纳米材料及石墨烯的应用研究

王皓冉(郑州中学，河南 郑州 450001)

纳米材料及石墨烯的应用研究

王皓冉(郑州中学，河南 郑州 450001)

近几年纳米材料以及石墨烯一直是研究的热点课题。本文综述了纳米材料在水性涂料和纳米机器人方面的应用，同时也概述了作为纳米材料的石墨烯材料在防弹衣、传感器以及航空航天领域的应用，并对这些材料在未来的发展作了展望。

纳米水性材料；纳米机器人；石墨烯材料；应用

随着社会的发展和科技的进步，化学新材料被越来越多的研究者开发以及使用。纳米材料是将材料加工成纳米尺度的材料，这一类材料在纳米尺度上会表现出一些独特的性质，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等，这些效应使得纳米材料有一些独特的性能。石墨烯本身就是一种纳米材料，是近几年新兴的一种化学新材料，可以应用在各个领域，是一种很有前景的新型材料。本文主要介绍了纳米材料及其一些应用，石墨烯材料的几类应用，为进一步的研究提供了一定的基础。

1 纳米材料

1.1 纳米材料概述

纳米材料是一种纳米级结构的材料，分子尺寸在1-100nm之间，这个尺寸是宏观不可见的，是一种新型的材料。纳米材料本身具有一些独特的性质，比如小尺寸、表面以及量子尺寸效应等。例如将无机抗菌剂通过采用纳米分散或者修饰的技术加入到材料中，可以制成纳米抗菌材料；另外还可以利用纳米材料的小尺寸效应，将其应用到红外感光元件以及红外隐身技术方面。

1.2 纳米水性涂料及其应用

水性涂料是一种以水作为溶剂或者分散介质的涂料，与传统的油性涂料相比，它具有零VOC（挥发性有机物）、溶剂污染小等优点，是一种环保型的涂料。建筑物内墙和外墙的装修和粉刷都离不开涂料，将其用在建筑主体或者室内装修上，可降低对室内外环境的污染，减小涂料本身挥发的一些有机物对人体造成的危害。纳米水性涂料是采用共混法或者原位聚合法的方式制备出来的一种水性涂料。共混法一般是将纳米颗粒与制备涂料所用的树脂、分散介质以及颜料等进行混合来制备纳米水性涂料的方法；原位聚合法是将纳米颗粒与合成树脂所需要的单体一起反应来制备出纳米水性涂料的方法[1]。将纳米颗粒应用在水性涂料上，也可以制备出纳米复合涂料，例如将纳米二氧化硅或者纳米级的紫外线吸收剂等加入到水性涂料中，这些涂料一般都会产生抗菌、抗沾污甚至抗衰老的效果[2]。纳米水性涂料符合环境友好的要求，相信在不久的将来，纳米水性涂料会取代现有涂料，具有一定的工业应用价值。

1.3 纳米机器人及其应用

纳米机器人是近几年出现的一个比较热门的词汇，广泛应用在分子生物学的领域，是将纳米技术与生物医学相结合所形成的一种纳米生物学领域的技术。纳米机器人是在分子生物学原理的基础上，应用纳米技术研究制备出的一种分子学的微型机器人。图1是输送药物的纳米机器人结构示意图。传统的治疗疾病的药物一般都是采用口服或者注射的方式输送到人体内，但是真正起到作用的只有其中的一小部分，大部分会被稀释或者对身体产生一定的毒副作用[3,4]。利用纳米机器人可以将有效的药物精准的送至受感染的部位，不仅高效的治疗疾病，也减少了一定的毒副作用。纳米机器人可以在人体血管内“游走”，诊断体内的异常细胞，充当微型的医生，治疗病变的细胞，甚至用于杀死癌细胞。另外，纳米机器人也可应用在机械智能的方面。

