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1.2碳纳米洋葱碳纳米洋葱是1992年Ugarte在显微镜中通过强电子束照射碳灰而发现的[9]。碳纳米洋葱的微观形貌为多层石墨构成的洋葱状颗粒，尺寸在纳米数量级。迄今为止，人们已经发展了多种制备碳纳米洋葱的方法，如电子束照射法、离子注入法、电弧放电法、碳烟灰的冲击波处理法及等离子体喷头上的碳沉积法等。电子束照射法是用具有一定能量的电子束照射含碳原料，使其汽化成碳原子和原子团，然后再重新结合、形成新的碳纳米材料的方法。一般情况下，电子束照射法制得的碳纳米洋葱呈球形，对称性好，形成的壳层在3~10层之间[8]。Sano等[9]采用水中电弧放电法，制得了碳纳米洋葱；表征结果表明，制得的碳纳米洋葱直径在4~36nm之间，石墨化程度不高，具有较大的表面积（984.3m2/g）。
1.3碳纳米笼碳纳米笼的结构和形貌多样，具有优异的理化性质。笼状结构的碳纳米颗粒之间存在空隙，很方便填充金属颗粒或其它分子，制备成具有特殊性质的纳米复合材料。由于范德华力的作用，碳纳米颗粒往往团聚严重，不易分散，使得其性质和应用研究受到限制。因此，制备分散性好、性质优异的碳纳米笼颗粒具有重要的意义。碳纳米笼的制备方法包括CVD法、超临界流体法、模板法、激光蒸发法及溶剂热法等。Li等[10]在超临界二氧化碳中，使用二甲苯为原料，在Co/Mo催化剂上沉积制得了碳纳米笼。表征结果表明，制得的碳纳米笼的表面积和孔体积的大小与反应温度和压力有关。在650~750℃之间制得的碳纳米笼直径在10~60nm之间；在650℃和10.34MPa的条件下，制得的碳纳米笼的孔体积为5.8cm3/g，表面积为1240m2/g。Wang等[11]使用乙醇和Fe（CO）5为原料，采用模板法，在600~900℃条件下，制得了碳纳米笼。研究结果表明，制得的碳纳米笼的直径在30~50nm之间，表面积在400~800m2/g之间；其可以分散在水中，几个月都不会团聚。
2应用
2.1催化剂载体碳元素以其特有的成键形式（sp、sp2和sp3）构成了形貌和结构多样的纳米颗粒材料，这类碳纳米材料独特的结构和奇异的物理化学性质赋予其广泛的用途。尤其是碳纳米笼颗粒，在众多的应用中作为催化剂载体而成为催化领域的研究热点之一。Yun等[12]将铂催化剂负载在中空碳纳米球颗粒上，并且催化烯烃加氢反应。结果表明，中空碳纳米球颗粒负载催化剂的催化效果要高于活性炭；考察了碳纳米颗粒的结构对负载铂催化剂催化环己烷脱氢反应性能的影响。杜建平等[13]采用爆炸辅助化学气相沉积法制得了石墨化程度不高，类似球形的碳纳米颗粒。考察了其负载钼催化剂含量对环己烷脱氢反应的催化性能。结果表明，钼含量对环己烷脱氢催化反应有较大影响。钼含量15%时，催化性能最佳。
2.2生物医药与其它维数的纳米材料相比，零维纳米材料除了尺寸小之外，更重要的是其具有较大的比表面积，这使得其表面活性也有所增大。碳纳米颗粒直径越小，处于表面的原子比例就越大，反应活性越高，其对生物组织、细胞伤害就越大；直径越大，其在生物体内的免疫性越强，容易遭到免疫系统的攻击，从而被器官捕获和降解。周兆熊等[14]采用高压均质方法，使用全氟碳纳米颗粒荷载药物地塞米松磷酸钠或醋酸地塞米松。研究结果表明，荷载地塞米松磷酸钠和醋酸地塞米松的全氟碳纳米颗粒直径分别为（224±6）和（236±9）nm。荷载地塞米松磷酸钠和醋酸地塞米松的包封率分别为（66.4±1.0）%和（95.3±1.3）%，首日溶出比率分别为77.2％和23.6％。与不用全氟碳纳米颗粒荷载相比，全氟碳纳米颗粒荷载顺磁性造影剂钆喷酸葡胺可增加信号强16％。因此，全氟碳纳米颗粒荷载药物具有较好的缓释性，能增加磁共振造影剂的信号强度，从而提高其检测灵敏性。
2.3磁性材料安玉良等[15]采用控温还原炭化过程，利用纤维素和硝酸铁为原料，制得了包裹金属的碳纳米颗粒。表征结果表明，该碳纳米颗粒直径分布在20~90nm之间；具有对电磁波的电损耗和磁损耗效应；电损耗角正切值在1.1~1.2之间，磁损耗角正切值在0.45~0.70之间；电损耗角正切值随着频率的增加而增加；这些结果表明碳包覆铁纳米颗粒可以作为较好的电磁材料。陈进等[16]采用电弧放电法制得了包裹铜粒子的碳纳米颗粒，考察了该碳纳米颗粒的导电性能。结果表明，该碳纳米颗粒具有核壳结构，内部为铜粒子核，外部为碳层且石墨化程度较高。该包裹铜粒子的碳纳米颗粒的导电性随着铜含量的增加而增加。当铜含量为80（wt）%时出现突跃。
2.4发光材料荧光碳纳米颗粒是一类较为理想的荧光标记和检测材料。因此，目前制备和研究荧光碳纳米颗粒成为一项受到广泛关注的课题。郭艳等[17]在恒定电压下，利用邻苯二甲酸氢钾、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸盐为电解液，采用电化学刻蚀石墨的方法，制得了带有荧光的碳纳米颗粒。与邻苯二甲酸氢钾和柠檬酸盐的电解液相比，同浓度的乙二胺四乙酸二钠为电解液制得的碳纳米颗粒的荧光最强。荧光强度随某种电解液浓度的减小而降低。研究表明，具有sp2结构的碳簇可能是碳纳米颗粒的发光中心。Bourlinos等[18]利用有机物碳化的方法制得了不具有晶体结构的，直径小于10nm的碳纳米颗粒，其可以发出多种可见光，得到了3%的荧光量子产率。
2微成形研究现状
微成形的工艺可以分为体积微成形和薄板微成形两种。体积微成形的加工工艺主要有微压缩、微锻造、微铸造等;薄板微成形工艺主要有微拉深、微弯曲、微冲裁等。随着微成形技术的发展，工件尺寸越来越微小，而在加工过程中，会由于工件尺寸的变小，得到的实验结果与宏观理论恰恰相反，许多宏观上得到应用的理论，不能简单地缩放就应用在微成形上［23—24］，对于微成形中的尺寸效应，需要得出全面的实验结论和微观可用的理论［25］。MichaelD．Uchic等人利用微压缩实验和模拟以位错为基础的变形过程进行了深入的研究［26］，清楚地证明了尺寸的变化对于材料性能的影响，如晶粒的受力变形或产生应变梯度等，并也发现了小尺寸样品会产生应变突变，这对于理解位错自由组合消耗能量具有新的理解意义，并可以推动尺寸变形理论的产生。美国的Mara等人利用微压缩测试Cu/Nb纳米层状复合材料的机械力学性能，其微柱的压缩形变在相对于圆柱轴和压缩方向的45°方向被观察到，剪切带也是显而易见地被发现，且出现了比较大的塑性变形和相对于压缩轴的旋转［27］。H．Justinger等人利用8mm到1mm直径的冲头对不同的晶粒尺寸和箔材的厚度比的材料进行了微拉深试验，观察到冲头的力出现了明显的变化，同时改变粗糙度会显著影响杯型的几何形状［28］。建立了一个不同数量晶粒的单位体积的立方体基本模型，可以在下一个微成形过程中估计单一晶粒的可能取向，并解释了不同影响条件在微拉深中压缩和拉伸过程的流变应力变化的原因。日本的K．Manabe等人成功地利用微拉深工艺将20μm厚的铝箔制造成直径为500μm的微杯，并对杯子的几何形状、厚度应变分布以及表面粗糙度进行了测定［29］。研究表明，降低表面粗糙度更有益于微拉深的成形，表面粗糙度的增大不仅影响表面质量，还对成形极限产生影响，材料表面的光滑和拉深冲头的光滑，仍然是研究的重点方向。中国台湾学者Cho-PeiJiang和Chang-ChengChen，利用V型弯曲测试系统研究了板材的晶粒尺寸效应与弯曲板材厚度之间的关系，平均晶粒尺寸为25～370μm，板材厚度为100～1000μm，T/D为1～30，结果表明当平均晶粒尺寸恒定时，屈服强度和最大冲压力随着T/D的减小而降低，而随着T/D的增大，回弹量变小;当板材厚度一定时，平均晶粒尺寸变化的回弹现象类似于宏观尺寸的板材V型弯曲试验结果［30］。
3实验研究与讨论
3．1电沉积过程影响因素研究
3．1．1电流密度变化Ni-Co/GO复合材料电沉积过程中，不同电流密度(1．1，1．4，1．7，2．0，2．3，2．6A/dm2)的常温拉伸工程应力-应变曲线图如图1所示，总体的变化趋势是随着电流密度的增大，应变出现先增大后减小的状态，应力在1．1A/dm2时较小，为721MPa，在2．0A/dm2时达到最大，为1260MPa，其余的电流密度对应的应力大小较接近，在870～930MPa之间变化。不同电流密度的高温拉伸真实应力-应变曲线图如图2所示，图中右上角的曲线图为不同电流密度与延伸率的关系图。随着电流密度的增大，延伸率出现先增大后减小的情况，在电流密度为2．0A/dm2时产生的延伸率最大，达到535．8%。较高的电流密度可以得到较高的过电势，产生较大的成核速率，形成较多的晶核数，从而使得晶粒细化，因此随着电流密度的提高，复合材料的晶粒尺寸减小，能够有效地提高材料的常温和高温拉伸性能。当电流密度过高时，在一个脉冲周期的导通时间内会快速沉积，因为受到电镀液中扩散速率的影响，导致达到下一个脉冲周期时阴极表面的金属离子较少，对沉积速率及沉积得到的复合材料的性能产生较大的影响。
