纳米分析技术

纳米分析技术（精选十篇）

纳米分析技术 篇1

随着我国城市化速度不断加快,对于建筑物的节能环保和安全性的要求越来越严格。尤其是现代建筑主要是以玻璃幕墙为主。因此对建筑物玻璃要求越来越严格,要求玻璃不仅要隔热保温同时还有更高的安全性能。这给具有安全、节能玻璃带来了巨大的市场和技术发展机遇,也对安全节能玻璃的性能和技术提出了更高的要求。

1 如何解决玻璃的安全和节能问题

安全玻璃有夹胶玻璃和钢化玻璃,但是钢化玻璃自身有一定几率自爆性。2013年4月28号发生在上海浦东银城中路时代金融中心48楼一块玻璃自爆,下起了玻璃雨,车子砸坏不少,所幸无人员伤亡。因此幕墙玻璃应采用夹胶玻璃替代钢化玻璃作为外片。

夹胶玻璃能满足安全性能,但是普通的夹胶玻璃远远不能解决遮阳、节能指标。

1.1 XIR 夹胶玻璃

伊士曼化工集团在1992年推出California Series*夹胶玻璃,即XIR夹胶玻璃,具有隔热和低反射性能。该产品具有以下几个特点: 1) 隔音;2) 可见光反射率低;3) 自重较轻;4) 安全性好;5) 屏蔽紫外线、红外线。但是XIR夹胶玻璃的价格太贵,建筑设计成本一般难以满足。

1.2 纳米安全节能夹胶玻璃原理及性能参数

纳米安全节能夹胶玻璃是利用纳米级的In O2和Sn O2合成涂料在PVB中间膜生产中加入制成。主要是通过成膜物质改性工艺、ITO原位聚合工艺、乳液聚合法基料树脂复配工艺和透明隔热复合涂料配方工艺等工艺技术相结合,采用ITO纳米浆料为主、各类透明树脂聚合物、混合溶剂和助剂等精心研制出。

在制备过 程中, 舍去传统的水热法以氧化锡锑(ATO)为纳米基料和浓盐酸混合的制备工艺,采用铟锡金属氧化物(ITO)为复合纳米浆料,通过ITO原位聚合工艺与醇类等助剂进行反应添加近红外介质。在成膜树脂基料的制备方面,采用微波辐射的成膜物质改性工艺,对透明类树脂(包含聚氨树脂、氟碳树脂、硅类树脂、无机醇溶透明树脂等)进行改性,制备出侧链含有硅烷基团的成膜物质乳液,并利用多种高分子醇类助剂将改性树脂乳液和经过聚合的ITO复合纳米浆料等材料,经过反复研究实践, 与PVB生产组合起来,获得最终成品。具有高透明、可见光反射率低、超强屏蔽紫外线、红外线的PVB。颗粒而且颗粒均匀分布, 使PVB具有很好的稳定性,并具有与玻璃很好的结合,即有很好的粘附力,这种纳米层最大的特点是对紫外光线、红外光线能够很好的阻隔作用,而可见光仍有很好的穿透能力,这样将紫外光线、红外光线的辐射能量有效地阻隔,使整个玻璃真正成为“安全节能玻璃”。另外此这种产品、不易氧化、不易退色、无毒无害, 不存在卷边、起泡脱落等现象, 也不会影响GPS信号等功能特点。表1和图1是使用该产品的几种夹胶玻璃的性能测试比较。

注:以上参数计算采用劳伦斯·贝尔 LBNL 实验室计算软件 Win6.3

因为CIRIS夹胶玻璃膜阻隔了大量红外线的进入从而使玻璃聚集一定的能量,这部分能量通过对流和辐射的形式传向室内、室外。室外空气流速远远大于室内空气流速,带走了大部分的热量。这种夹胶玻璃对太阳热辐射的遮蔽效果,将玻璃的高透光性与低Sc值,安全性和节能性巧妙地结合在一起,成功地解决了高透光与低Sc值的双重优势并存的难题,因此具有更好的节能效果,这是其它任何玻璃无法具备的优势。提高建筑整体品质的首选产品,是建筑节能玻璃的发展趋势。

2 纳米安全节能夹胶玻璃节能测试效果

2.1对上海某大酒店玻璃隔热节能改造,减少室内热负荷, 降低空调能耗。上海属北亚热带季风气候,四季分明,日照充分,春秋较短,冬夏较长,夏季直射太阳能所产生的热负荷为900W/ m2, 上海全年累计日照时间为16002000小时,按平均时间计算即为1800小时。

2.2样板房间数据测试

测试时间:2014年7月23日上午:10:30到12:30点 ; 下午:14:30到16:30点

当日天气:27-34℃ ,晴转多云,东南风。

测试方法: 用太阳能 测试仪对(更换CIRISIS节能玻璃) 和(没有更换CIRISIS节能玻璃)测试玻璃透过的能量值。测试数据见表2。

2.3纳米安全节能夹胶玻璃节能计算

以上海某酒店样板间为例 ( 窗户面积约为10m2), 节能计算见表3。

测试结果评价:

1) 安全性好:CIRIS夹胶玻璃是一种安全玻璃,其安全性优于普通夹胶玻璃。

2) 可见光反射率低:在任何异面设计(曲面、斜面等)的建筑上都能保持卓越的节能效果与均一的外观反射色,可见光反射率≤8%,减少光污染。

3) 屏蔽紫外线、红外线 : CIRIS夹胶玻璃可以屏蔽99.8% 的紫外线、97% 的红外线,有效阻隔紫外线对人体和植物的侵害并减少室内饰物褪色、塑料机壳老化等。

4) 遮阳系数 低: 在保证可 见光高透过的前提下,主要降低太阳直接辐射能量(遮阳系数Sc),达到节能的目的。

5) 保温隔热性能好:通过选择性地阻隔不同波段的光线,达到节能效果。

6) 隔音效果 好: 独特的CIRIS膜与不同厚度玻璃加工而成的CIRIS夹胶玻璃。

3 经济和社会效益分析

3.1 经济效益分析

窗户中通过玻璃的辐射热损失总量的50% 左右,使用纳米隔热的PVB夹胶玻璃后门窗遮阳效果得到显著提升。通过使用纳米隔热的PVB夹胶玻璃,可以使得原有窗户的遮阳系数从0.88降至0.54甚至更低。空调季5月-9月共152天,每天10小时共1520小时,夏季太阳逐时辐射强度在东、南、西面的平均值为421.73W/m2( 依据中国气象年鉴数据计算 ),则通过计算单位面积窗玻璃在夏季节能量为218 k W?h /年。以在上海地区推广面积为40万平方米进行计算,则每年夏季可节约8.7×107 k W?h,减少电费开支5220万元(0.6元 /k W·h计算)。

中国拥有世界上最大的建筑市场,全国建筑总面积已经超过460亿平方米,建筑能耗相对较高,到2020年将新增建筑面积280亿平方米,即今后每年建筑面积将达到28亿平方。如果窗户面积以窗地比1:6.5计算,按照每年全国竣工建筑面积28亿平方进行估算,近年来每年新建房屋所需窗户面积为4.31亿平方。我国还有数量极为巨大的既有建筑急需节能改造,以现有的全国既有建筑面积为基础,并假定窗户使用寿命25年,则每年需更换的窗户面积为2.83亿平方。可见,每年需要符合节能的窗户量达到7.14亿多平方。即使仅有5% 的住户采用节能玻璃改造,其面积也高达3670万平方。

3.2 社会效益分析

个人居所,尤其是高档住宅,越来越注重居住舒适性,因而会提出冬暖夏凉的小环境温度调节要求。公共建筑,越来越多采用玻璃幕墙,美化了建筑外观,但由此带来的太阳辐射透过较大,直接导致公共建筑用于空调、采暖方面的能耗消费增加,企业办公场所调节温度所需耗费,在能源费用日益高涨的今天,已经很大程度上增加了企业能耗成本。

为实现经济社会的可持续发展,国家将节能降耗定为基本国策,并列明节能指标。据统计,中国建筑中通过窗户散失的采暖和制冷热能,占到整个建筑耗能的45% 以上,占整个维护结构耗能的64% 以上(来源:亚太建设科技信息研究院),因此,窗户的保温和隔热性能的好坏极大地影响到建筑的采暖和空调能耗,因而窗户是建筑节能的关键部位产品。

目前,我国的建筑耗能情况一直没有得到有效改善,全国竣工面积中高能耗建筑仍占95% 以上,全国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7%,其中50% 用于供热和空调。这中间为了抵消通过门窗的传热而消耗的能量在供热或空调能耗中要占到40%,把这个能耗降30% 将是一个可观的数字。

4 结论

俄航天纳米技术发展现状分析论文 篇2

一、俄航天纳米技术领域的主导机构

根据2 0 0 7 年8 月2 日俄政府批准的“～发展俄联邦纳米工业基础设施”联邦专项计划的附件1第4项以及附件5第7项，俄联邦航天局确定俄航天纳米技术研究领域的主导机构为联邦国企“凯尔迪什研究中心”，同时该中心也是“用于航天技术设备的功能性纳米材料”方面的领头机构，以及“航天系统动力和供电”领域的纳米技术应用中心;而该应用中心作为俄政府选定的全俄十几家纳米工业“集体利用中心”之一，负有在相关联邦专项计划的实施范围内，为俄航天纳米工业领域的研制任务方以及其它行业的研制机构提供利用研究和技术设备的职能。纳米技术应用中心拥有优秀的专家人才，技术配备力量在俄罗斯处于领先地位，其主要研究领域包括：纳米合成材料、碳纳米管、纳米结构、涂覆面、航天动力以及度量衡计量等。

纳米技术应用中心于底成为凯尔迪什研究中心的独立分支机构，并得到联邦专项计划范围内的财政专项拨款，用于建设包括新建大楼、购置和开展高水平研究所需的现代化设备装置的基础设施。该中心拥有多套专业化仪器装置：纳米粉末制造装置、超声波分散剂量拌器、蒸发烘干机、熔模铸造模型装置CAM-L252TB、用于制品的烧结和热处理加工(可达2800℃)的综合装置、热模压装置、脉冲等离子烧结装置FCT-HPD 25等，具有通用性，能够实现金属、氧化物、碳化物、氰化物、混合物等各种材料的合成。其中的纳米粉末制造装置，能合成具有分散度和化学组成为10～80nm粒子的无机纳米粉末，可实现用粉末技术获取纳米陶瓷和纳米合成产品。这些装置既可用来进行科研试验设计工作，也可用于小批量工业生产。

