纳米粒子

物理化学特性

纳米粒子是指粒度在1—100nm之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。

简介

可以预见，纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的Gilibs压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列四个方面的效应。

1.体积效应

2.表面效应

3.量子尺寸效应

4.宏观量子隧道效应

制备纳米粒子的方法

超声自组装法——利用超声波的辅助，使物质之间相互作用形成纳米粒子。其特点是操作简便，但是实验条件较严格，所选原材料要具有两种基团（亲水基团和亲油基团）。

气相沉积法——利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点是产品纯度高，粒度分布窄。

沉淀法——把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点是简单易行，但纯度低，颗粒半径大。

水热合成法——高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。

溶胶凝胶法——金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制。

微乳液法——两互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的单分散和接口性好。

应用

纳米粒子表面活化中心多，这就提供了纳米粒子做催化剂的必要条件。目前，用纳米粒子进行催化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍；催化反应还表现出选择性，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5nm以下时选择性急剧变化，醛分解得到控制，生成酒精的选择性急剧上升。

在磁性材料方面有许多应用，例如：可以用纳米粒子作为永久磁体材料，磁记录材料和磁流体材料。

纳米粒子体积效应使得通常在高温烧结的材料如SiC、WC、BC等在纳米状态下在较低温度下可进行烧结，获得高密度的烧结体。另一方面，由于纳米粒子具有低温烧结、流动性大、烧结吸缩大的烧结特征，可作为烧结过程的活性剂使用，加速烧结过程降低烧结温度，缩短烧结时间。例如，普通钨丝粉须在3000℃的高温下烧结，而在掺入0.1～0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到1200至1311℃。

复相材料的烧结：复相材料由于不同的熔点及相变温度不同使得烧结较困难。纳米粒子的体积效应和表面效应，不仅使其熔点降低，相转变温度也降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能很好的复相材料。

高纯度纳米粉可作为精细陶瓷材料。它具有坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀的能力，并且有些陶瓷材料具有能量转换，信息传递功能。

可作为红外吸收材料，如Cr系合金纳米粒子对红外线有良好的吸收作用。

纳米材料在医学和生物工程也有许多应用。已成功开发了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物，称为“生物导弹”。即在磁性Fe3O4纳米微粒包敷的蛋白质表面携带药物，注射进入人体血管，通过磁场导航输送到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等所受由于药物产生的副作用。利用纳米传感器可获取各种生化反应的信息和电化学信息。还可以利用纳米粒子研制成纳米机器人，注入人身的血液，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能吞噬病毒，杀死癌细胞等，可以预言，随着制备纳米材料技术的发展和功能开发，会有越来越多的新型纳米材料在众多的高科技领域中得到广泛的应用。

磁性粒子

布法罗大学研究小组所开发的这种磁性纳米粒子大小只有6纳米，很容易在细胞间扩散。研究人员首先将纳米粒子固定在细胞膜上，然后利用高周波磁场对其加热，从而刺激细胞。鉴于这种方法可以比较大范围均匀地刺激细胞，科学家认为该方法今后可以在人体内应用。

研究人员目前已证明该方法可以打开钙离子通道，激活通过细胞培养的神经细胞，甚至可以操纵微小线虫的运动。当研究人员将磁性纳米粒子固定在线虫的口部，开始线虫只是爬来爬去。不过，当科学家将磁性纳米粒子加热至34摄氏度后，就能够控制线虫的前进和后退了。

该研究小组还发明了一种荧光探针，能够根据荧光强度的变化，来测量纳米粒子是否被加热到34摄氏度，这种荧光探针可以说是一个纳米温度计。

这项研究具有广泛的应用价值，比如在癌症治疗中，科学家可针对选定的蛋白质或特定组织进行远程操作，从而开发出新型癌症治疗方法。此外在糖尿病治疗方面，也可以远程刺激胰腺细胞释放胰岛素。该方法还可应用于某些因刺激不足导致的神经系统疾病。

科学家表示这种方法非常重要，由于该方法只会加热细胞膜，而细胞内的温度没有发生变化，因此不会导致细胞死亡。通过开发这种方法，科学家能够利用磁场在体外和体内刺激细胞，帮助理解细胞的信号网络，以及控制动物的行为。

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