全国更广泛的推广应用，能加速我国高新材料研究的进程，为我国高新技术产业的发展作出更大的贡献。在纳米表征技术下，磁性纳米材料的应用日显勃勃生机。例如磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体。 磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域。在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响。并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。特别是能源，人类健康和环境保护等重大问题。下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。已出现可喜的苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点的基础。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 2.制备 在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性微粒的仅有少数几种，主要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4(M为Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕
纳米科学技术概述 一、历史背景 在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是“纳米材料”呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。而纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之──墨，墨中的重要成分是烟。实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。 1984年，一位德国科学家格莱特（Gleiter）把一些极其细微的肉眼看不见的金属粉末用一种特殊的方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异的金属性能和内部结构。他制出的这种材料的特殊性在于，一般的物理概念认为晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质是次要的，要尽力除去。格莱特把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质的主体，由微小颗粒压制成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组元占50％，在晶态组元中原子仍为
原来的有序排列，而在界面组元中，界面存在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特殊结构的物质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。 1987年，德国和美国同时报道制备成功二氧化钛纳米陶瓷（颗粒大小为12纳米），这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。例如，纳米陶瓷在180℃下能经受弯曲变形而不产生裂纹，纳米陶瓷零件即使开始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。1989年，美国商用机器公司（IBM）的科学家用80年代才发明的扫描隧道显微镜（STM）移动氙原子，用它们拼成IBM 三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子“两字。1990年，首届纳米科学技术大会在美国成功举行，标志着一个把微观基础理论与当代高科技紧密结合的新型学科 ──纳米科学技术正式诞生了。1991年，IBM的科学家制成了速度达每秒200亿次的氙原子开关。2019年，IBM设在苏黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盘”，这种“算盘”的算珠只有纳米级大小，由著名的“碳”巴基球C60制成。 二、发展现状 纳米技术的发展现状十分乐观，世界各国纷纷制定发展纳米科学技术的战略，纳米科技成为世界科技竞争的一个热点领