二、俄航天领域“纳米主干线”项目

，俄罗斯发布了“为制造导弹航天设备的高可靠性和高质量的先进产品、研究建立纳米技术研制应用方面的科技储备”项目(简称“纳米主干线”)的竞标书。“纳米主干线”项目是为发展俄联邦2030年前航天能力而制定科研课题和提案的综合研究工作。合同的初始价格为5.833亿卢布，完成期限从国家合同的签订日的20底到底。凯尔迪什研究中心纳米技术部赢得了“纳米主干线”项目的竞标。为实施“ 纳米主干线” 项目， 凯尔迪什研究中心组织了30多个合作承包机构，其中航天领域的机构主要有复合材料公司、量子科研生产公司、进步火箭航天中心、动力机械制造科研生产公司、能源火箭航天公司等，此外，还包括一批俄罗斯科学院相关专业研究所和高校的研究机构，如俄罗斯科学院约非物理技术研究所、俄罗斯莫斯科国立航空航天大学、俄罗斯国立鲍曼科技大学。

三、发展现状

目前，虽未见俄航天纳米技术领域公开的专门研究项目或计划，但是从俄罗斯历年举行的国家级展览、论坛和科技大会以及俄罗斯公开发表的学术报告文集、汇编等出版物上，可以看到俄航天领域纳米技术的主要研究方向以及取得的部分成果。

11月，凯尔迪什研究中心在莫斯科召开第一届“全俄用于航天设备的功能性纳米材料”大会。由凯尔迪什研究中心、研究纳米技术的俄高等院校与俄科学院的相关科研院所、俄航天领域的科研企业与机构、俄罗斯纳米国家集团和俄国防工业综合体其它行业的相关企业与机构的专家学者参会。会议就“纳米合成材料”、“提高航天器效能的纳米材料”、“纳米材料的电磁特性”和“研究纳米材料先进的方法和工艺技术”等专题进行了学术成果交流汇报，并确定了今后在火箭航天领域纳米技术的主要发展方向——航天器小型化、提高制造航天装备材料的强度、通过应用耐高温和侵蚀性介质的纳米涂层降低工作的故障率、提高火箭发动机的可靠性、生产高效的光学元器件等。

会议在用于航天装备的碳-聚合纳米复合材料方面，交流了碳纳米管的结构和其主要的力学、热物理、电学特性及其获取和使用方法，以及工作在极端条件下的航天器对材料和涂层的基本要求;介绍了目前对复合材料特性已取得的研究成果。凯尔迪什中心纳米技术部门展出了曾在莫斯科举办的第二届国际纳米技术大会上获奖的活动成果——利用等离子集束工艺喷涂的热防护涂层和耐磨涂层。这种工艺方法能够制造可广泛应用的多层纳米结构植入涂层。例如，应用在发动机燃烧室侧壁的热防护涂层中，能够提高火箭发动机推力(放弃以锆氧化层在燃烧室作为腔壁冷却幕的方法)，或者提高100～200kg的入轨有效载荷质量，由此能节约1500～3000万卢布的发射费用。凯尔迪什研究中心还展示了用纳米技术复合材料(碳-碳、碳-陶瓷)制成的非冷却喷管，用在液体火箭发动机上能够将比冲提高3%～5%，将有效载荷入轨成本降低15%～20%;并介绍了使用导热能力非常低或者非常高的材料可以实现具有特殊性能的纳米复合材料的技术应用。在纳米粉末及其在特殊陶瓷中的应用问题方面，与会专家着重介绍了用溶胶凝胶体(凝胶技术)方法获取新的纳米材料所取得的成就，以及通过使用纳米陶瓷提高现代火箭发动机的性能。俄罗斯科学院西伯利亚分院强度物理和材料学研究所的专家们，在理论计算的基础上研制出了提高耐裂化性的多层纳米涂层制造工艺，并介绍了使用多层涂层技术的热防护涂层能够预防火箭部件或者飞机发动机裂化的效果。

6月莫斯科举行了“全俄青年科技创造成果展”，月和月莫斯科举办了第三届和第四届“国际纳米技术论坛”(RUSNANOTECH)，俄罗斯举办了“航空航天创新大会”，俄航天领域举行了数次纳米研究专题汇报和成果交流会。从以上活动的研究成果汇编中可以看出，目前俄罗斯航天纳米技术研究的主要方向为：材料特性研究、功能性研究、制造方法和技术研究。而且，俄罗斯航天在纳米技术领域的研究深入、应用广泛、成果丰硕。历次研究专题汇报和成果交流会研究汇编的部分目录按大致三个方向分类列出：

⑴复合纳米材料和结构(材料特性研究)碳纳米材料的特性和应用、功能性覆层和结构纳米复合材料、含纳米微粒的新型复合结构材料——碳纳米管、用于高温陶瓷纤维复合材料——纳米结构的多层界面、纳米粉末及其在特殊陶瓷工艺上的应用、多组分不锈钢薄膜的其它功能特性(温度稳定性和耐热性)、纳米结构薄膜和涂层在航天设备上的先进新功能、碳纳米管的清洁和排除特性、纳米铝氧化过程的调动、纳米结构的合金、纳米结构的多层界面、具有形状记忆功能的纳米结构TiNi-TiCu合金系统、光敏纳米复合材料、基于镓的弥散-硬化纳米复合材料焊料、作为有前景的航天器材料的碳聚合纳米合成物、纳米粉末及其在特殊陶瓷工艺中的应用。

⑵提高航天器效能的`纳米材料(功能性研究)基于碳纳米管的感应控制设备、纳米结构在热核反应堆中的问题、防热防腐蚀和可调节航天器结构件表面温度的涂层、用于降低有效载荷结构件入轨质量的轻质高强度材料、用于航天器的碳纳米管、在高温加热器上应用纳米材料、作为航天设备先进材料的碳聚合纳米复合材料、航天应用的功能涂覆层和结构纳米复合材料、液体燃料发动机燃烧室侧壁纳米材料与燃料燃烧产物相互作用的物理化学过程、纳米铝氧化过程的调用、新型先进功能性纳米结构薄膜和敷层及其机械和摩擦性能的获取和考核、用等离子喷雾粉末喷涂热防护纳米结构涂层的方法、纳米技术在航天员生命保障系统的未来应用。

⑶制造纳米材料的先进方法和工艺技术(制造方法和技术研究)为航天设备获取纳米材料的激光技术、利用激光技术制造基于复合纳米材料的复杂形状航天设备零件、获取纳米材料的气动力学和等离子技术方法以及研究其激光特性;薄膜厚度和其光学常数的光学测量方法、中等能量的散射光谱测量法运用在纳米电子和闪烁镜中的超细薄结构分析;纳米粉末的获取和航天应用、等离子纳米粉末冶金的物理化学和工艺技术;用高温分解的气相沉淀法在硅基片表面上合成碳纳米管、为获取各种形状的碳纳米管应用磁控管喷涂方法、碳纳米系统合成的单相法、垂直定向的纳米管的制造方法、带有纳米管的探测传感器获取技术。

四、航天领域纳米技术应用前景

纳米技术找寻 篇3

纳米是一个长度单位，1纳米=10－9米。纳米技术是在01纳米～100纳米的尺度空间内研究电子、原子、分子的内在运行规律和特性的崭新技术。它的涵盖面十分广泛，包括纳米电子技术、纳米材料技术、纳米机械制造技术、纳米显微技术以及纳米物理学和纳米生物学等不同学科和领域。

纳米技术是世纪之交异军突起的新兴技术，它的出现，标志着人类在改造自然方面进入了一个新的层次，即从微米层次深入到原于、分子级的纳米层次，使人类最终能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制。专家们认为，正像产业革命、抗生素、核能和微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米技术将创造人们想像不到的推动新世纪前进的奇迹。纳米技术的发展不但会开创一个科学技术的新时代，还将会对社会各领域引发重大变革。有人甚至断言，人类迎来的21世纪将是“纳米时代”。

纳米技术一出现，许多国家将其列为“关键技术”范围，投入巨资进行研究开发。纳米技术的研究与开发时间虽然很短，但已取得了令人瞩目的成果，向世人展示了其诱人的发展前景。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地，日本和西欧1997年在这个领域的支出超过了美国。日本、德国、英国、瑞典、瑞士和欧盟都在具体的纳米技术领域创造了中心优势，日本在纳米设备和强化纳米结构领域具有优势，欧洲在分散、涂层和新仪器应用方面处于领先地位。美国目前虽在合成、化学品和生物方面处于领先地位，但是在纳米装置、纳米设备的生产、极精确工程、陶瓷和其他结构材料方面落后于其他国家。

纳米科技发展简史

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年，科学家唐尼古奇最早使用“纳米技术”一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示出一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的1/6，强度却是钢的l0倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字和1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。l997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量。此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

美国纳米技术的开发情况

美国科学家正试图利用精确控制形状和成分的纳米“砖块”合成出自然界中没有的材料，然后可以把这些材料组装成更轻更强的较大结构，这种结构还可能具有可设计性。美国国家科学和技术委员会发布的一份研究报告描述了这些预计会出现的特种新奇材料的特性。这些材料将具有多种功能，并能够感知环境变化以及做出相应的反应。研究人员预计，还会出现强度是钢铁的10倍的材料、重量只有纸张的1／10的材料、具有顺磁性或者超导电性的材料、透明材料和具有更高熔点的材料。把纳米技术用于存储器，可使整个国会图书馆的信息放入一个只有糖块大小的装置中。

西北大学开发的一种比色传感器，已经成功地探测出发疽和结核杆菌。科学家把探测对象的DNA附加在纳米大小的黄金微粒上，当互补的微粒在溶液中存在时，黄金微粒会紧紧地结合在一起，改变悬浮液的颜色。这种传感器更加简单，且成本只是现有技术的1／10。

美国半导体工业协会制定了一个处理器、传感器、存储器和传输设备的开发路线图，但是这个路线图只延伸到了2010年，并且只达到了大小为100纳米的结构，这比全部是纳米结构的装置要大。这个协会说，科学发现发展成商业上可行的技术需要时间。该协会预计，纳米技术还要再过10年～15年才能成熟。这个估计部分是基于磁阻效应从发现到产品上市所需的时间。1988年，科学家在经过特殊处理的纳米厚的有磁与无磁薄层中发现了巨大的磁阻效应。到1991年，IBM公司展示了简便制造小型样品的能力，到1997年12月就生产出了替代计算机磁头的商业产品。

美国康奈尔大学的一个科研小组最近制成了400架“纳米直升机”，现在正在实验室中对其进行性能实验。这是纳米技术的一个新成果。这些“纳米直升机”之所以被称为“纳米直升机”，是因为它有一个用金属镍制成的螺旋桨，并且利用它的生物分子部件将人体内产生的一种名叫ATP的物质转换成能量，利用这个能量它们可以在人的细胞内“飞翔”和着陆。科学家希望它们能帮助医生清除细胞的缺陷和释放药物。该生物分子部件坐落在一个也是由金属镍制成的柱体上。在实验中发现，该螺旋桨每秒钟可以转8周，而且，令人惊讶的是，只要将上述的镍螺旋桨、生物分子部件和镍柱体等3个部件放在一起，它们就可以在由ATP转换成的能量驱动下自行组装成“纳米直升机”。不过，科学家目前只是在实验室中对其进行性能实验，而且在400架“纳米直升机”中，目前只有五架工作正常。但是参与研制的科学家指出，他们的实验结果已经显示，在人体生物能量的驱动之下，这种三件式的“纳米直升机”能自行组装、维护和修理，这已经是一个大突破了。