图1 输送药物的纳米机器人结构示意图

2 石墨烯材料

2.1 石墨烯材料的概述

石墨烯材料是由碳原子组成的一种单原子层的石墨，只有一个原子层的厚度，是一种蜂窝状的薄膜，拥有着良好的导电导热性、延展性、柔软性，较强的抗冲击性能，也是一种最轻薄的材料。目前我国已有科学家从玉米芯中提取出石墨烯，并且得到了量产，产生了一定的经济价值。石墨烯材料可应用在柔性显示屏、防弹衣、水过滤膜以及航空航天领域等。

2.2 石墨烯材料在防弹衣上的应用

石墨烯材料因具有较强的抗冲击性能，可以应用到防弹衣材料上。美国的科学杂志上已经有文献报道，石墨烯材料能够承受子弹冲击的性能，并且它的性能要远远超过钢铁制备的防弹衣材料，将其用在防弹衣材料上，可以大大提高防弹衣的抗冲击性能，在军事领域可以得到较好的应用。

2.3 石墨烯传感器及其应用

石墨烯因具有较强的灵敏度，可用在传感器上。例如将石墨烯材料制成石墨烯传感器，可以检测到室内的污染，及时检测出室内超标的污染物，在一定程度上减少室内装修污染对人体造成的危害。石墨烯制成的传感器还可以用到雾霾警报上，有研究者将硼原子加入到石墨烯传感器中，开发出了一种十分灵敏的气体传感器，这种传感器可以检测到极低含量的有害物质浓度，对于现在空气质量不好甚至雾霾严重的现象，可以及时给出提示，提醒人们提前做出预防措施[5,6]。

2.4 石墨烯在航空航天领域的应用

利用石墨烯材料高导电性、高强度以及超级轻薄等特性，可以用在超轻薄飞机上。石墨烯是世界上最薄的材料，制成超轻薄飞机可以减轻飞机的重量，另外利用其做成的传感器用在飞机上，还可以检测出高空大气层中的微量元素，以及飞机上的结构缺陷，用途十分广泛[7]。

3 结语

纳米材料及石墨烯因具有独特的性质，能够应用在各个领域中。对于纳米材料的应用，在纳米水性涂料以及纳米机器人的应用作了分析总结；对于石墨烯材料，是在纳米材料的基础上，应用石墨烯材料本身所具有的独特性质，对石墨烯材料在防弹衣材料、传感器以及航空航天领域的应用作了概述。今后还会有更多的研究者开发研究这些材料的潜在价值和应用，探索更为广阔的应用领域，使这些新材料得到更好的应用。

[1]董春霞.纳米材料在水性涂料中的应用[J].中国新技术新产品,2015(23):1-1.

[2]杨玲.水性纳米TiO2基自清洁涂料的制备与性能[D].复旦大学,2013.

[3]周陈霞,徐万和.纳米机器人的发展和趋势及其生物医学应用[J].机械,2011,38(4):1-5.

[4]Li J,Gao W,Zhang L,et al.Micro/nanorobots for biomedi⁃cine:Delivery,surgery,sensing,and detoxification[J].2017,2(4).

[5]黄振旭,邓振琪,裴先茹.石墨烯材料的制备方法及应用研究进展[J].许昌学院学报,2017,36(2):59-63.

[6]Wang T,Yu J,Wang M,et al.Effect of different sizes of graphene on thermal transport performance of graphene paper[J].Composites Communications,2017,5:46–53.

[7]Papageorgiou D G,Kinloch I A,Young R J.Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites[J].Progress in Materials Science,2017,90:75-127.

Study on the Application of Nano Materials and Graphene

Wang Haoran(Zhengzhou Middle School 450001)

In recent years,nano materials and graphene have been a hot research topic.This paper reviews the application of na⁃no materials in waterborne coatings and nano robots,also summa⁃rized as graphene materials and nano materials in bulletproof cloth⁃ing,sensors and aerospace applications,and these materials in the prospect of future development.

nano aqueous material;nano robot;graphene mate⁃rial;application