3．1．2pH值变化图3是镀液中不同pH值制备的复合材料常温拉伸的工程应力-应变曲线图，pH值依次为2，3，4，5．5。在工程应力-应变曲线图中可以看到，随着pH值的增加，应力、应变随之增加，在pH值为2时应力最小，为773MPa，当pH值为5．5时，应力达到1260MPa。当pH值较低时，虽然能够提高阴极电流密度的范围，增大了沉积速率，但会导致阴极析氢增加，从而导致内部和外部出现气孔，降低复合材料的力学性能。而过高的pH值会使镀层的脆性增加，也不利于力学性能的提高。
3．2单向拉伸试验研究
3．2．1应变速率变化研究图4为常温条件下应变速率变化的工程应力应变曲线图。当应变速率为1．68×10－2和1．68×10－3时，应力约为630MPa，应变约为0．41;当应变速率为1．68×10－4时，应力和应变都出现明显增加，应力可以达到1245MPa，应变约为0．69;而当应变速率为1．68×10－5时，应力出现非常明显的减小，降到937MPa，应变变化较小，约为0．67。出现这个现象主要是因为，复合材料中由于存在一些空隙和位错，当应变速率较大时，位错来不及滑移，其他晶粒也来不及补充到空隙位置，导致在位错或空隙位置出现断裂，从而得不到较好的力学性能;随着应变速率变小，晶粒可以填充空隙位置，位错也出现滑移等，有效地增加复合材料的应力应变等力学性能;而当应变速率继续减小，填充的量增加，滑移也比较明显，出现了应变增大但应力增加较小的现象。
3．2．2复合材料的厚度变化研究图5是复合材料不同厚度的常温拉伸工程应力应变曲线图。从图中可以看出，随着复合材料的厚度的增加，材料应变随之增大，这主要是因为复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会一直存在晶粒被拉应力的作用，不会因为空隙导致突然断裂，从而导致应变增大。当复合材料较薄时，应力会稍小一些，这主要是因为试样薄，位错和间隙存在的情况下，会出现某部位突然断裂，从而影响材料的应力，而当复合材料厚度增加后，会因为存在较多晶粒，从而增加材料的应力。
3．2．3试样宽度变化研究图6是不同宽度试样的常温拉伸工程应力应变曲线图。由图6可以看出，随着试样宽度的增加，应变也随之增加。当试样宽度增加时，复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会存在有效的拉应力作用在不同的晶粒上，导致应变增大;同时不同的试样宽度，拉应力基本相同，这是因为虽然试样的宽度不同，但是作用在每个晶粒上的力基本相同，拉应力变化不大。
3．3微半球体高温气体胀形图7是电沉积液中GO不同加入量时的高温气体胀形得到的微半球体，图7a—c的GO的添加量依次为0．01，0．03，0．05g/L。所得到的高温胀形件的高度依次为2．5，2．7，3．0mm，模具的孔半径为2．5mm，因此，H/r依次为1，1．08，1．2。这与高温拉伸的数据符合，都实现了高温超塑性。图8为胀形件厚度分布图。微半球自底端至顶端，厚度逐渐变薄。厚向应变不均匀，这主要是胀形件在不同位置应力状态差异造成的。胀形件的顶端为等轴应力状态，而靠近底端的部分，由于模具夹持作用，限制了板材沿圆周方向变形，因此这个位置的应力状态为平面应变状态。由于局部应力的差异导致不同位置具有不一样的应变速率，最后造成零件不同位置厚度的差别。在顶端区域由于有较大的应变速率，造成了显著的变薄效应。图9为胀形件胀破断口的SEM图。断口的晶粒粒径比较均匀，为1～2μm，在图9中发现存在GO，且存在GO的位置的晶粒较其他部分的晶粒稍小一些，说明GO的加入可以提高材料的热稳定性，抑制金属晶粒在高温下的长大，但加入量比较少，对材料晶粒长大的抑制作用较小。在胀破断口很难寻找到GO的存在，是因为在高温下，GO出现了挥发，且由于GO的厚度比较小，在产生挥发后很难在SEM下发现。
1微乳反应器原理
在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。
W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。
（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。
（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。
（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。
2微乳反应器的形成及结构
和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。
2．1微乳液的形成机理
Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：
--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi
（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）
上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。2．2微乳液的结构
RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。
目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。
3微乳反应器的应用——纳米颗粒材料的制备
3．1纳米催化材料的制备
利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备
Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。
3．2无机化合物纳粒的制备
利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。
又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。
3．3聚合物纳粒的制备
利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt——正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。
3．4金属单质和合金的制备
利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n—heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。
3．5磁性氧化物颗粒的制备
利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。
3．6高温超导体的制备
1.在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
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合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。
第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为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和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，基保包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。