尽管美国在纳米研究和开发上仍处于世界领先水平，但是美国的优势最近几年却在下降。1950年，美国的国内生产总值占发达国家总和的40％，开展的研究开发是世界其他国家总和的2倍～3倍。到1997年，美国的国内生产总值只占全世界国内生产总值的27％，开展的研究开发只占世界的40％。美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府将纳米科技基础研究方面的投资从l997年的116亿美元增加到2001年的497亿美元。

中国纳米科技成就卓越

近年来，中国科学家在纳米科技领域屡创佳绩，世界权威科学刊物或者相关国际会议上，中国人频频在纳米领域“露脸”，让世界为之瞩目。1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。l998年，清华大学范守善小组成功地制造出直径为3纳米～50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使中国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。1998年，美国《科学》杂志上刊登了中国科学家的论文。中国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金——从四氯化碳制成金刚石。”近年来，中国科学院物理研究所的解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。l999年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。l999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使中国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。不久前，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能——超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破”，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的。

我国纳米压印光刻技术专利态势分析 篇4

关键词：纳米压印光刻,专利,统计分析

光刻是集成电路(Integrated Circuit,IC)制造中最关键的技术之一,它是整个IC制造中最重要的经济影响因子,光刻成本 几乎占据IC制造成本的三分之一[1]。光刻技术也是推动IC电路按照摩尔定律不断更新换代的引擎,对IC产业的高速发展起到了极为关键的支持作用,这是因为每个新一代IC电路的出现,总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。如果没有光刻技术的进步,IC电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。

随着电路集成度的不断提高,传统光学光刻技术由于受曝光波长衍射极限的物理限制,其技术复杂性和设备制造成本大幅增加。为了进一步提高光刻分辨率,已经提出了下一代光刻技术,包括极紫外光刻、电子束光刻、X射线光刻、离子束光刻和纳米压印光刻(Nanoimprint lithography,NIL)等[2],其中纳米压印光刻由于在技术和成本上的巨大优势而受到IC业界的重点关注,目前,纳米压印光刻技术作为22nm、16nm和11nm节点的IC制造技术已被列入国际半导体技术路线图(ITRS,2009),世界各国亦投入大量资源进行技术开发和专利申请工作。鉴于此,本文旨在通过对涉及纳米压印光刻技术的中国专利申请进行统计分析,结合主要申请人的专利技术和我国相关研发及产业情况,揭示了纳米压印光刻技术的分布格局和发展态势,并就国内外专利申请的技术分布进行了比较,从而为我国IC产业实现具有自主知识产权的纳米压印光刻技术和制定有效的专利战略提供策略和参考。

1 纳米压印光刻技术简介

1.1 技术概述

纳米压印光刻是由美国普林斯顿大学Stephen Y Chou教授在1995年首先提出的一种全新的纳米图形复制方法[3],它采用传统的机械模具微复型原理来代替包含光学、化学及光化学反应机理的传统复杂光学光刻,避免了对特殊曝光束源、高精度聚集系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光半波长效应的限制和要求,克服了光学曝光中由于衍射现象引起的分辨率极限等问题,显示了高分辨率、高产量、低成本等适合工业化生产的独特优点。

纳米压印光刻工艺过程分为三步:①模板的制作与处理;②压印;③脱模。为了在半导体晶片上获得小到几纳米的均匀结构图案,每一个过程的控制都非常关键,这就涉及到模板制备、压印胶、高精度压印过程控制(缺陷控制、对准套刻)、三维结构压印以及精确蚀刻等一系列核心技术[4]。

1.2 产业化概况

纳米压印光刻技术在IC产业的应用主要依赖于纳米压印光刻设备的制造和完善。目前,全球有五家商业公司可提供纳米压印机,包括美国的Molecular Inprints Inc.和Nanonex Corp.、奥地利的EV Group、瑞典的Obducat和德国的Suss Micro Tec.[4],见表1,其中,EV Group公司组建了一个称为“NILcom”的联盟,这个联盟拥有来自企业、大学和研究院的12个成员,致力于纳米压印光刻技术的商业化。国内从2001年开始出现纳米压印光刻技术的研究机构,如西安交通大学、上海交通大学、华中科技大学、中国科学院光电所以及上海市纳米科技与产业发展促进中心(上海纳米中心)等也取得了很多成果,但尚未出现商业化产品。

2 纳米压印光刻技术在中国专利申请状况

2.1 数据来源

利用中国专利检索系统文摘数据库(CPRSABS)以关键词+分类号相结合进行检索,其中关键词选用纳米压印光刻技术领域常用的关键词,分类号选取国际专利分类(IPC)下的G03F7(图纹面,例如,印刷表面的照相制版如光刻工艺;图纹面照相制版用的材料,如:含光致抗蚀剂的材料;图纹面照相制版的专用设备)和H01L21(专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备),共获得435篇涉及纳米压印光刻技术的中国专利申请,由于纳米压印光刻技术是在1995年被首次提出的,因此这些专利申请均在1995年以后出现。本文数据为截至2012年12月31日已公开的有关纳米压印光刻技术的中国专利申请(包括发明和实用新型专利申请)数据。

2.2 纳米压印光刻专利技术相关数据及分析

2.2.1 专利申请的年代分布

图1为1995-2012年有关纳米压印光刻技术的中国专利申请量分布图,其中分别列出了国内申请、国外申请以及总申请量随申请年代的变化图。

从图1可以看出,纳米压印光刻技术中国专利申请总量发展趋势大致可以分为四个阶段:第一阶段,即1995—2002年,该时间段属于缓慢发展期,仅有零星的少量申请;第二阶段,即2003—2007年,申请量开始迅速增加,表明该时期处于活跃的快速增长期;第三阶段,2008—2010年,申请量小幅回落后呈窄幅波动态势,表明该时期为阶段性调整期;第四阶段,2011—2012年,申请量在略增后呈快速回落状态。

经分析,之所以呈现上述发展趋势是因为2003年以前纳米压印光刻技术的研究还处于起步阶段,当时国内在该领域的研发工作尚未成规模,只有极少数国外公司在我国申请专利;在2003—2007年之间,国内相关的企业、高校和科研院所逐渐认识到纳米压印光刻技术的独特技术优势和广阔应用前景,开始大量投入到研发工作中来,专利申请量迅速增加,与此同时,国外申请人也加快了专利布局步伐,申请量增加明显;2008—2010年,国内申请量处于高位窄幅波动状态,基本维持在30件/年的水平,国外申请量则历经大幅回落后缓慢回升的过程,考虑其原因可能是2008年爆发了全球性的金融危机,国内外企业受此影响专利布局步伐明显放缓;2011—2012年国外申请量大幅下滑,主要是由于大量的申请还未公开所致,而2011年的国内申请量仍有增加,究其原因应该是由于国内申请人在提交专利申请文件时倾向于同时提交“提前公开请求书”而使得一定数量的发明专利申请被提前公开所致。考虑到2011—2012年的数据存在一定的滞后性,以及2011年的国内申请量仍有增加,因此可以合理预见的是:随着新技术的发展和应用范围的扩大,纳米压印光刻技术的专利申请量还会呈现持续增加的态势。

2.2.2 专利申请的国别分布

图2为1995—2012年有关纳米压印光刻技术的中国专利申请的国别分布图,其中共涉及的国家有12个。

由图2可以看出,中国的专利申请量以233件位居第一位,日本以72件紧随其后,美国(53)、韩国(29)、荷兰(24)和瑞典(12)依次位居第三至六位,上述六国的申请总量占据全部申请量的97%。由于本土优势的存在,国内申请在数量上占据绝对优势;美、日、韩作为IC产业发达国家,一向注重高新技术的研发和全球专利布局工作,这从申请量上可见一斑;荷兰和瑞典在纳米压印光刻领域的研发工作处于世界领先水平,它们则采取了一种进攻型的专利战略,即依托自己的优势技术积极主动的开发新产品、新工艺,并及时向主要国际市场所属的国家申请专利获取法律保护,以期在未来的市场竞争中抢占先机。

此外,国内外申请的形式和途径也各具特点,国内申请人主要是进行单一的国内专利申请,很少有PCT国际申请专利和国外同族专利申请,而国外申请人主要是通过PCT途径或《巴黎公约》途径向中国申请专利,并且往往还存在一个或多个在其它国家或地区的同族专利申请。

2.2.3 专利申请的主要申请人分布

图3为1995—2012年有关纳米压印光刻技术的中国专利申请的主要申请人分布图,其中仅列出申请量排在前10位的主要申请人。

从图3可以看出,在排名前10的申请人中,国内申请人占据了6席,其中包括高校、科研院所和企业,它们申请了许多颇具技术含量的发明专利,几乎涵盖了纳米压印光刻工艺涉及的各项核心技术。以下列出国内主要申请人具有代表性的核心专利,这些专利均处于授权并维持有效的法律状态,见表2。

申请量居前的国外申请人依次为佳能株式会社、ASML控股股份有限公司、奥博杜卡特股份公司和惠普公司,可见,国外主要申请人以企业为主体。一般来说,企业申请人在申请专利时更加注重专利技术的市场应用价值,也更能体现其所属国家在该领域的产业化发展水平。以下列出国外主要申请人具有代表性的核心专利,这些专利均处于授权并维持有效的法律状态,见表3。

2.2.4 专利申请的技术领域分布

从图2可以看出,中国、日本、美国是申请量位于前列的3个国家,因此,分别对中、日、美三国的专利申请按照技术领域进行细分,通过横向比较来分析各国在技术领域分布上的差别,见图4-图6。

通过图4-图6可以看出,国内申请在纳米压印光刻技术的应用这一细分领域所占比例最大,接近50%,日本和美国则分别为21%和29%,国内申请所占比重远超过日本和美国;模板和压印过程缺陷控制领域,国内申请中所占比例分别为19%和19%,日本申请分别为28%和14%,美国申请为24%和21%,三国相差不大;压印胶领域,国内申请中所占比例为7%,日本为25%,美国为8%,日本占据明显优势,主要原因是压印胶通常都是在光学光刻胶的基础上进行改进而获得,而日本在光学光刻胶的研发上占据明显的传统优势,从而为压印胶的研发提供了雄厚的技术储备;在对准套刻领域,中、日和美所占比例分别为4%、11%和8%,日、美略有优势;对于三维结构压印和蚀刻结构转移领域,在国内申请和日本申请中所占比例均很小,合计依次为3%和4%,美国则分别以6%和4%占据一定的优势。

