纳米技术与功能高分子材料

纳米技术与功能高分子材料摘要：进入21世纪，伴随着纳米科技的发展，塑料产业迎来了又一个春天，纳米材料独特的表面界面效应; 小尺寸效应及量子尺寸效应和聚合物密度小, 耐腐蚀、易加工等优良特性有机的结合，形成了一类新型功能高分子材料。据美国 BRG Townsend 咨询公司的调研报告介绍：2001年全球塑料添加剂消费总量约798.4万吨，总产值达146亿美元，其中功能型助剂约占80，足以说明功能高分子材料在塑料产业中的重要地位。新材料、新技术的不断涌现既是推动塑料产业持续发展的动力，又象一块磁石在吸引着企业家的眼球，是他们寻求新的投资方向的风向标。下面例举的是2005年国内外报刊、杂志上陆续发表的纳米技术与功能高分子材料的应用实例，供读者参考。1. 院士评出2004年中国十大科技进展新闻之六纳米“超级开关”材料研制成功1中科院化学研究所江雷研究员领导的研究小组成功地通过调节“光”和“温度”实现了纳米结构表面材料超疏水与超亲水之间的可逆转变，制备出超疏水超亲水“开关”材料，在功能纳米界面材料研究领域取得了重要进展。其论文分别在美国化学会志、德国应用化学发表后，得到英国自然和美国科学杂志的高度评价。这两项研究成果将可能应用于基因传输、无损失液体输送、微流体、生物芯片、药物缓释等领域，具有极为广阔的应用前景。 疏水性和亲水性是固体材料表面所具有的两种重要的特性。通常人们穿着的服装是亲水的，很容易被水湿透（不疏水）；而塑料布等就是疏水的，不能被水透过（不亲水）。如果现在用温度调控的超疏水超亲水“开关”材料制作服装，那么，夏天温度高时衣服是亲水的，亲水吸汗就不会感到太热；冬天温度低时衣服就变成疏水的，防寒又保暖。2. 日本开发出新型纳米开关2日本物质材料研究机构的研究人员新开发出一种纳米开关，利用原子受电压控制后产生的排列形状变化达到开关电流的目的。这一成果发表在新一期的自然杂志上。 研究人员在实验中首先将硫化银电极和白金电极之间的间隔定为纳米左右。之后，在加上电压的状态下，硫化银电极的10个银原子排列产生变化，构成一个“微小的突起”得以伸长并连接上白金电极；撤掉电压后银原子的“突起”状排列消失，保持与白金电极断开的状态。据悉，这种纳米开关消耗的电力只有半导体元件的百万分之一。此外，通过改变传统开关的结构还有望开发出更加轻小的新型便携装置，把计算机、数码相机、电视机等各种功能集中在一起。专家认为，结合现在的半导体技术，这一成果可用于制造新型存储器等许多域，产品有望在10年内面市。3. 自组装型分子光开关3 Tobin Marks和同事在2005年1月出版的自然一材料学上报告说，他们研制的一种有机分子薄膜开关可提供一种简单、廉价的方法，让信息在光纤网络中传播，而所需时间只是以前时间的一小部分。研究人员说，这种利用电子和光学性能自组装的薄膜能够通过开关控制光信号在不同的通道中的传播，消除了通常情况下首先要将光信号转换为电信号的瓶颈障碍，因此大大降低了信号传输的时间。到目前为止，绝大多数“电-光材料”的研究都集中在像铌酸锂这样的无机晶体上，主要原因是这类材料的折射率会在外加电场的作用下发生变化，但这类材料价格昂贵而且很难与相关技术集成。相反，由Marks等人开发的有机材料能够在低温下在任何底垫上生长，且成本低廉，从而让它们很容易与光波导和其它设备结构集成。4. 有机薄膜存储能力达光盘材料十万倍4近日，由中科院化学研究所宋延林、上海有机化学研究所丁奎岭和中科院物理研究所高鸿钧主持，我国科研人员在有机超高密度信息存储研究领域取得新的进展。他们利用化学方法制备的有机超分子薄膜，成功实现纳米尺寸信息点的写入，对应信息存储密度每平方厘米超过1013比特，是现有光盘存储能力的十万倍。5. DNA多层纳米管研制成功5首个完全由DNA分子组成的多层纳米管研制成功。