如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。著名诺贝尔奖金获得者，美国物理学家费曼曾预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子…，那将创造什么样的奇迹”。就像目前用STM操纵原子一样，人工地把纳米微粒整齐排列就是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。美国加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室的科学家在《自然》杂志上，指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见，纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向。
二、纳米材料研究的特点
1、纳米材料研究的内涵不断扩大
第一阶段主要集中在纳米颗粒（纳米晶、纳米相、纳米非晶等）以及由它们组成的薄膜与块体，到第三阶段纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料（包括凝胶和气凝胶），例如气凝胶孔隙率高于90％，孔径大小为纳米级，这就导致孔隙间的材料实际上是纳米尺度的微粒或丝，这种纳米结构为嵌镶、组装纳米微粒提供一个三维空间。纳米管的出现，丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米材料提供了新的机遇。
2．纳米材料的概念不断拓宽
1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构的材料的含意还包括纳米组装体系，该体系除了包含纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，因此，纳米结构材料内涵变得丰富多彩。
3．纳米材料的应用成为人们关注的热点
经过第一阶段和第二阶段研究，人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性，对传统工业和常规产品会产生重要的影响。日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产，据不完全统计，国际上已有20多个纳米材料公司经营粉体生产线，其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的制备技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。纳米材料及其相关的产品从1994年开始已陆续进入市场，所创造的经济效益以20％速度增长。
三、纳米材料的发展趋势
1．加强控制工程的研究
在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究，这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用，它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分，是有利的作用，还是不利的作用更难以判断，这不但给某一现象的解释带来困难，同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响，如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响，这都是控制工程研究亟待解决的问题。国际上近一两年来，纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面：一是纳米颗粒的表面改性，通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度；二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态（连续分布还是孤立分布）来控制量子尺寸效应和渗流效应；三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系（包括有序阵列和无序阵列）来获得所需要的特性。
2．近年来引人注目的几具新动向
（1）纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头。日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅，发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍：多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光；含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光，比多孔Si的最强红光还高出1倍多，250nm波长光激发出极强的蓝光。
2磁性纳米材料捕获致病菌的方式及其应用
磁性纳米材料通过生物学修饰，获得可以捕获食源性致病菌的能力，再利用外界磁场从而达到分离菌体目的。表2总结了近几年磁性纳米材料在分离不同食品基质中食源性致病菌的研究。磁性纳米材料表面使用的修饰物不同，捕获食源性致病菌的方式也不同。
2.1抗原-抗体
基于抗原抗体之间的特异性反应实现食源性致病菌捕获是最常用的方式，已被广泛应用于各种食源性致病菌的分离富集。食源性致病菌相应的抗体也是磁性纳米材料最常用的修饰物。将磁性纳米材料的表面包被相应抗体，利用抗体和细菌表面相应抗原间的特异性结合，将食源性致病菌和磁性纳米粒子连接，致病菌被“磁化”后，在外界磁场的作用下将目标菌从成份复杂的样品液中分离出来，便于后续检测。Varshney等通过生物素-链霉亲和素将抗大肠杆菌抗体包被到磁性纳米粒子的表面，用于捕获牛肉样本中大肠杆菌O157∶H7，捕获效率达94.5%。Yang等用相应抗体修饰氧化铁纳米粒子，结合实时定量聚合酶链式反应，检测牛奶样品中的单增李斯特菌，检测限达452CFU/mL。Ravindranath等分别制备了包被有抗大肠杆菌抗体和抗沙门氏菌抗体的功能化磁性纳米粒子，用于分离鸡尾酒和菠菜牛奶提取液中相应的食源性致病菌，结合红外光谱分析，检测限达104～105CFU/mL。Cheng等使用抗大肠杆菌O157∶H7抗体包被的磁性纳米粒子分离牛奶中的大肠杆菌O157∶H7，结合三磷酸腺苷生物发光分析，检测限达20CFU/mL。Wang等制备了两种特异性抗体共修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于同时分离菠菜中的沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，结合表面增强拉曼散射分析，检测限达103CFU/mL。
2.2黏附素（凝集素）-受体（糖类）
很多细菌会在其表面表达黏附素，它们能与宿主细胞表面相应受体结合，从而使细菌黏附在宿主细胞上。致病菌黏附宿主上皮细胞的机制与多种糖类有关。例如，大肠杆菌的表面可以表达产生多种黏附素，它们可以黏附宿主上皮细胞上的半乳糖、葡萄糖、果糖、岩藻糖、甘露糖和蔗糖等。利用黏附素与受体结合的性质，经凝集素或糖类修饰的磁性纳米粒子可特异性地结合相应的食源性致病菌。EI-Boubbou等用D-甘露糖修饰的磁性纳米粒子分离大肠杆菌，分离效率达88%以上。作者再结合X射线衍射、透射电镜、热重和红外光谱分析，在5min内即可完成检测，检测限达104个菌体/mL。Payne等用凝集素修饰的BioMag®粒子分离食品基质中的致病菌，结果显示，单增李斯特菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌最低分离起始浓度分别为大于等于10CFU/10g（卡蒙贝尔奶酪）、1CFU/10g（炖牛排）和小于10CFU/10g（生牛肉）。WangYixian等制备了基于凝集素的生物传感器，用于分离检测食品样品中的大肠杆菌O157∶H7，检测限达3×103CFU/mL。
2.3抗生素（万古霉素）