经上述分析可知,美国对纳米压印光刻技术的研究更加全面,在纳米压印光刻工艺所涉及的模板、压印胶、缺陷控制、对准套刻、三维结构压印以及精确蚀刻等核心技术领域都有专利申请,其专利布局也更加均衡;日本则依托自己的技术优势,有针对性的在压印模板、压印胶等领域重点布局,以维护自己在优势领域的垄断地位;国内申请则更多的关注纳米压印光刻工艺的应用研究,尤其是在一些涉及交叉学科的技术领域(如光学元器件、生物芯片、相变存储器件等)中的应用,这说明国内的研究热点主要在于应用纳米压印光刻工艺的独特优点来解决某些领域应用层面上的问题。

3 总结和建议

随着传统光学光刻技术瓶颈的出现,世界各国都在努力发展可替代的下一代光刻技术,纳米压印光刻技术由于具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景而受到产业界和学术界的高度重视。众所周知,专利是打击竞争对手,占领市场份额的主要手段之一。随着纳米压印光刻技术的迅速发展,国外企业在中国的专利布局态势逐渐凸显出来,虽然目前纳米压印光刻技术尚未进行大规模的产业化应用,但是我国IC业界也应该做到未雨绸缪,积极应对,基于此,本文给出如下几点建议。

3.1 加强政策扶持力度,强化专利保护意识

纳米压印光刻技术与极紫外光刻、电子束光刻、X射线光刻、离子束光刻等其它下一代光刻技术相比,具有高分辨率、高产量、低成本等优点,是一项非常符合我国国情的、适合我国IC产业发展的光刻技术。同时,由于纳米压印光刻技术的发展时间相对较短,在该领域我国与美、日、欧、韩等IC产业发达国家的技术差距相对较小,因此,我国应当努力抓住这一发展契机,国家和政府应加大对纳米压印光刻技术的政策扶持力度,既要加大对研发的投入,也要加大对专利申请的扶持和资助,促进科技成果及时通过专利制度加以有效保护。

3.2 注重核心技术研发,加快专利布局步伐

与国外申请相比,国内在纳米压印光刻技术的申请量上已占优势,但是,涉及关键性技术的核心专利比重偏少,这对提升我国IC产业核心竞争力是非常不利的,国内高校、科研院所和企业应当将更多的人力和物力投入到核心技术的研发中来,应注重多申请发明专利、基础专利和核心专利;同时,国内申请人还应当注重提高专利战略和布局的能力,对于涉及核心技术和重要技术的科技成果,要有向国外积极申请专利的意识,以期在未来国际市场竞争中抢得先机。

3.3 加强专业分工,注重交流合作

我国对纳米压印光刻技术进行研发的企业、科研院所和高校多而分散,技术水平和研发实力参差不齐,其中有很多单位进行的研发属于水平较低的重复工作。由于纳米压印光刻技术是多学科的综合,因此,一方面需要注重进行精细化的专业分工,充分发挥各相关领域技术人员的优势,做到人尽其才,才尽其用;同时,为了实现低投入高产出,也需要对研发资源进行优化和整合,加强产学研之间的有效结合,在科研项目的共同攻关、科技成果转化、成果走产业化道路等方面进行深层次的合作,从而为我国实现具有自主知识产权的纳米压印光刻技术创造有利条件。

参考文献

[1]MICHAEL QUIRK,JULIAN SERDA.半导体制造技术[M].郑韩生,等,译.北京:电子工业出版社,2004:310-311.

[2]丁玉成,刘宏忠,卢秉恒,等.下一代光刻技术———压印光刻[J].机械工程学报,2007,43(3):1-7.

[3]CHOU S Y,KRAUSS P R,RENSTROM P J.Imprint of sub225nm vias and trenches in polymers[J].Applied PhysicsLetters,1995,67(20/21):3114-3116.

“纳米材料与纳米技术”课程论文 篇5

论文题目：纳米材料与技术的发展现状与趋势

学院：材料与能源学院

姓名：夏国东

学好：3110006707

纳米材料与技术的反转现状与趋势

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。英特尔、IBM、SONY、夏普、东芝、丰田、三菱、日立、富士等具有国际影响的大型企业集团纷纷投入巨资开发自己的纳米技术，并到得了令世人瞩目的研究成果。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。欧盟、日本、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、中国、韩国、以色列、新西兰等国在纳米材料领域的投资较大。日本国会提出要把发展纳米技术作为今后数十年日本的立国之本，政府机构和大公司是其研究资金的主要来源，中小企业的作用很小。

中国在上世纪80年代，将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。目前我国有50 多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

目前纳米材料与技术在各方面的应用越来越广泛，小到日常使用的刀具，大到航空航天，都遍布纳米材料的身影。

1、纳米技术在建筑涂料中的应用

涂料是建筑物的内衣（内墙涂料）和外衣（外墙涂料），国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材（特别是建筑涂料）方面的应用已经显示出了它的独特魅力。

2、纳米技术在混凝土材料中的应用

随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为一种传统的建材，其产量和用量都在不断地增加，高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。同时，许多特殊领域要求水泥混凝土具有一定的功能性，如希望其具有吸声、防冻、高强且高韧性等功能。纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。

3、纳米技术在陶瓷材料中的应用

二十世纪90年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸SiC颗粒为第二相的纳米复相陶瓷具有很高的力学性能，并具有很多独特的性能。含有20%纳米钴粉的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料。氧化物纳米材料在这方面都优于同质传统陶瓷材料，在陶瓷基中添加其他纳米微粒的效果也正在研究。利用纳米粒子特殊的光电磁特性制成太阳能陶瓷、远红外陶瓷等，用于建筑物饰面，可开发太阳能，调节环境温度，促进人们身体健康。纳米技术在陶瓷上的应用潜力不可估量。

4、在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。

5、纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

新产物的出现总是伴随着优点与缺点，纳米材料的发展也不是一帆风顺的，随着人们对纳米材料的认识不断加深，一些存在的问题也不断被发掘出来。

1、职业暴露人群，包括纳米技术的研发人员和工人的健康安全问题。根据现有的毒理学研究，纳米粉尘和颗粒有可能通过呼吸和皮肤接触进入人体。这就给长期暴露在纳米材料氛围中的一线工人和研发人员的健康带来潜在威胁。此外，纳米材料还有一个特点就是易燃易爆。万一因为操作不当等带来火灾或者爆炸，后果不堪设想。因此，如何切实保护在纳米材料生产场所中暴露人员的健康，以及实验室和工作场所纳米材料的管理、纳米材料运输过程中的安全措施以及一旦发生危险的危机处理问题等应该成为劳动保护法和工业环境法研究和关注的对象。

2、消费者的权益问题。随着纳米技术的产业化程度的提高，目前，在化妆品和食品中纳米技术的应用越来越多。市场上的化妆品和体育用品有许多是纳米材料产品，比如说防晒霜和口红。食品包装中的聚合物基纳米复合材料(PNMC)的应用、作为食品机械的润滑剂、纳米磁致冷工质和食品机械原材料中橡胶和塑料的改性等等都用到纳米材料。毫无疑问这些材料具有独特的优点。但是在安全上也具有不确定性。但目前进行标识的纳米材料还微乎其微。从知情同意的伦理原则出发，消费者和相关人员有权知道自己所接触的材料的内容及其风险程度。

3、环境保护问题。研究证明，不仅在纳米技术的工作场所的环境问题关系到相关人员的健康，而且废弃的纳米材料进入空气、土壤、水体等环境后，可以产生一系列环境过程，最终对人和整个生物链产生负面影响。由于纳米材料具有强烈的吸附能力。在扩散、迁移过程中，还能吸附大气、土壤中存在的一些常见化学污染物如多环芳烃、农药、重金属离子等。因此，环境法应该研究纳米材料的环境问题，尤其必须加强废弃纳米材料的管理。

4、隐私权的保护问题。随着纳米器件的微型化，纳米技术在医学、社会治安和国防方面具有广泛的作用，但同时也构成对个人隐私的威胁。比如，通过将纳米设备嵌入对象物(身体或者物件)中，可以监视和跟踪目标，搜集个人信息和行为习惯。而可以储存一个人的全部基因和疾病信息的纳米芯片有可能成为被利用的工具，在劳资关系方面，成为企业用人歧视的理由或者成为保险公司限制患者自由的砝码。面对高新技术的应用如何保护个人的隐私权，是摆在我们法律工作者面前的一个重要问题

在技术和经济全球化的今天，纳米技术的许多前沿问题亦如能源问题、环境问题以及生物技术的问题一样，不是基于一个国家的力量所能解决的。一旦国家之间与纳米技术相关的法律框架存在不同，就不可避免地会导致国际间合作研究的障碍，以及全球纳米技术风险与利益分配不公等问题，因此，有必要在一定的国际法体系下就纳米技术发展中的某些基本的标准、原理达成一致意见，实现各国相关法律体系的协调。在此基础上，制定全球性的指导纳米技术发展的基本原则框架，促进成员国和公众对于纳米技术的关注，真正推动纳米技术风险的“善治”。而如果没有一个全球治理的框架协议，将导致纳米技术发展中的恶意竞争，从而最终阻碍纳米技术的健康发展。

纳米材料作为一种新型高科技材料，毫无疑问会引起一系列强烈的变革，中国对与纳米材料的研究与重视程度仍然落后于西方国家，在未来，如何在纳米材料领域更进一步不单是前人的责任更是我们大学生的责任，只有不断的自强不息，才能让祖国在未来高科技时代中不落于人后！

关 键 词：纳米材料，纳米科技，进展，应用，前景，问题

摘 要： 纳米材料是21世纪的新型发展领域，在各个方面都有重大的应用，带来很多技术改革和创新，但是也存在一些不用忽视的问题，未来的发展需要靠我们的努力。

参考文献：国家新材料行业生产力促进中心、国家新材料产业发展战略咨询委员会和北京麦肯资讯有限公司联合编辑出版的《中国新材料发展报告》

纳米技术的风险 篇6

纳米技术竟然有害?这不是危言耸听。纳米技术最大的优势很可能也是它最大的劣势，即纳米级别的尺寸。当纳米颗粒小到连实验室的滤器也无法赶上时，就会散入自然，随产品的使用、分解而释放或流入、渗入到大气、水体和土壤中，通过水和风等媒介在自然界扩散而产生污染和危害。研究表明，纳米材料可以通过土壤以极快的速度转移至水相中。一旦进入水体，由于食物链的原因，纳米颗粒物会对水体生态环境造成很大的影响。虽然纳米材料在环境中的存在形式及其沉积分解均鲜有报道，但抬头看看我们身边已经不再蔚蓝的天空，主要成因就是空气中存在大量的悬浮物粒子，它们其中有很大一部分是纳米级的，这些粒子不仅造成了城市上空“棕色云”的笼罩，灰霾天气增多，也使得人群的污染暴露大幅度上升。空气污染，或者说空气中的纳米悬浮颗粒可诱发一些易感人群出现肺部或心血管等疾病，造成死亡率增加。研究发现，在健康人群呼吸道中纳米颗粒物有较高的沉积率，而在患有哮喘和慢性阻塞性呼吸系统疾病的人群中沉积率更高。纳米颗粒物可以诱导明显的呼吸炎症反应，导致肺组织病理学改变，对心血管系统的效应包括血液凝集、系统炎症和呼吸功能丧失等。

因为纳米物质只比原子、分子大一点，所以能透过人体细胞膜进入细胞内部，甚至嵌入人体的DNA当中，直接影响我们身体的遗传信息传递。当纳米物质通过皮肤表面进入血液中，或通过呼吸进入气管和肺部，积累到一定程度，就可能会对我们造成一定的伤害。而这种伤害甚至超过了我们的想象：纳米颗粒可以透过“血一脑屏障”、胎盘屏障等，伤害到中枢神经系统以及胎儿。长期以来我们一直认为各种组织屏障牢不可摧，可以有效阻止有害物质以及超细粒子通过，但面对纳米颗粒，这些天然屏障却都变成了“马其诺防线”。

而且，经国内外多家研究单位研究证实，很多纳米材料的毒性并不是本来就有的，反而是在变成纳米级过程中，物理、化学等性质发生变化时形成的。如黄金呈块状时是惰性的，但其颗粒尺寸达纳米级时，黄色的金属会变成蓝色，并可能与DNA黏合在一起。这就是“纯粹”的纳米技术惹的祸。更加复杂的是，纳米粒子的粉末或液体具有一定范围内的许多不同尺寸，从几个纳米到几百个纳米。纳米粒子具有聚合的趋势，由少聚多，由小变大，聚合的纳米粒子拥有同单个纳米粒子不同的行为。这无疑增加了研究的难度。

纳米物质毒害作用的具体生物学机制还不是很清楚，它们进入生物体内可能引起噬菌细胞(吞咽并消灭外来物质的细胞)的“过载”，如同车辆超载，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们也可能因为无法被降解或降解缓慢，而在某些器官里集聚。还有可能是它们同身体中一些生物过程发生反应，比如影响蛋白质发挥正常功能，进而影响细胞功能。由于纳米粒子具有极大的表面积，会立即吸附它们遇到的大分子，这本来是纳米物质的一大优势，但这种情况下进入细胞内的纳米粒子的破坏作用则更加强烈。近期英国著名的《自然》杂志报道：“最近一些检测纳米物质毒性的细胞培养物和动物研究显示，纳米物质的大小、表面、可溶性，可能还有形状，都是决定它是否对人体有害的因素之一。”

纳米分析技术 篇7

1 碳纤维微电极制作技术的进展

早些时采用聚乙烯绝缘的CFME,常发生环氧树脂渗漏现象,致使检测器中噪声高,检测灵敏度低。Albert Schulte等采用阳极电泳沉积涂复法对CFME绝缘[2],姚伟等用硅橡胶作为绝缘材料,研究出硅胶橡胶绝缘圆柱形玻璃碳纤维电极(SCgCFEs)[3],利用SCgCFEs从大鼠肾上腺嗜铬细胞记录中,发现在纹状体的多巴胺释放体内的前脑纤维束后的儿茶酚胺释放。CFNE的研究是因它能在更微小的生物环境检测和分析,如对监测神经细胞突触间隙内的神经递质以及对细胞内单个囊泡的释放进行研究。但CFNE制作难度很高,Strein T.G.等采用火焰蚀刻法制得直径约400 nm的CFNE,但其尖端表面粗糙,影响检测的效果[4]。Schuite等采用化学蚀刻法制得CFNE,但其电极尖端只能达到[5]500 nm。张学记等采用离子束蚀刻法制得CFNE的电极尖端可小至几十纳米,但该法复杂,成本高,耗时长,难以推广[6]。王赪胤等采用可控电化学沉积方法,制备碳纤维纳米圆盘电极[7,8]。张蓉颖等利用微量移液枪头制备碳纤维微电极[9],在Zhou Z等的基础上,在显微镜下用虹膜剪将制作好CFNE,根据需要剪成盘状或柱状[10]。扫描电镜结果表明:微盘或微柱电极密封效果性能好、截面光滑。通过电极的伏安响应及单细胞测定实验表明,该电极电化学性能优良,在单细胞检测、活体分析及其他生物体系微环境的研究中有广泛的应用前景[9]。黄卫华等采用火焰熔融法将碳纤维密封于拉尖的玻璃毛细管内,制得低噪声CFME,再经火焰蚀刻成尖端直径为100～300 nm的CFNE,经扫描电镜及电化学表征,该电极表面光滑,电极密封效果好,电化学性能优良[11],对生物体内一种重要的神经递质五羟色胺(5-HT)进行了快速扫描循环伏安测定,体现出很高的检测灵敏度,可望进行单细胞释放的高分辨动态监测及对细胞内单个囊泡进行分析研究[12]。现在制作CFNE各种技术在不断改进,化学修饰、电极阵列、细胞芯片等也有新进展。

2 碳纤维纳米微电极的制作

2.1 火焰蚀刻法碳纤维纳米微电极制作技术

采用火焰蚀刻法制作CFNE的材料与制作过程:碳纤维(直径7μm,长度大约15 mm)依次用丙酮、乙醇和二次蒸馏水超声清洗5 min,在空气中晾干。将清洗晾干后的碳纤维与电极引线铜丝(直径0.2 mm,长度约10 cm)用石墨粉导电胶粘连。拉制硼硅酸盐玻璃毛细管(介电常数ε为4.7)使尖端直径约1μm,将在火焰上刻蚀好的碳纤维(尖端左右)从玻璃毛细管另一端穿入,并露出尖端约1~2μm,在抛光仪下将玻璃毛细管尖端烧融使碳纤维密封于毛细管内,即可制成尖端碳纤维露出长度为1μm,直径为100~300 nm的碳纤维纳米微电极。电镜扫描结果如图2所示,电极尖端直径为200 nm,电极表面光滑,密封效果好。电极的玻璃管尾部用环氧树脂灌封料密封,并由铜线引出接往CFME探头放大器。

2.2 碳纤维纳米电极的伏安特性测试及细胞检测

CFNE的伏安特性测试是在CHI 660a电化学工作站上进行,采用双电极系统,工作电极采用自制的CFNE,参比电极为Ag/Ag Cl电极。为防止外界电场的干扰,将电解槽和电化学工作站置于法拉第屏蔽网内,实验在室温下进行。电解槽中的溶液,选用1 mmol/L[Ru(NH3)6]2+/3+溶液。将制作好的CFNE和参比电极Ag/Ag Cl,双电极都放入电解槽中。采用循环伏安扫描得到的CFNE的CV曲线如图3所示。由图3可以看出,在CFNE上能得到峰形良好的伏安曲线,证明电极表面上的非线性扩散特性。在扫速1 m V/s条件下,可以得到接近稳态的伏安曲线,说明电极的响应灵敏度高,电极特性好。将自制的CFNE安装到CFME检测系统的探头上,在极微环境中,对交感神经元做检测,获得了良好的检测结果,如图4所示。检测结果表明CFNE在单细胞检测及其他生物体系微环境的研究中有广泛的应用前景。

3 碳纤维纳米微电极的噪声分析与处理

不同制作技术产生的CFME都有它适合的检测对象和相应的检测方法,但因不同的制作技术使得制作CFME的难易程度、实用性、耐用性、可靠性、稳定性、精度等都有区别,而制作工艺上的不足带来程度不同的噪声,直接影响它的检测效果。

本文主要对一种较为典型的硼硅酸盐玻璃管绝缘的CFNE电特性做分析,并建立CFNE电路及噪声模型,并对CFNE在制作技术上的改进或注意事项提出相应的解决方法。

3.1 碳纤维微电极放大器系统噪声模型

碳纤维纳米微电极放大器系统的示意图如图5所示,它主要由细胞、浴池、CFNE、参考电极和探头(CFME放大器)等部分组成。其中CFNE与CFME放大器部分的等效电路如图5(b)所示。而相应的等效噪声模型如图5(c)所示。

图5(b)中Zm为CFNE尖端碳纤表面通过浴池溶液到细胞间的等效阻抗;Zsh为硼硅酸盐玻璃管绝缘CFNE与浴池电极等效漏电阻抗;Rs为硼硅酸盐玻璃管的漏电阻;Cs为硼硅酸盐玻璃管的漏电容;Rcm为Rtx碳纤维电阻、Rsm石墨粉导电胶、Rcu铜丝的等效电阻之和;Rbc为Rbgb硼硅酸盐玻璃管体电阻串联Rcgb环氧树脂体电阻及损耗电阻;Ccm为CFNE尾端电容Cb2与微电极中端电容Cb3以及支架对地等效电容,其中Cb2是硼硅酸盐玻璃管的漏电容Cs串联环氧树脂漏电容CC;Ct为放大器等效输入电容。图5(c)中Zsh*,Zc*,Rf*,A*为等效无噪声元器件。系统噪声由CFNE尖端碳纤维表面和浴池之间的噪声SC(f)、CFNE内噪声Scm(f)、CFNE与支架的噪声SZ(f)、CFME放大器等效输入噪声SE(f)等四个部分构成。这几部分噪声是相对独立,互不相关的。因此,可根据噪声理论得出系统总噪声为[13,14]:

本文将主要定性地分析CFNE内噪声Scm(f)产生的机制及其如何降低它们的办法。其他噪声的处理方法可参考文献[13]。

3.2 碳纤维纳米微电极噪声模型

3.2.1 碳纤维纳米微电极物理结构

硼硅酸盐玻璃管绝缘的CFNE物理结构示意图如图6所示。

3.2.2 碳纤维纳米微电极电路和噪声模型

硼硅酸盐玻璃管绝缘的CFNE模型图如图7所示。CFNE的噪声来源见图7(a)。由硼硅酸盐玻璃管绝缘的CFNE模型中等效噪声模型图7(c)可见其噪声Scm(f)主要包括:硼硅酸盐玻璃管损耗噪声Scg(f),CF-NE电阻Rcm和Cm串联电路的噪声Scs(f),CFNE与浴池溶液之间的界面噪声Scc(f),硼硅酸盐玻璃管和环氧树脂损耗噪声Scbc(f),即:

图7(c)中:

说明:由于Rcm远远小于Rbc(Rbc由Rbgb硼硅酸盐玻璃管体电阻串联Rbgc环氧树脂体电阻及损耗电阻),可不考虑Rbc对放大器输入分流的影响。图7(b)中的Rbc视实际要求可做取舍。作为等效无噪声电路的输入阻抗式(3)中ëRbc∥1 SCb2∥1 SCb3û项可不考虑。