万古霉素是一种糖肽类抗生素，它可以与许多种革兰氏阳性菌形成紧密的连接，其机制是通过细胞壁上的端肽D-Ala-D-Ala的氢键与万古霉素联接。一般认为，由于革兰氏阴性菌外膜的存在，万古霉素不能接触到D-Ala-D-Ala端肽，因而不能识别革兰氏阴性菌。据报道，经万古霉素修饰过的磁性纳米粒子同样可以捕获革兰氏阴性菌，并由透射电子显微镜的照片猜想万古霉素与革兰氏阴性菌连接的机制为细菌外膜上存在缺陷区域，使部分D-Ala-D-Ala端肽暴露给万古霉素。Kell等随后验证了这一猜想。Gu等在FePt磁性纳米粒子表面修饰万古霉素（FePt-Van），从大肠杆菌菌液中分离出菌体后再用透射电镜观察，检测限达15CFU/mL。Kell等制备了万古霉素修饰的磁性纳米粒子用于同时分离水样中革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌，结果显示，不同的致病菌间捕获效率相差很大（7%～88%）。Wan等使用万古霉素修饰的磁性纳米粒子分离磷酸盐缓冲液中添加的海洋型硫还原型细菌（如，脱硫肠状菌属），结合生物传感器，检测限达1.8×104CFU/mL。Choi等在磁性氧化铁纳米粒子表面修饰万古霉素，并用其对临床样本中的细菌进行分离，实验结果发现，革兰氏阳性菌的捕获效率为（84.84±1.70）%，而革兰氏阴性菌的捕获效率为（48.48±1.79）%。Chen等用表面修饰有庆大霉素的磁性纳米粒子用于分离磷酸盐缓冲液中添加的金黄色葡萄球菌，最低分离的细菌浓度为0.5×103CFU/mL。
2.4DNA互补序列
任何细菌都有其特异性的基因片段，该基因片段的互补寡核苷酸片段可以识别样品中的该种细菌。将寡核苷酸片段修饰后的磁性纳米材料用于选择性的分离目标DNA或RNA，再结合PCR鉴定，不仅省去样品的预处理，灵敏度也比普通PCR提高近10倍。Amagliani等用与李斯特菌素O基因序列（hlyA）互补的寡核苷酸链修饰磁性氧化铁纳米粒子分离牛奶样品中的单增李斯特菌的DNA，结合PCR分析，检测限达10CFU/mL。笔者在2010年制备了分别针对单增李斯特菌和沙门氏菌的寡核苷酸修饰的磁性氧化铁纳米粒子用于分离鱼中单增李斯特菌和沙门氏菌的DNA，结果发现，单增李斯特菌和沙门氏菌的捕获效率分别为（62.5±10.0）%和（70.6±7.0）%。结合多重PCR分析，检测限达1CFU/g。XuHongxia等研究了不同食源性致病菌寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子在致病菌分离中的应用，实验结果发现，该磁性纳米粒子可以快速富集相应致病菌（如，大肠杆菌O157、沙门氏菌等）。笔者进一步研究了同时使用食源性致病菌多个基因的互补寡核苷酸修饰的磁性纳米粒子分离相应致病菌，结合传感器检测，检测限达6×102CFU/mL。
2.5螯合反应
脂多糖是革兰氏阴性菌外膜的重要组分，其中类脂A有大量的磷酸基团，用金属氧化物（氧化钛、氧化锆或氧化铝）包被磁性纳米粒子，通过金属氧化物与磷酸基团间的螯合反应，可与待测样品中革兰氏阴性菌形成复合物，在外界磁场的作用下可将食源性致病菌从成分复杂的待测液中非选择性分离出来，消除样品基质的干扰。Chen等在磁性氧化铁纳米粒子的表面包被二氧化钛，利用脂多糖和金属氧化物的螯合作用捕获尿样中的大肠杆菌、志贺氏菌和假单胞菌，磁分离富集菌体后经胰蛋白酶水解，再次磁分离除去磁性纳米粒子，最后用基质辅助激光解吸-电离质谱法鉴定蛋白序列，根据蛋白库中的信息确定细菌的种类。该方法是一种快速（耗时15min）、特异性强（可区分两株不同的大肠杆菌）、灵敏（检测限达104个细胞/mL）的分离检测方法。2010年，笔者使用表面修饰有二氧化钛的磁性氧化铁纳米粒子分离细菌混合液中的目标致病菌，随后分离到的致病菌在紫外灯照射下结合二氧化钛的灭菌作用，15min内可以抑制99.9%以上的目标菌的生长。
1.在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的
精细化工是一个巨大的领域，产品数量繁多，用途广泛，并且到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向，已提到日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
根据市场分析资料表明，商品化纳米颗粒大多是金属及金属氧化物［20］，因此关于金属及金属氧化物纳米颗粒对神经元细胞膜离子通道作用的研究也相对较多．例如Xu等研究了纳米氧化铜(Nano-CuO)颗粒对急性分离的海马神经元上两种电压门控钾离子通道电流(瞬时外向钾电流IA和延迟整流钾电流IK)的作用，发现Nano-CuO能够抑制IK(浓度依赖)，而对IA影响不大．并通过对两种通道的激活、失活以及恢复动力学特征的分析发现，Nano-CuO主要影响了IK的失活过程．这些结果提示Nano-CuO通过优先作用于延迟整流钾通道对海马神经元产生一定的毒性作用．该实验室进一步的研究结果发表于2011年，Liu等［23］发现Nano-CuO还能够抑制电压门控INa，延长动作电位的上升时间并探讨了Nano-CuO产生作用的信号通路机制，提出Nano-CuO是通过氧化应激途径对INa产生影响，而非G蛋白偶联的信号通路．与Nano-CuO对电压门控通道的抑制作用相反，Zhao等［24］发现纳米氧化锌(Nano-ZnO)对电压门控通道(包括钠通道、两种钾通道)以及动作电位则起到上调的作用．例如Nano-ZnO(10－4g/mL悬浮液)增加了INa的幅值，并改变了其失活和失活后恢复的动力学参数．同样，两种钾电流(IA和IK)的幅值也有所增加，但对其门控的动力学特征影响不大．最后通过对动作电位的记录发现，其发放频率增加，超射值增加以及半峰宽减少．因此认为，Nano-ZnO能够通过增加通道电流来增强海马神经元的兴奋性，并进一步导致细胞内外离子稳态的平衡，造成神经元生理功能异常．而后，Zhao等又发现Nano-ZnO能够增加海马神经元电压门控钙通道电流，从而引起胞内钙离子超载导致细胞毒性．他们认为Nano-ZnO对这些电压门控通道的作用会发生协同作用，进一步促使海马神经元兴奋性增加，对海马神经元产生去极化诱导的损伤，并最终增强了神经退行性过程，促使细胞凋亡．纳米银(Nano-Ag)也是一种应用广泛的金属纳米材料，应用于生物传感、广谱抗菌药、医用绷带、洗涤剂以及衣物中．Liu等［26］于2009年发表的工作中首次将Nano-Ag的神经毒性集中于对神经细胞电生理特性的影响，结果发现Nano-Ag(10－5g/mL)显著降低了海马神经元电压门控INa的幅值，并改变了其通道的激活和恢复过程．这也直接导致了Nano-Ag对动作电位特征的改变(例如峰值和阈电位降低，半峰宽增加等)．
在另一研究中，Liu等［27］同样观察了Nano-Ag对海马神经元上电压门控钾离子通道的作用，发现IA和IK的幅值都显著降低，IK的稳态激活曲线向超级化方向移动，而IA的失活和失活后恢复过程均被改变．这些结果都证明了Nano-Ag对中枢神经元上的离子通道产生了异常影响，引起神经元兴奋性发生异常变化，并最终干扰神经元行使正常的生理功能．但对于Nano-Ag如何改变离子电流的机制并没有阐明．除金属及金属氧化物纳米颗粒外，也有少数研究者观察了碳化物纳米颗粒对神经细胞上离子通道的作用．例如Chen等［28］观察了多壁碳纳米管(multiwalledcarbonnanotubes，MWCNTs)对海马神经元上电压门控离子通道及突触传递的影响，结果发现其能够通过抑制电压门控钾电流来增加神经元的兴奋性，并降低海马谷氨酸能的突触传递效能，进而使神经元发生损伤．同时Shan等［29-30］探讨纳米碳化钨(nano-tungstencar-bide，Nano-TC)对海马神经元电压门控通道的影响，发现10－7g/mL浓度的Nano-TC就能够显著抑制电压门控钾和钠通道电流，并改变动作电位的波形．除了电压门控离子通道电流，纳米材料对于某些特定的受体门控电流也会产生影响．例如Chin等［31］发现带负电荷纳米金(Nano-Au，1.4nm)和胆碱形成的复合物能够完全抑制PC12细胞上N型乙酰胆碱受体电流．这一特性使其能够作为一种有效的静脉应用在临床上，并且认为其机制是Nano-Au阻塞了通道并妨碍离子运动或者阻止通道构象发生改变．而Jung等［32］的研究认为Nano-Au除了对离子通道的直接作用外，还存在其他作用．他们观察了在胞内给予两种浓度Nano-Au颗粒时对小鼠海马CA1神经元电学特性的作用，结果发现Nano-Au能够增加神经元的兴奋性，即动作电位数目增加，其内在机制可能是通过增加细胞的输入电阻、降低阈值和发放时程以及减少后超极化电位的幅值来实现的．在进行较长时间的去极化刺激时，动作电位会进行持续的反复发放，在这种背景下，Nano-Au能够诱导动作电位发生阵发性的去极化发放．Jung等还发现，在病理条件下Nano-Au能够加重由低镁诱发的癫痫样活动．这些结果都提示，Nano-Au能够改变神经元的内在电生理特性，即增加其兴奋性，并且在病理条件下(如癫痫)会对神经元产生有害作用．