图中Vcm为电极电压;Cb1,Cb2为电极前部和后部电容;Rcm为电极中铜丝、石墨粉导电胶、碳纤电阻;Rbgb为硼硅酸盐玻璃管体电阻;Rbg1为硼硅酸盐玻璃管损耗电阻;Cbgl为硼硅酸盐玻璃管损耗电容;Zsh*为硼硅酸盐玻璃管绝缘漏阻抗(Rs∥Cs);Cm为由电极电压作用,将溶液中过多的离子吸引到碳纤尖顶平面与细胞之间的溶液界面上,排列形成“双层结构”,所产生的等效电容[14,15];Ccc为浴池液面附壁电容;Rcr为浴池液面附壁电阻。

需要说明:CFNE电极尖端的碳纤维表面直径只有100~300 nm,相对过去μm级电极的Cm小得多,因此不是对噪声有特别要求可以不考虑。

3.3 碳纤维纳米微电极内的噪声分析与处理

3.3.1 硼硅酸盐玻璃管损耗噪声

硼硅酸盐玻璃管材料噪声源来自图7(b)中硼硅酸盐玻璃管体电阻Rbgb、介质损耗电阻Rbgl和硼硅酸盐玻璃管损耗电容Cbgl,它们产生热噪声SCg(f):

式中:4KT=1.6×10-20J;Cbgl的大小一般与它的介电常数的ε成正比。

这类噪声可以通过选择玻璃管材介电常数ε小的做电极,对减小Cbgl,降低噪声有好处。

目前可用于制作CFNE的玻璃管材除了本文介绍的硼硅酸盐玻璃管材(介电常数ε为4.7)外,有很多品种如石英玻璃管材介电常数的ε为3.7,管材体电阻高达1018Ω/cm,因此只要能解决石英玻璃管材高熔点的技术问题,是一个能降低电极噪声的选择。

3.3.2 硼硅酸盐玻璃管与浴池液面的噪声

当电极插入浴池中,在液体的表面张力的作用下,液体会沿着电极的外壁向上附着一层薄膜见图7(a),它们之间形成电阻Rcr与电极内部碳纤维与硼硅酸盐玻璃管管内之间形成的电容Ccc,这种Ccc和Rcr连于电极外,其串联阻抗Zc=Rcr+1/SCcc的热噪声为[15]:

式中电容Ccc的大小为[15]:

式中,ε0=8.84×0-12F/m为真空介电常数;ε1为硼硅酸盐玻璃管的介电常数;d2为玻璃管外径;d1为玻璃管内径;h为“入水”深度;R(x)=d2d1为是与位置x无关的常数。

对于降低这类噪声有如下几个方法:

(1)由式(8)可知电极“入水”深度与电容Ccc成正比,与硼硅酸盐玻璃管的外内径比值的对数成反比。所以可以采用减少“入水”深度或选用厚壁些的玻璃管材方法减小Ccc电容,从而达到降低玻璃管电极与浴池液面噪声的目的。

(2)由式(8)可知电容Ccc的大小与ε1玻璃管的介电常数成正比,如果选择介电常数低的玻璃管材做电极能减小Ccc以及电极的分布电容,达到降低电极与浴池液面噪声的目的。

(3)可以在电极外壁靠近“入水”处开始到尖端近处,涂敷疏水材料如:硅酮树脂Sylgard(介质损耗为玻璃的50%,介电常数为2.9)或者石腊(介质损耗为玻璃的58%,介电常数为2.9)可以阻止液面沿电极外壁爬升,从而降低碳纤维微电极与浴池溶液之间的界面噪声。由于硅酮树脂和石腊的介质损耗为玻璃的50%或58%,所以能降低电极的噪声。硅酮树脂和石腊的介电常数(ε为2.9)小于硼硅酸盐玻璃管的介电常数(ε为4.7),能减小电极的电容,使电极的分布电容造成的噪声下降很多。

3.3.3 碳纤维微电极中Rcm与Cm串联电路的噪声

在CFME技术检测中,CFME放大器给电极施加合适的电压,在其作用下溶液中过多的离子被吸引到细胞与CFNE尖端碳表面之间的溶液界面上,排列形成“双层结构”[14,15],产生一个“双层电容”效应,Cm为等效电容。CFNE的电阻Rcm为电极中铜丝电阻Rbs、石墨粉导电胶电阻Rtf、碳纤维电阻Rtx的总和。因此,CFNE的Rcm与Cm串联电路的噪声Scs(f):

式中Rcm=Rbs+Rtf+Rtx。

由式(9)可知,如果CFNE尖端的碳表面平整且无污物,Cm相对稳定,则相对Scs(f)小;如果不平整,甚至表面粗糙,有缺陷,有污物,Cm相对不稳定,则相对Scs(f)大,即噪声大。因此,将CFNE尖顶切平整可减小噪声。由于采用纳米技术,电极尖端的碳纤维表面直径只有100~300 nm,相对μm级电极Cm小很多,所以由式(8)可见噪声Scs(f)减弱很多。

在制作CFNE时,材料铜丝的电阻Rbs(在常温下它的电阻率=0.018 9Ω·mm2/m)、石墨粉导电胶的电阻Rtf(在常温下电阻率为(8~13)×10-6Ω·m)、碳纤维的电阻Rtx(在常温下它的电阻率为20~25Ω·mm2/m))都很小,铜丝与碳纤维之间用石墨粉导电胶粘接构成电极电阻Rcm。但如果碳纤维在使用前没有清洁干净并风干,铜丝如果有氧化层没有处理掉,石墨粉导电胶就不易将铜丝和碳纤维微粘接可靠,会大大增加Rcm,接触不良的部位产生噪声。如果电极碳纤维尖端平面以外的部位没有被硼硅酸盐玻璃管绝缘材料熔融密封附着好,裸露较多,则同样会加重噪声。

3.3.4 碳纤维纳米微电极尾部的噪声

Scbc(f)是CFNE尾部串联电路引起的噪声,它主要由SCg(f)硼硅酸盐玻璃管损耗噪声和串联在一起的SCgf(f)环氧树脂损耗噪声共同作用。硼硅酸盐玻璃管体电阻Rbgb、介质损耗电阻Rbgl和硼硅酸盐玻璃管损耗电容Cbgl,它们产生热噪声SCg(f),环氧树脂体电阻Rbgc、介质损耗电阻Rbg2和环氧树脂损耗电容Cbg2,它们产生热噪声SCgf(f),由它们共同确定的噪声Scbc(f)为:

由图7(b)和构成电路的参数可知,由于Rcm远远小于Rbc(Rbc由Rbgb硼硅酸盐玻璃管体电阻串联Rbgc环氧树脂体电阻),所以可以不考虑Rbc对放大器输入的分流影响。也说明Scbc(f)噪声非常小。制作过程按要求做就可以避免这部分的噪声影响。

4 结语

通过对电化学传感器CFME不同制作技术的论述,给运用这些技术实现不同细胞微环境的检测提供重要参考。采用火焰蚀刻法制作的CFNE,通过循环伏安扫描响应及交感神经元测定实验表明,该电极电化学性能优良,噪声低、响应快速、灵敏度高,能应用在极微环境中的单细胞生命活动的检测。文章对CFNE的主要噪声做了分析和研究,并从理论上建立起CFNE及探头放大器电路的噪声模型,为噪声定性和定量的分析提供依据。根据不同需要代入实际用到的各参数,就能定量进行噪声分析,对改进CFNE的设计和消除或降低因电极本身的噪声起到重要的作用。本文还对有重要影响的噪声源给出了降低噪声的方法和措施。

摘要：为了使碳纤维微电极检测系统能在更微环境下低噪声的应用,采用火焰蚀刻等方法,对关键的电化学传感器碳纤维纳米微电极的制作技术进行研究和实验,并在更微环境下检测取得良好的结果。同时为解决纳米微电极在检测时的噪声问题,建立起碳纤维纳米微电极在检测系统中的噪声模型,并对其噪声的特点作了定性和定量的分析,提出降低电极噪声的方法和措施。

纳米分析技术 篇8

1、基本概念

(1) 赋型器:设置在鞋底的赋型器孔内, 并与鞋底固为一体, 在帮上设有帮面赋型器, 帮面赋型器镶嵌在帮面前部的一侧或两侧, 与帮面固为一体, 上述两个赋型器在受到力的作用时会发生改变扩张。

(2) 纳米效应弹性体:本材料中的纳米效应弹性体是指具有透气性能, 并在一定力的作用下使吸附的水通过的高分子聚合体, 该材料在外力作用下, 产生变形, 若除去外力后变形随即消失, 并同时具有透气、透水恢复原来物体状态下的弹性材料。

(3) 净化:净化是指该材料对细菌、霉菌的抑制和对鞋内异臭分子的吸附分解, 对水、湿气的吸附和解吸。鞋内环境净化是现代功能鞋理论的重要概念。

(4) 气塞:在鞋底后跟的脚心部设有与鞋相通的气塞, 气塞是由塞帽, 塞柱, 防水层所构成, 在塞帽上设有若干毛细孔。

2、技术原理

该技术制作的功能鞋设有赋型器, 使得鞋底与帮面受力后, 发生伸缩扩张, 达到适合脚的目的。另外鞋内设有纳米效应弹性体层, 其作用可以吸附鞋内的汗湿和对异臭分子气体的分解, 并具有灭菌功能, 使鞋内干爽卫生。

3、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋的伸缩、扩张机理

(1) 伸缩、扩张机理:在鞋底的前部与地面接触的部位设有1～2个赋型器, 赋型器设置在鞋底的赋型器孔内, 并与鞋底固为一体, 在帮上设有帮面赋型器, 帮面赋型器镶嵌在帮面前部的一侧或两侧, 与帮面固为一体, 上述两个赋型器在受到力的作用时会发生改变扩张。

(2) 抗菌机理:采用纳米微容体结构硅基氧化物为载体, 将无机银、锌等离子或其它功能离子、分子组装入微容体中进行半封孔, 形成长久广谱抗菌缓解微囊, 该微囊与高表面纳米材料及纳米分子筛等复合, 形成足以使其周围空间产生原子氧, 原子氧具有强氧化性可以杀灭细菌;Ag+可以强烈地吸引细菌体中蛋白酶上的巯基 (-SH) , 迅速与其结合在一起, 使蛋白酶丧失活性, 导致死亡。当细菌被Ag+杀灭后, Ag+又由细菌尸体中游离出来, 再与其它菌落接触, 周而复始的进行上述过程, 达到长效持久的抗菌目的。

二、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋设计原则

1、功能设计原则

(1) 使该产品具有伸缩、扩张的功能;

(2) 使该产品具有抗菌、除臭的功能;

(3) 使该产品具有导热、吸湿的功能。

2、性价比设计原则

(1) LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋设有赋型器, 在鞋底与帮面受力后, 发生伸缩扩张, 鞋内设有纳米效应弹性体层, 可吸附鞋内的汗湿和分解鞋内异臭分子, 并有灭菌功能, 使鞋内干爽卫生。效果达到最佳, 成本最低, 其成本增加在0.2`0.5元左右。

(2) 纳米净化材料在基材上有很好的覆着力, 处理工艺简单、设备投入少, 制作成本低。

(3) LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋的鞋底、中底及饰垫的设计结构合理, 技术线路成熟, 适应各种鞋类产品的开发, 减少新产品开发成本。

(4) 提高了科技含量, 增加了产品附加值, 给企业、代理商带来了经济效益。

三、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋技术创新点

1、关键技术

在鞋底的前部与地面接触的部位设有1～2个赋型器, 赋型器设置在鞋底的赋型器孔内, 并与鞋底固为一体, 在帮上设有帮面赋型器, 帮面赋型器镶嵌在帮面前部的一侧或两侧, 与帮面固为一体, 上述两个赋型器在受到力的作用时会发生改变扩张;在中底上层设有纳米效应弹性体层, 起到抗菌减震作用。

2、技术创新点

采用上述技术制作的功能鞋设有赋型器, 使得鞋底与帮面受力后, 发生伸缩扩张, 达到适合脚的目的。另外鞋内设有纳米效应弹性体层, 其作用可以吸附鞋内的汗湿和对异臭分子气体的分解, 并具有灭菌功能。

四、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋技术工艺路线

1、纳米材料制备 (略)

2、纳米材料制备工艺路线见图1。

3、赋型式鞋底的制作及工艺图表见图2。

五、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋技术指标

1、纳米材料净化层性能指标见表1。

2、赋型式鞋底的技术指标。

大底前掌扩缩叶硬度指标:65±3度。

大底前掌扩缩键硬度指标:35±3度。

大底前掌扩缩键伸缩量≤5 m m (拉力为800 N) 。

3、J2008-FX赋型式纳米功能鞋的结构

(1) J2008-FX赋型式纳米功能鞋的结构

A、在鞋底的前部与地面接触的部位设有1～2个赋型器, 赋型器设置在鞋底的赋型器孔内, 并与鞋底固为一体。

B、在帮上设有帮面赋型器, 帮面赋型器镶嵌在帮面前部的一侧或两侧, 与帮面固为一体。

C、鞋底上的赋型器是由扩缩键和扩缩叶所构成, 其中扩缩键呈圆条型, 两个扩缩键之间为扩缩叶, 并与之固为一体。

D、在帮上设置的赋型器是由弹性结构体所构成。包括扩缩键和扩缩叶, 扩缩叶在扩缩键之间。

(3) J2008-FX赋型式纳米功能鞋整体图, 见图3～6。

图中:

1.鞋底;11.赋型器, 111.扩缩键, 112.扩缩叶;12.底赋型器孔, 13.气塞孔, 14.气塞, 141.毛细孔, 142.塞帽, 143.塞柱, 144.防水层。

2.帮面;21.帮面赋型器, 211.扩缩叶, 212.扩缩键。

3.纳米效应弹性体层。

4. 中底。

六、LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋对比分析

1、国内外同类技术的比较

国内有关于伸缩鞋的相关文献报道中, 可伸缩鞋有如下几种:

(1) 伸缩鞋:可调整长度, 鞋底和鞋面有伸缩结构;

(2) 一种新型伸缩鞋:设计了活鞋头, 延长了鞋的寿命;

(3) 可调式伸缩鞋:鞋底分为前后两部分, 在前体的的基座上设置有一个锁, 在后体的活动板上带有一列限位齿;

(4) 一种可伸缩鞋:包括鞋底板、鞋后帮、可前后移动的安装在鞋底板前端的鞋前帮、安装装置;

(5) 一种可伸缩鞋托:可制鞋穿在鞋子底部。

(通过对国家、省12个相关文献、数据库进行检索, 为涉及本项目采用的扩缩赋型器结构以及纳米效应弹性体的应用。经检索, 国内未见有相同的研究报道。科技查新报告编号:2008063110360。)

2、产品性能对比

(1) 主要功能对比

(2) 辅助功能对比

(3) 其他项目对比

通过上述性能对比, LSMZ系列扩缩式纳米功能鞋技术明显优于一般换帮、底、跟鞋技术、普通鞋类产品与扩缩式纳米功能鞋的作用有着本质不同。

通过研究表明纳米材料对鞋内抗菌、吸附、分解导热、吸湿具有明显的效果, 该扩缩式纳米功能鞋中底是采用纳米弹性体材料, 因此使鞋内的细菌得到抑制, 异臭分子得到分解, 改善了鞋内环境, 而普通功能鞋并无此显著效果。同时, 在扩缩式纳米功能鞋的底上设计了扩缩结构, 可以微调鞋底底型, 它不仅改变了以往鞋与脚不合适而带来穿着不适, 同时还增加了实用性, 该功能鞋可以用于儿童鞋、运动鞋、司机鞋的开发与制作, 投入市场后, 在鞋类技术改革中定会发挥积极的作用。

纳米分析技术 篇9

氧化锆有三种晶型, 低温为单斜晶系, 相对密度为5.65g/cm3;高温为四方晶系, 相对密度为6.10g/cm3;更高温度下转变为立方晶系, 相对密度为6.27g/cm3。单斜氧化锆加热到1170℃时转变为四方氧化锆, 这个转变速度很快并伴随7%~9%的体积收缩。但在冷却过程中, 四方氧化锆往往不在1170℃转变为单斜氧化锆, 而在1000℃左右转变, 是一种滞后的转变, 同时伴随着体积膨胀。在固定组成陶瓷基体中, 氧化锆的相变温度随粉体颗粒直径的减小而降低, 在冷却过程中大颗粒先发生转变, 小颗粒在较低温度下发生转变, 当颗粒足够小时能够提高材料强度的四方氧化锆可以保存到室温, 甚至室温以下。因此, 减小氧化锆粉体粒度对于提高材料强度是非常有利的, 这样新型的高科技材料微纳米氧化锆应运而生。

高纯超细氧化锆粉体的研制兴起于20世纪五、六十年代。随着制备工艺的不断发展和完善, 先后出现了中和沉淀法、水解沉淀法、醇盐水解沉淀法、水热分解法及溶胶-凝胶法等各种制备方法。国内制粉的研究起步较晚, 如醇盐水解法及溶胶-凝胶法的等先进的制粉方法的研究才刚刚开始。

目前制作氧化锆粉体的方法可分为三种:固相合成法、液相合成法和气相合成法。其中液相合成法效率高、粉末颗粒质量好, 设备比较简单, 因而得到广泛的应用。

本文主要以专利数据为分析样本, 研究有关微纳米氧化锆的制备方法的国内外专利申请整体情况、主要技术分支的专利申请情况、主要申请人专利申请分析等问题。本文所依据的数据来自中国专利文摘数据库 (CNABS) , 外文数据库 (VEN) , 并对国际专利分类表下的“C01G25/02”分类号内的专利进行研究。

通过浏览上述分类号下的每篇专利的摘要和权利要求, 必要时还查看了说明书, 在阅读过程中筛去与本文的主题不相关的专利文献, 如涉及氧化锆表面改性等。对这筛选出来的206篇专利文献从制备方法的技术手段进行标引。下表1给出了标引的分类形式。下文的所有统计、分析是以最终筛选出来涉及微纳米氧化锆在制备方法的专利文献为基准的。

1 微纳米氧化锆专利申请总体分析

1.1 国内外专利申请整体状况

从图1中可以看出, 微纳米氧化锆的技术发展从1980年开始大致经历了三个阶段:1998年以前为第一阶段, 1999-2006年为第二阶段, 2006年以后为第三阶段。

第一阶段:国内外1980-1998年有关微纳米氧化锆的专利申请较少, 年申请量都在10件以下 (除了1990年) 。究其原因, 可能是因为当时纳米技术不够成熟, 各年申请量呈波动状态, 在微纳米氧化锆方面的发展缓慢。

第二阶段:1999年以后, 纳米技术逐渐成为了各国研究的热点, 关于微纳米氧化锆的制备方法的专利申请量获得突飞猛进的增长, 在2006年达到67件, 达到各年申请量的最高值。

第三阶段:2007之后的年份年申请量又逐渐下降, 并呈逐年递减的趋势。其原因可能为:微纳米氧化锆的制备方法已经成熟, 新的制备方法减少。

1.2 主要技术分支的专利申请状况

从图2中可以看出, 关于液相法制备微纳米氧化锆的申请量较多, 远远超过了其他分支的申请量, 占总申请量的84%左右, 而其中的水热法分支的申请量占了总申请量的25%, 其余分支的申请量差不多, 占总申请量的6~23%。另外, 图2表明微纳米氧化锆的制备方面的专利申请在气相沉积法、微波诱导法、超声波法的分布比较分散, 研究重点并没有集中在这三个分支, 如果对这三个分支进行改进的话, 将有很大的专利布局空间。

1.2.1 气相沉积

气相沉积法是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。化学气相沉积法制备粉体是在气相中利用锆的挥发性金属化合物的蒸气, 在氮气保护环境下通过化学反应可快速冷凝制备出Zr O2 (s) 纳米粒子 (参见CN103243300A) 。

1.2.2 液相法

1) 醇盐水解法

醇盐水解法的原理是利用金属醇盐与水反应生成氧化物、氢氧化物、水合物的沉淀, 然后沉淀过滤、洗涤、粉碎、煅烧即可得到所需粉体。金属醇盐由于表现出和羟基化合物相同的化学性质如强碱性、酸性等被用来水解制备纳米粒子, 其实质是一种诱导体。用此法制备氧化锆纳米粉体是将含有锆的醇盐加水分解, 然后依其工艺流程制得氧化锆粉体 (参见EP88200481A) 。

2) 沉淀法

沉淀法是将沉淀剂和金属盐在水溶液中进行沉淀, 然后再对沉淀物进行固液分离、洗涤、干燥以及加热分解等步骤处理后制得所需粉体 (参见CN101830506A) 。

3) 水热法

水热法制备粉体材料的基本原理是在高温高压环境下, 一些M (OH) x, 在水中的溶解度大于其相应的MOx在水中的溶解度, 因而M (OH) x可溶于水并同时析出MOx。实质是把前驱物置于高温高压的水热介质中进行化学反应, 实现原子、分子级的微粒成核和晶体生长, 最终形成具有一定粒度和结晶形态的晶粒的过程。它是制备结晶良好、无团聚的超细陶瓷粉体的优选方法之一, 所需温度低, 晶粒大小的可控制性好, 且水热反应过程所选物及产生物无毒, 是制备纳米粉体的优选方法 (参见CN102442699A) 。