关于纳米材料对神经元膜上离子通道影响的研究简要总结见表1．从表1可以看出大脑中的海马区很可能是纳米颗粒的作用靶点，并成为中枢神经系统损害最严重的部分．纳米材料通过改变通道的激活、失活以及失活后恢复过程的动力学特征对离子通道主要产生抑制作用，但也有的纳米材料能够增加通道电流，其具体的机制并没有做详细阐述．关于它们之间的相互作用机制，早在2005年Ramachandran等发现QDs能够通过插入脂质双分子层作为带电区域而改变膜上电压门控电流的特征．最近dePlanque等［34］直接观察了一种纳米材料与神经元膜之间的作用，他们发现纳米二氧化硅(Nano-silica)在极低的浓度下(fmol/L级)就可以穿过细胞膜，并以浓度依赖的方式增加膜电流，且能够在一定程度上降解脂质双层膜的屏障功能．近年来，越来越多的生物学家将数学工具引入研究中，通过数据挖掘得到更多更深入的信息．2010年，Busse等利用微分进化(differentialevolution，DE)算法将记录到的Na电流进行拟合，用以研究Nano-Ag对肾上腺嗜铬细胞膜电流的影响．根据计算模型来评价神经元电生理性质变化的参数特征并得出结论，Nano-Ag主要通过降低钠通道的电导或者减少待开放的通道数量，即可以不通过阻塞通道就使电压感受器失活，从而改变通道的电压敏感性．由于不同的纳米材料具有不同的物理化学特征，因此它们与离子通道作用的机制可能也不尽相同，还需进行更深入具体的研究，也期待能够结合更多的技术手段．
2纳米材料对神经元电活动及突触传递的作用
细胞膜上的各种离子通道是决定神经元兴奋性的分子基础，而离子通道很有可能是许多纳米材料对神经元作用的靶点．神经系统的神经元膜上离子通道参与递质释放、激素分泌、信号转导、代谢调控及细胞生长等重要生理过程的调控，因此纳米材料对单个神经元的电活动及突触信息传递功能也会产生一定的作用．在急性实验中，Belyanskaya等［36］研究了不同团聚程度的单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs)对两种神经系统的原代培养细胞(鸡胚胎脊髓细胞和背根神经节细胞)的作用，结果发现SWCNTs悬浮液对这两种中枢和外周神经系统中的神经元都产生了毒性作用，并且与纳米材料的聚集程度有关．在电生理学实验中也发现，神经元的电学特性也有所改变，例如背根神经节细胞的静息电位变小、细胞膜电容降低、离子通道电导变小等，而动作电位半峰宽、阈值等变化不大．相反，SWCNTs对脊髓细胞的影响却很小，说明其对外周神经元的作用比对中枢神经元要更加明显．上述研究主要观察了纳米材料对单个神经元电生理特性的作用，而Liu等［37］则在离体层面探讨了Nano-Ag改变突触传递效能的机制．以海马脑片为研究对象，作者选取了三突触通路中的CA3-CA1谷氨酸能突触通路，记录了Nano-Ag(10－6g/mL，10－5g/mL和10－4g/mL)对CA1神经元上的自发兴奋性突触后电流(spontaneousexcitatorypostsynapticcurrents，sEP-SCs)和微小兴奋性突触后电流(miniatureexcitatorypostsynapticcurrents，mEPSCs)的影响，结果发现mEP-SCs的频率和幅值都显著降低，且具有浓度依赖性及可逆性;而sEPSCs的频率和幅值却显著增强，同时伴随自发动作电位发放频率的增加．这些结果说明Nano-Ag主要通过突触前(抑制递质的释放量)和突触后(降低谷氨酸受体效能)机制对CA3-CA1谷氨酸突触传递产生影响．而对sEPSCs的增强效果主要受到增强动作电位发放的影响．Liu等又进行了在体动物实验，将大鼠长期暴露于Nano-Ag后2周，记录海马的长时程增强(long-termpotentiation，LTP)，发现其场兴奋性突触后电位(fieldexcitatorypostsynapticpotentials，fEPSPs)被抑制，说明Nano-Ag损伤了海马区穿通纤维(perforantpath)到齿状回(dentategyrus)，即PP-DG通路的突触传递效能，损伤突触可塑性，并最终导致大鼠的空间记忆能力降低．同样，An等［39］也观察了Nano-CuO的亚慢性神经毒性，结果也证实了它能够降低海马突触传递效能，他们认为其机制是纳米材料通过扰乱神经系统的氧化-还原稳态从而改变了突触可塑性．这是由于在正常生理情况下，需氧细胞会产生少量的活性氧，可被机体的抗氧化防御系统所清除，维持正常的氧化-还原状态．
但由于纳米材料表面活性高，更易发生氧化还原反应，导致活性氧大量生成，使得机体内氧化系统和抗氧化系统平衡遭到破坏，发生氧化应激反应，进而引起生物体的氧化损伤．与之前的抑制结果不同，Han等［40］给予大鼠连续2周Nano-ZnO(4mg/kg，4mg/mL)后则发现Nano-ZnO处理组的突触传递效能异常增强，同时去增益现象不充分．Han等认为这种变化的不一致性是导致大鼠学习过程延长且重新学习能力下降的原因．更重要的是，纳米材料的神经毒性不仅体现在直接接触的动物上，而且在其子代身上也有反映．由于神经毒性可以轻易通过一些生理屏障，例如胎盘，因此在长期接触纳米材料动物的子代身上也有可能引起一定的毒性．Gao等［41］的研究证实了这一点，他们将纳米材料暴露于围产期大鼠(孕期和哺乳期各20天)来研究其子代突触可塑性的变化．结果发现，哺乳期和孕期纳米二氧化钛(Nano-TiO2)暴露后的子代大鼠突触传递效能降低，即损伤了短时程和长时程的突触可塑性．关于纳米材料影响突触传递效能的原因尚不明确，但已有多项研究表明，小鼠暴露于金属氧化物纳米颗粒后，中枢类胆碱能系统功能紊乱，一些单胺类神经递质如去甲肾上腺素和5-羟色胺及其代谢物含量显著升高，而乙酰胆碱、谷氨酸盐等含量显著下降，小鼠的空间定位能力受损［42-44］．因此影响神经递质系统的代谢可能是纳米材料改变突触传递效能的重要原因之一．然而，纳米材料对神经系统电生理特性的影响不仅仅体现在毒性作用上．例如在神经医学领域的研究证实功能化的碳纳米管(CNTs)可以作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持，且与机体组织有很好的相容性．CNTs可以作为生物支架，向细胞发出有序的生物学信号，促进神经元电信号的传导和神经纤维的生长，引导组织重建．Lovat等［45］于2005年报道以CNTs作为培养基质，能够大大提高体外培养海马神经元的神经发放频率及细胞之间的信息交流能力．实验首先比较了在是否存在CNTs基质的情况下细胞内电生理特性的区别，例如静息膜电位、输入阻抗、膜电容、动作电位的幅值、半峰宽等，但都没有发生显著变化．然后记录神经元的自发放电以及突触后电流(PSCs)，发现培养在CNTs基质上神经元的自发放电频率增加，说明其兴奋性提高;同时，表征神经元间信息交流的PSCs频率也增加(幅值不变)，并且这种增加主要体现在抑制性的突触传递中．作者认为，这种神经信号传递效能的增强是由于CNTs这种纳米材料自身的特殊性(例如高导电性)造成的，而不能归结于细胞与CNTs基质之间的相互作用．而后Fabbro等［46］又发现MWCNDTs基质(20～30nm)能够促进急性分离的未成熟大鼠脊髓神经元的生长发育，通过记录神经元的电生理特性，发现这些神经元的功能正趋向成熟．
在病理情况下，有些研究者认为纳米材料也能在一定程度上改善神经系统的电生理功能．例如Das等［47］发现纳米氧化铈(Nano-CeO2)能够促进成年大鼠损伤脊髓中的神经元存活，并使得受损神经元的电学特征恢复到正常神经元水平，例如产生正常的内外向电流和动作电位．同样Xie等［48］的实验对象则是抑郁症模型大鼠，结果是Nano-ZnO显著增强了抑郁症模型大鼠海马PP-DG区的LTP，提示其有可能对抑郁大鼠的认知功能起到一定的改善作用．作者提出Nano-ZnO对神经功能的影响具有双向效应，可能依赖于具体的生理病理状态，但其中的具体机制还有待探讨．另一项有意义的研究是针对外周神经元进行的．2009年，Viswaprakash等［49］探讨了初级嗅觉传导过程的机制，即气味分子在与嗅感觉神经元上相应的受体结合之后是如何进一步激活下游的G蛋白信号转导的．根据之前的研究，作者推测Zn离子在其中发挥作用，通过电生理学方法(嗅电图和全细胞膜片钳)检测了纳米锌(Nano-Zn)对大鼠的嗅上皮细胞的气味反应程度是否有影响．结果发现，极低浓度的Nano-Zn(fmol/L到nmol/L级)就能够显著地增强嗅上皮细胞的气味反应并且存在浓度依赖特征，但在单独存在的情况下并不能兴奋嗅神经元．而其他金属如铜、金或银的纳米材料却不会产生类似的效应．更有趣的是，同样浓度的游离Zn2+反而会降低嗅觉受体神经元对气味剂的反应．根据这些结论，作者提出Nano-Zn颗粒可以用于增强和维持初级嗅觉事件，并推测其作用的机制可能是Nano-Zn定位于鸟嘌呤核苷酸和受体蛋白之间并为他们之间的信号转导提供桥梁．总结以上文献可以发现，纳米材料对神经元电信号及信息传递功能的影响既有积极作用也有毒性作用，这种双向作用与特定纳米材料的物理化学特性、浓度、作用时间以及应用环境等条件都有很大关系．