4) 微乳液法

微乳液法也称W/O反向胶团法, 是一种制备纳米粉末的有效方法。微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂 (通常是醇类) 、油 (通常为炭氢化合物) 和水或电解质水溶液组成, 是透明、各向异性的热力学稳定体系。在微乳液中, 金属无机盐水溶液以纳米级的微水核稳定分散在有机相中。微水核被一层表面活性剂分子形成的膜所包围, 当共沉淀反应发生在反胶团内部并形成颗粒时, 颗粒的尺寸和形状将受到微水核的溶盐量和反胶团本身的尺寸和形状的控制, 同时表面活性剂膜也将阻止颗粒之间形成团聚体 (参见CN1334243A、CN1733611A) 。

5) 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指金属醇盐或无机盐经水解形成溶胶, 然后使溶胶-凝胶化再将凝胶固化脱水, 最后得到无机材料。目前应用溶胶-凝胶法制备纳米氧化锆粉体基本经过溶解、水解、沉淀、胶化、凝胶而固化成水合氧化锆, 然后经脱水、干燥及煅烧制得纳米氧化锆粉体。此法由于反应温度低、反应过程易于控制、产物纯度高、产品种类多等特点而受到越来越多的关注 (参见CN102627323A) 。缺点此法制备过程与机理相当复杂, 易受溶液的值、溶液的浓度、反应温度和反应时间的影响。

6) 溶液燃烧法

溶液燃烧法是指利用强氧化剂, 选择不同的还原剂与其混配制成高浓度水溶液, 在加热下引发燃烧性氧化还原反应, 得到高纯度的纳米晶体的过程 (参见EP1378489A1) 。

应用溶液燃烧法得到的纳米氧化物纯度高, 粒度较一致, 用醇溶液对其处理并经振荡分散后, 粒度会更小, 分布更窄。并且溶液燃烧法制备纳米氧化物反应过程快速、安全, 制备方法经济、简捷、方便。

1.2.3 微波诱导法

微波诱导法即是用微波炉加热溶液, 使反应在微波的诱导下发生。其原理主要运用微波产生的内热效应促进了反应物中化学物质的均匀分散, 体系整体升温均匀, 有利于晶核的一次性生成和生长 (参见KR20040078770A、CN101913648A) 。

此法的优点为节能高效、安全无毒制得的纳米粉体粒径较小, 且降低了晶化温度。

1.2.4 超声波法

超声波在纳米材料的制备中有重要的作用, 超声波可视为一种场辐射。当超声波能足够高时, 产生“超声空化”现象, 有空化气泡产生, 空化气泡在爆炸时可释放出巨大的能量, 并有强烈冲击力的微射流, 且碰撞密度高。利用超声波的空化作用, 加速反应物和产物的扩散, 促进新的固体相的形成 (参见CN102701279A) 。

2 主要申请人专利申请分析

图3为申请量位居前十一的申请人排名, 从图3中可以看出, 清华大学和3M创新有限公司在微纳米氧化锆制备方法方面占据领先地位, 其申请量分别为13件和7件, 其余7个申请人的申请量差距不大, 都在10件左右及其以下。位居前十名的申请人中只有3M创新有限公司是外国企业, 其余均为中国高校或研究所。在专利申请方面, 3M创新有限公司请求保护的主要是氧化锆产品、氧化锆掺杂钇的产品、改性的氧化锆产品及其制备方法, 而中国申请请求保护的大多数为制备方法, 请求保护产品的申请寥寥无几。在前十一名申请人中, 中国申请人的申请量总和占了申请总量的80%以上, 这说明中国在微纳米氧化锆制备方法方面非常活跃, 在该方面的实力最强, 其在该方面的申请数量遥遥领先于其他国家。但是其在产品研发及新产品保护方面力度不足, 前十一名中没有中国企业申请人就是最好的说明。同时, 这也说明了中国在科学研究转化为生产力、高校和研究所与企业合作方面有着巨大的发展空间。

3 总结与展望

本文从专利申请出发, 分析了微纳米氧化锆的制备方法的发展情况, 通过对各种不同制备方法以及中国与国外申请人、请求保护的内容的比较, 发现差距, 找出空白, 为以后微纳米氧化锆制备方法的研究提供帮助。

纳米分析技术 篇10

1 什么是纳米技术

纳米, 作为一种长度单位, 符号为nm。1纳米相当于1毫微米, 也就是十亿分之一米, 大约是10个原子的总长度。有个很形象的比喻, 说假设一根头发的直径为0.05mm, 把它径向平均剖成5万根, 每根的厚度即约为1nm。

纳米科学与技术, 有时简称为纳米技术, 是研究结构尺寸在0.1~100nm范围内电子、原子以及分子内的一般运动规律和特性的一项崭新的技术, 也就是纳米级的制造技术。科学家们在不断的研究, 发现在物质构成的过程中, 纳米尺度下隔离出来的可数原子或分子, 可以显著地表现出许多新的特性, 合理的利用这些特性制造具有特定功能的设备的技术, 就是所谓的纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

据研究发现, 迄今为止, 纳米技术经历了三种概念, 具体分别为:首先是1986年由美国的科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术, 主要是在《创造的机器》一书中进行了描述。通过这一描述我们可以得到, 纳米技术可以使分子组合的机器实现实用化, 因此可以将所有不同类型的分子进行重新组合, 就可以得到各种各样的分子结构, 可惜当时的研究并未将这一概念推广, 也就是说分子纳米技术学说未取得重大进展;其次是把纳米技术的概念定位为微加工技术的极限。换句话说就是通过在纳米精度层面的“加工”来人工形成纳米大小的结构物质的一种技术。这种极限纳米级的加工技术, 理论上讲发展终会达到极限, 也就说发展会受到限制。最后一种概念是科学家从生物的角度出发而提出来的, 因为生物在细胞和生物膜内本身就存在纳米层面的结构, 也就是说纳米粒子与纳米结构与生物体息息相关, 有着密切的联系。举例说明:核糖核酸蛋白质复合体是生物体内构成生命的要素之一, 其粒度大小为15~20nm之间, 也相当于一种纳米微粒;还有存在于生物体内的各种各样的病毒也属于纳米粒子的范畴;同时纳米技术已经应用于生命科学研究领域, Si O2的纳米级微粒可应用于进行细胞分离, 金的纳米粒子被应用于进行定位病变的临床治疗, 使不良反应大大减少等。研究纳米生物学技术, 可以在纳米层面上了解生物生命大分子的精细结构与功能特性的关系, 获取生命信息, 尤其是制造纳米药物制剂, 通过纳米层面吞噬病毒、细菌、疏通血管血栓, 清除大动脉脂肪沉积物、甚至杀死癌细胞等。

2 纳米技术与药物制剂

在药剂学领域一般纳米范围包括了大小在100nm以上的亚微米粒子, 正是由于物质的物理空间发生了改变, 才使得物质的理化特性、生物学特性等发生了巨大变化。纳米技术在药学领域中的应用, 已成为一种前沿科学不断被研究。近几年, 纳米技术已经广泛被用于药物的制备, 并且研究发现纳米技术可以使药物的稳定性更强、对胃肠道的刺激会减少很多、不良反应少以及药物利用度较高等优点。一般药剂学中所指的纳米粒是:纳米载体和纳米药物, 其中纳米载体指的是值可以溶解和分散各种药物的多种纳米粒, 具体包括:纳米球、聚合物纳米囊、纳米脂质体以及聚合物胶囊等;而纳米药物则是指利用纳米技术将原料药直接加工成纳米粒, 纳米粒的实质其实就是微粉化技术、超细粉技术的进一步发展。纳米药物制剂相比于传统的药物制剂, 具有显著的优越性, 下面具体介绍用纳米技术制备的纳米新型药物的几种形式: (1) 纳米乳液:是一类通过纳米微乳化技术制成的微粒直径在纳米级且热力学和动力学稳定的胶体分散体系。微乳液主要是由水相、油相、表面活性剂以及助表面活性剂构成, 形成外观透明或半透明的液状稳定体系[2,3]。微乳液是通过微乳化技术形成的制剂, 使药物或者物质更有利于穿透生物膜而被吸收。纳米乳液主要是促进药物的经皮吸收, 使药物的消除半衰期延长, 生物利用度提高。 (2) 纳米凝胶:其主要是一种新型的通过纳米技术载药系统, 使纳米级聚合物在结构上网络组成一种水凝胶颗粒, 主要包括物理凝胶和化学凝胶两种。由非共价键形成物理凝胶;由交联共价键形成化学凝胶, 使其具有较强的负载能力以及良好的稳定性能, 达到靶向治疗的目的, 效果好, 生物利用度较高。 (3) 固体脂质纳米粒 (SLN) :一般是指物质粒径在10~1000nm之间, 呈固态胶体颗粒状, 主要是以常温下固态的天然或合成类脂为载体的一种新型给药系统[4]。研究发现SLN不但可以控制药物的释放速度还可以避免药物的泄漏或者药物的降解, 具有良好的靶向治疗的优点等。SLN还是一种抗肿瘤药物的载体, 可以更好地将癌细胞杀死, 抗癌有效性高。 (4) 聚合物纳米粒:分人工合成与天然形成两种, 一般粒径为介于10~1000nm之间的固态胶体颗粒, 是一种具有高效、低毒的靶向药物载体。聚合物纳米粒已被成功应用于人工化学合成药物以及蛋白类药物等领域, 具有很好的发展前景[5]。 (5) 纳米药物结晶:主要是利用各种不一样的技术将药物转变为纳米微粒, 一般粒径<1000nm, 分散形成所谓的纳米晶体。其具有容易未定性能, 毒性较低德国特点。但纳米药物结晶可以适用于几乎所有的药物种类, 甚至是对水有高度敏感的药物也可以制备成纳米结晶[6]。

3 小结

纳米技术应用于药物制剂中制造出的新型药物有微乳液、纳米凝胶、固体脂质纳米粒等, 据眼见发现这些新型药物制剂可以控制药物的释放、改善药物的稳定性、提高药物的生物利用度、增强药物的靶向治疗、减低药物的不良反应等。可以说新技术纳米技术应用于药物制剂解决了传统药物制剂存在的缺陷和问题。纳米技术在药物制剂方面取得了一定成果。纳米技术仍然在不断发展, 不久的将来会产生各种各样的新型纳米药物制剂, 但是我们也应该注意一定在遵循自然规律的同时合理有效的应用纳米药物, 不断促进药物制剂的发展, 更好的为人们服务。

摘要：药物制剂的发展一直受到药物低生物利用度的限制和阻碍, 主要是因为药物普遍具有在水中的难溶的特性。而现代社会日新月异, 各种新技术层出不穷, 其中纳米技术应用于药物制剂的研究后, 很好的解决了在水中难容药物低生物利用度的问题。本文从纳米技术的特点和本质出发, 对什么是纳米技术、纳米技术在药物制剂中的应用以及纳米技术与传统药物相比较有哪些优势等进行详细介绍。

关键词：纳米,纳米技术,药物制剂,应用研究

参考文献

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[4]梁健钦, 刘华钢.白藜芦醇固体脂质纳米粒制备工艺及形态学研究[J].中国实验方剂学杂志, 2010, 16 (18) :28-30.

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