3纳米材料对神经网络电活动的作用
关于纳米材料对某些神经网络电活动作用的研究开展很少，并且起步较晚．2010年，德国的Gramowski等［50］首次利用微电极阵列神经芯片研究了纳米材料对神经网络电活动的影响．他们在微电极阵列神经芯片上培养鼠皮层神经元，然后观察了神经元摄取纳米材料的情况和纳米颗粒及其团聚物在细胞表面附近的累积情况．如图1［50］所示，通过光栅扫描电子显微镜(rasterscanningelectronmicroscopy，REM)和透射电镜(transmissionelectronmicroscopy，TEM)观察到Nano-TiO2的累积情况．然后作者进一步检测了3种纳米材料:纳米炭黑(carbonblack，CB)、纳米氧化铁(Nano-Fe2O3)和Nano-TiO2对皮层神经元网络电活动的影响．结果发现，即使在较低的浓度下(1～10ng/cm2)，3种纳米材料都扰乱了神经网络的电活动(降低动作电位的发放频率和簇状发放频率)，其中，CB的效果最强，其次是Fe2O3和TiO2．同时CB的作用还具有双向性，在低浓度(1～100μg/cm2)时产生抑制电活动的效果，而在较高浓度(100～300μg/cm2)下则产生增强效果．该研究证明了较低浓度的纳米材料在较短的时间内即可通过干扰神经网络的电活动而产生神经毒性作用．而后Oszlanczi等［51］检测了纳米氧化锰(Nano-MnO2，23nm)对大鼠的亚慢性和慢性神经毒性，分别进行了行为学和电生理学实验来进行评价．行为学主要采用的是旷场(field，OF)实验来检测动物的自发运动行为，结果发现大鼠的运动能力随着Nano-MnO2暴露时间的延长(3周、6周、9周)而逐渐减弱．而在电生理实验中作者主要观察了Nano-MnO2暴露9周的大鼠，首先记录了初级感觉皮层的脑皮层电图(electrocorticogram，ECoG)，分析各频段的功率谱后得到ECoG指数用以评价皮层的活动，结果发现Nano-MnO2处理组的慢波能量降低而快波能量增加，即delta波能量降低而beta和gamma波显著增强．第二个电生理实验为通过刺激感觉皮层来记录诱发电位(evokedpotentials，EPs)，分析其潜伏期和时程．结果发现Nano-MnO2处理组的EPs潜伏期显著延长，而时程变化不明显，这意味着皮层的易疲劳性增加．第三个实验是记录了大鼠尾神经上的复合动作电位，进而分析神经的传导速率和不应期的长短，结果发现Nano-MnO2处理组尾神经的传导速率与对照组相比显著下降，而动作电位的绝对不应期则大大增加．这些结果从电生理的角度提示:Nano-MnO2能够改变中枢神经系统的功能．两年后，Takacs等［52］又重新设计实验再次确定了脑内Mn含量与皮层脑电活动变化的关系，并分析了这些变化对其行为学的影响．类似地，Papp等［53］又观察了另一种纳米材料，纳米CdO2(Nano-CdO2)对神经系统的慢毒性作用，结果发现与Nano-MnO2的作用相似，例如在3个不同的皮层区域自发皮层电活动都发生了显著的时间和剂量依赖改变，视觉和听觉皮层诱发电位的潜伏期延长等．这些结果提示:不同纳米材料对神经系统电信号的影响机制可能存在一定的共性．除了利用急性和慢性动物实验来观察纳米材料对神经网络电活动的作用，还有的学者利用计算机建立起神经网络模型，再根据实验结果进行拟合后做更详细分析．如2013年Busse等［54］再次运用计算机模型探讨了带有机涂层的Nano-Ag对神经环路的影响，通过将钠电流的数字模拟结果整合到一个已知的神经环路-丘脑皮层环路中来预测Nano-Ag对环路中所有神经元放电形式的影响．结果发现Nano-Ag对钠电流的抑制有可能在整个神经网络层面导致神经元放电的异常．
4总结与展望
11纳米级γ-MnO2
夏熙等利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γMnO2用作碱锰电池正极材料。发现纯度不佳,但与EMD以最佳配比混合,可大大提高第2电子当量的放电容量,也就是可出现混配效应。若制得的纳米γMnO2纯度高时,本身的放电容量即优于EMD。
12掺Bi改性纳米MnO2
夏熙等通过加入Bi2O3合成得到改性MnO2,采用纳米级和微米级改性掺BiMnO2混配的方法,放电容量都有不同程度的提高,并且存在一个最佳配比。通过掺Bi在充放电过程中形成一系列不同价态的BiMn复合物的共还原和共氧化,有效抑制Mn3O4的生成,可极大地改善电极的可充性。
13纳米级α-MnO2
采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米αMnO2,粒径小于50nm,其电化学活性较高,放电容量比常规粒径EMD更大,尤其适于重负荷放电,表现出良好的去极化性能,具有一定的开发和应用潜力。
14纳米级ZnO
碱锰电池中的电液要加入少量的ZnO,以抑制锌负极在电液中的自放电。ZnO在电液中的分散越均匀,越有利于控制自放电。纳米ZnO在我国已应用于医药等方面。由于碱锰电池朝着无汞化发展,采用纳米ZnO是可选择的方法之一。应用的关键是要注意纳米ZnO材料的表面改性问题。
15纳米级In2O3
In2O3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一,目前已开发并生产出无汞碱锰电池用高纯纳米In2O3,该材料具有比表面积大,分散性好,缓蚀效果更佳的特点,应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。
2在MH/Ni电池中的应用
21纳米级Ni(OH)2
周震等人用沉淀转化法制备了纳米级Ni(OH)2,并发现纳米级Ni(OH)2比微米级Ni(OH)2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小,充电效率高,活性物质利用更充分,而且显示出放电电位较高的特点。赵力等人用微乳液法制备纳米βNi(OH)2,粒径为40～70nm。该方法较易控制纳米颗粒粒径大小,并且所制得的纳米材料呈球型或椭球形,适用于某些对颗粒状有特殊要求的场合,如作为氢氧化镍电极的添加剂,按一定比例掺杂,可使Ni(OH)2的利用率显著提高,尤其当放电电流较大时,利用率可提高12%。22纳米晶贮氢合金
陈朝晖等利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶LaNi5[6],平均粒径约20nm,采用该材料制备的电极与粗晶LaNi5制备的电极相比,具有相当的放电容量,更好的活化特性,但其循环寿命较短。
3锂离子电池材料
31阴极材料———纳米LiCoO2
夏熙等用凝胶法制备的纳米LiCoO2,放电容量为103mAh/g,充电容量为109mAh/g,长平台在39V处,有明显提高放电平台的效果,循环稳定性也大为提高,但未见有混配效应。低热固相反应法合成纳米LiCoO2,发现了混配效应:以一定比例与常规LiCoO2进行混配,做成电池测试,充电容量可达132mAh/g,放电容量为125mAh/g,放电平台在39V,由于纳米颗粒增大了比表面积,令Li+更易嵌入和脱出,削弱了极化现象,循环性能比常规LiCoO2明显提高,显示出较好的性能。
32纳米阳极材料
中国科学院成都有机化学研究所“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作取得了阶段性成果。制得的碳纳米管层间距离为034nm,略大于石墨的层间距0335nm,这有利于Li+的嵌入和脱出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入,而且可防止因溶剂化Li+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。实验表明,用该材料作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性。中国科学院金属研究所等用有机物催化热解法制备出单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。他们的研究表明用纳米碳管作为电极,比容量可达到1100mAh/g,且循环性能稳定。香港科技大学用多孔的沸石晶体作载体,首次成功研制出尺寸最小,全球最细且排列规整的04nm单壁纳米碳管,继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。
4电容器材料
由可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统引起了人们的浓厚兴趣,特别是环保电动汽车研究的兴起,这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源,因而可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求,大大延长蓄电池循环使用寿命,从而提高电动汽车的实用性。近年来以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究和作为电极材料的应用,为更高性能的电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。清华大学用催化裂解丙烯和氢气混合气体制备碳纳米管原料,再采用添加粘结剂或高温热压的工艺手段制备碳纳米管固体电极,通过适当的表面处理,制得的碳纳米管电极具有极高的比表面积利用率。用纳米碳管和RuO2的复合电极制备双电层法拉第电容器,在纳米碳管比表面积为150m2/g时,电容量可达20F/g左右。清华大学已经制备出电容量达100F的实验室样品。在充分利用纳米材料的表面特性和中空结构上,纳米碳管是目前最理想的超级电容器材料。
5结束语
许多药物都有细胞毒性，在杀死病毒细胞的同时，也会对正常细胞造成损伤。因而，理想的药物载体不仅应有较好的生物相容性、较高的载药率，还应具有靶向性，即到达目标病灶部位才释放药物分子。无机纳米材料的大小和表面的电荷等理化性质决定了纳米材料的性能，研究这些可控特性可应用在生物医学领域中。例如，用多孔硅作为药物载体递送柔红霉素，治疗视网膜疾病持续时间从几天延长到3个月。通过调控将纳米粒子孔径从15nm变为95nm，使柔红霉素的释放率增大了63倍，从而调控药物的释放。用介孔二氧化硅纳米粒子运载化疗药物、探针分子向肿瘤细胞进行递送，可用于癌症等疾病的靶向性治疗和早期诊断。介孔二氧化硅在药物传输、靶向给药、基因转染、组织工程、细胞示踪、蛋白质固定与分离等方面有广泛的应用。碳纳米管及其衍生材料可开发用于电敏感的透皮药物释放，又可作药物载体进行持续性释放。比如，用超支化聚合物修饰碳纳米管，可以从复合物的羟基末端聚集活性基团，从而增强溶解性能，作为抗癌的药物载体，也可以用作药物缓释载体。用聚乙烯亚胺修饰多壁碳纳米管，分散性好，能降低对细胞的毒性，进一步结合在壳聚糖/甘油磷酸盐上，能增加凝胶的机械强度。同时，改变溶液的pH值、温度等来构建具有双缓释功能的温敏性凝胶，能减少凝胶的突释现象。纳米钻石（dND）装载化疗药物具有较低的毒性和较高的生物兼容性。将叶酸等靶向分子修饰纳米钻石表面，用于装载抗癌药物，以H2N-PEG-NH2作为桥梁分子，形成纳米靶向载药系统，对C6细胞具有靶向作用，为研制肿瘤靶向治疗提供了参考依据。为了避免被单核细胞、巨噬细胞系统等非特异性吸收，并让药物优先进入肿瘤细胞，用超支化缩水甘油（PG）修饰纳米钻石得到dND-PG，有较好的生物相容性，能避免被正常细胞的巨噬细胞非特异性摄取。加载抗癌药物阿霉素显示出对肿瘤细胞具有选择性的毒性作用，可作为肿瘤药物载体，对肿瘤细胞进行选择性给药。将药物分子插入LDHs的层间形成药物-LDHs的纳米杂化物，药物与LDHs层间的相互作用以及空间位阻效应能有效地控制药物释放，减少药物发生酶解作用。LDHs表面存在大量的羟基，便于进行表面功能化修饰，增强靶向性，避免被巨噬细胞吞噬而从人体内清除，提高药物的输送效率。LDHs适合装载不同类型的药物，将药物插入到LDHs的层间结构，药物以阴离子形式装载并被控释。通过共沉淀法在LDHs层间成功地嵌入维生素C，维生素C的阴离子垂直插于LDHs层间，热稳定性显著增强。通过离子交换反应来释放维生素C，延长释放时间。
1.2蛋白质载体
纳米材料在诊断、药物输送、生物功能材料、生物传感器等方面得到了迅猛的发展，出现了疾病治疗、诊断、造影成像等多种功能的组合。无机纳米材料在生物大分子药物的载体，包括运载蛋白质、多肽、DNA和siRNA等方面的研究较多。纳米多孔硅有较好的生物相容性、生物可降解性和可调控的纳米粒径，可作为药物输送系统。壳聚糖修饰多孔硅后可用于运载口服给药的胰岛素，改善胰岛素的跨细胞渗透，增加与肠道细胞黏液层的表面接触，提高细胞的摄入，可用于口服递送蛋白质和多肽。纳米羟基磷灰石与蛋白质分子有高亲和性，可用作蛋白质药物缓释载体，能提供钙离子，造成肿瘤细胞过度摄入，从而抑制肿瘤细胞活性，诱导肿瘤细胞凋亡。
1.3基因载体
基因治疗是遗传性疾病的临床治疗策略，主要依赖于发展多样性的载体。无机纳米材料用于基因疗法是利用无机粒子和可生物降解的多聚阳离子合成新型的纳米药物载体，如介孔二氧化硅作为基因载体可用于肿瘤治疗，促进体外siRNA的递送。乙醛修饰的胱氨酸具有自身荧光的特点，可对pH值和谷胱甘肽进行响应。通过荧光标记类树状大分子的二氧化硅纳米载体具有分级的孔隙，不仅毒性低、基因装载率高，转染率也较高。引发谷胱甘肽二硫键裂解，可促进质粒DNA（pDNA）释放，并能使用自发荧光来实时示踪。又如，通过π-π共轭、静电作用等非共价键作用力结合，能将DNA、RNA等生物大分子和化学药物固定在氧化石墨烯上。
1.4骨移植
临床上可用自体骨移植来治疗创伤、感染、肿瘤等造成的骨缺损，由于骨移植的来源有限，且手术时间长，易导致失血过多和供骨区并发症等，应用受到限制。将异体骨用作骨移植，则存在免疫排斥反应，且易被感染。而人工骨同自体骨有相近的疗效，人工骨材料可采用钛、生物陶瓷、纳米骨、3D模拟人工骨髓等纳米材料。例如，纳米二氧化硅可替代骨组织，促进人工植入材料与肌肉组织融合。纳米羟基磷灰石与人体内的无机成分相似，其粒子有小尺寸效应、量子效应及表面效应等，可用作牙种植体或作为骨骼材料，能避免产生排斥反应，促进血液循环，促进人体骨组织的修复、整合和骨缺损后的治愈。
1.5临床诊断和治疗
磁性氧化铁纳米粒子可作为造影剂用于肿瘤诊断中，对肿瘤分子产生磁共振分子影像或多模态肿瘤分子影像，也可用于循环肿瘤细胞的分离、富集。免疫磁分离法基于磁性杂化材料可导电，在外部磁场下积累，可用于临床热疗。磁热疗以磁流体形式进入肿瘤组织，利用肿瘤细胞与正常细胞之间不同的热敏感度，将外部磁场产生的磁能转化成热能从而杀死肿瘤细胞。磁性纳米粒子还可用于生物传感器中，利用磁现象和纳米粒子从液相中分离并捕获生物分子。用绿色荧光蛋白标记，形成温敏的磁性纳米固相生物传感器，用磁性材料制成固相生物传感器的支架，在磁场作用下，响应更快，表面易于更新，可用于免疫诊断。磁性纳米氧化铁作为临床应用的磁性纳米材料，受到人们的广泛关注。Fe3O4和γ-Fe2O3的特殊磁性质使其在靶向肿瘤药物载体、磁疗、热疗、核磁共振成像、生物分离等生物医学领域中得以应用。用无机纳米材料制作激发荧光探针进行临床诊断，如用介孔二氧化硅制成的细胞荧光成像探针利用量子点良好的光稳定性、较长的荧光寿命和较高的生物相容性，结合介孔二氧化硅可特异性地识别Ramos细胞的特点，并用激光共聚焦显微镜对Ramos细胞进行荧光成像，实现了对肿瘤细胞的早期诊断、检测成像。富勒烯特殊的结构和性质使其可以广泛地应用于光热治疗、辐射化疗、癌症治疗等医学领域，也可作为核磁共振成像的造影剂用于临床诊断。但富勒烯不溶于水，对生物体存在潜在的毒性，限制了其在临床的应用。富勒烯结合含羟基的亲水性分子可改善其溶解性，羟基化富勒烯无明显毒性，可作为抗氧化剂。聚羟基富勒烯利用近红外光激活体内的纳米材料，用光热对肿瘤细胞定位，避免了金纳米粒子、碳纳米管等在体内造成聚积，利用免疫刺激作用来抑制肿瘤细胞的转移、生长，从而减小肿瘤的尺寸，最终造成肿瘤细胞凋亡。因此，改造碳纳米结构，在成像、吸附、药物装载与靶向运输等生物医学工程方面有潜在的应用价值。银纳米粒子杀菌活性远高于银离子，在杀菌抑菌方面得到广泛的应用，可用于外科手术中的伤口愈合、药学、生命科学等生物和临床医学领域。金纳米粒子有较好的生物相容性，功能化的金纳米粒子可用于生物分析、药物检测、临床诊断等生物医药领域，可作为纳米探针检测重金属离子、三聚氰胺等小分子，也可检测DNA、蛋白质等生物大分子，还可以用于对细胞表面和细胞内部的多糖、核酸、多肽等的精确定位。镍纳米粒子固定在海藻酸水凝胶中，通过热敏感粒子与镍磁纳米粒子交联形成囊状结构，组成热磁双敏感的磁性纳米粒子。在交变磁场下缓慢释放水凝胶中的镍纳米粒子，通过远程调控来激发水凝胶中成纤维细胞的凋亡。无机纳米材料的类别不同，在尺寸、形貌上有很大的变动范围，因其核心材料的量子特性，已日益成为涉及临床诊断、成像和治疗的手段，为纳米材料在生物医学上的应用提供更多的可能。
2展望
纳米技术作为新时代的疾病治疗模式，为未来的临床用药提供了新的可能，在生物医学的应用上有很大的前景。目前，癌症治疗主要包括手术、放疗和化疗等手段，而药物剂量增多会造成副作用。纳米粒子可以作为靶向药物载体、成像造影剂、化疗、热疗、磁疗系统，可通过血脑屏障，在治疗神经系统疾病中有很大的潜力，有望成为攻克癌症的新手段。无机纳米材料在药物载体、临床诊断和治疗等方面有广阔的应用前景，但目前的研究大多处于实验阶段。无机纳米材料在生物医学应用中有待解决的问题包括：
（1）提高疾病治疗的针对性、靶向性和可调控性；
（2）使无机纳米材料相对固定在肿瘤细胞表面，不至于扩散到正常组织，从而提高肿瘤部位的有效浓度，减少毒副作用；
（3）纳米材料有潜在的毒性，可降低纳米材料的毒副作用以达到临床应用的标准；
（4）寻找优质材料，优化结构，提高材料的生物相容性、生物安全性，并针对不同的药物溶解性设计特定的载体和功能材料骨架，增加细胞的摄取和利用；
一、纳米涂料的应用
通常传统的涂料都存在悬浮稳定性差，耐老化、耐洗刷性差，光洁度不够等缺陷。而纳米涂料则能较好的解决这一问题，纳米涂料具有下述优越的性能:(1)具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用。(2)具有很好的防水性，抗异物粘附、沾污性能，抗碱、耐冲刷性。(3)具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。(4)纳米涂料的色泽鲜艳柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外观等。
虽然国内外对纳米涂料的研究还处在初步阶段，但是已在工程上得到了较广泛的应用，如北京纳美公司生产的纳米系列涂料已大量应用于北京建欣苑、建东苑等住宅区的外墙粉刷，效果良好。在首体改造工程中，使用纳米涂料1700吨，涂刷6万平方米。复旦大学教育部先进涂料工程研究中心的专家已研发出了“透明隔热玻璃涂料”。
二、纳米水泥的应用
普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题，纳米混凝土，与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2、纳米级CaCO3)或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能，而且通过改变纳米材料的掺量还能配置出防水砂浆等。目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥，纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。
纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的，该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。
纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。
纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。
纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多)，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。
三、纳米玻璃的应用
普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物，形成难以清洗的有机污垢，同时，水在玻璃上易形成水雾，影响可见度和反光度。而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃，则能有效的解决上述缺陷，同时TiO2光催化剂在阳光作用下，可以分解甲醛、氨气等有害气体。此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。
四、纳米技术在陶瓷材料中的应用
陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖)，但是陶瓷易发生脆性破坏，因而在使用过程中也受到了一定的限制。使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能，能够吸收一定量的外来能量。在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度，同时具有良好的抗烧蚀性，火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质，具有非常广阔的应用。
五、纳米技术在防护材料中的应用
通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化，研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题，纳米防水材料能够很好满足上述要求，北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景，如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。
六、纳米保温材料
随着我国推行节能减排的方针，工程界也越来越注重建筑的保温节能性能，我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料，这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质，如石棉与纤维制品含有致癌物质，聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体，而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端，如以无机硅酸盐为基料，经高温高压纳米功能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果，同时对人体也无损害，是一种绿色环保保温材料。
七、纳米技术在其粘合剂以及密封材料和剂方面的应用
对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件，它们对结构的密封性的要求非常高，已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2等添加剂，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。其工作机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有永久性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构的胶体流动，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米材料制成的剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生根好的作用，大大降低噪声，又能延长装备使用寿命，具有非常好的应用前景。
八、结语
纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向，相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代—纳米材料时代。
参考文献
[1]张立德.纳米材料[M].北京:化工出版社，2002.
[2]宋小杰.纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用[J].安徽化工，2008，(8):14-17.