这种多层纳米管是由许多DNA分子链交缠在一起组成的,当加热时,这种纳米管会分解,释放出一个个DNA分子，这种纳米管是由佛罗里达大学的化学家Charles R. Martin和他的同事合成并表证的。这些纳米管将来可以用于DNA传送工具，如治疗基因紊乱等疾病，因为这些纳米管都是由DNA组成。这种纳米管是在含有100nm的孔洞的氧化铝膜上组装成功的。 有机磷酸酯膜在这种纳米孔洞上沉积，Zr(IV)被用来将单个DNA分子链上的磷酸酯基与有机磷酸酯联接起来，连接上去的DNA分子链同其旁边的DNA分子链相互交缠，从而组成柱状结构，除了连接剂层和底层有三层结构。然后去掉模板得到完全由DNA组成的纳米管。 这种新的DNA纳米管使在不分离载体的情况下传递DNA分子成为可能，但这些纳米管必须能够穿透细胞膜并能够达到细胞核，这些还得有待于进一步去证明。6. 金纳米粒子释放出NO 6目前美国North Carolina大学的化学家制备出一种可以定量释放NO的金纳米粒子。这种纳米粒子被证实在诸如促进伤口愈合和扩张皮下血管软膏等生物医学和制药学上有很好的用途。化学家制备的这种催化产生NO的纳米粒子是由外面包裹一层烷基硫醇配体保护层的金原子纳米粒子簇组成。他们将一些配体的链端用溴取代，然后溴原子转化为氨基。这种二铵鎓二醇盐NO授体是通过将这些含有氨基的粒子暴露于高压NO气体下制备得到的。处于生理环境下从这种含二元胺纳米粒子上释放出的NO量随二元胺配体浓度和二元胺配体两个氮原子之间烷基链的长度增加而增加。7. 清华纳米人工骨获准美国专利7经过近两年的审核和考察，由清华大学材料系崔福斋教授课题组研究的纳米人工骨，于3月份获得美国专利局颁发的专利批准通知。专利授权证书将纳米人工骨的专利名称定为“纳米磷酸钙胶原基骨修复材料”（Nano-Calcium Phosphates/Collagen Based Bone Substitute Materials），这为纳米人工骨开拓海外市场奠定了基础。纳米人工骨2002年11月获得我国国家药品监督管理局用于临床人体实验的许可，2004年3月份获得我国国家食品药品监督管理局的三类植入产品试生产注册证，成为我国首个可以在市场上公开销售和应用的纳米医药产品。自在医药市场上销售以来，已经在2000多例患有颈椎病、腰椎病、拔牙创、骨缺损等病人身上进行了骨修复的使用，据反馈无一例有副作用和不良反应。目前北京、江西、江苏、广东、辽宁、河北等省市逾30家医院已经采用了纳米人工骨进行治疗。作为国家“863”、“973”计划支持的攻关项目，纳米人工骨（NB系列纳米晶胶原基骨材料）是崔福斋教授课题组采用纳米技术在对人骨骨痂和胚胎骨的分级结构和生物矿化过程的多年研究基础上发明的新型骨材料。它与原有传统人工骨材料的最大区别在于，修复后的骨头和人体骨完全一样，不会在体内留下植入物。它仿照人类的骨头生成的机理，采用自组装方法制备纳米晶羟基磷灰石胶原复合的生物硬组织修复材料，使复合材料具有纳米有序结构的天然骨分级和多孔结构。8. 新加坡研制出智能纳米载体运送治癌药物 8近日新加坡生物工程与纳米科技研究院的科学家研制出一种智能纳米载体，能够把癌症治疗药物准确地运送到癌细胞里，从而更有效地抑制肿瘤生长，却不损害正常细胞。据领导科研小组介绍，这种智能载体只靠酸碱度变化就可以把治癌药物运送到癌细胞中。当癌细胞吸收了这些载体后，药物分子就可顺利释放到细胞质和细胞核中。比起现有的癌症治疗方法，这种载体能够更有效地运送治癌药物来杀死癌细胞，却不对正常细胞产生毒害，从而避免骨髓抑制、心脏损害、胃肠道紊乱以及疲劳、脱发、身体虚弱等副作用。9. 新的传递抗癌药物复合物9 一种新的高分子药物将两种不同的药物分子结合在一个相同的聚合物骨架上。这种复合药物利用激素疗法和化学疗法来对乳腺癌进行治疗。到目前为止，这种复合药仅仅做了细胞测试，科学家María J. Vicent、Ruth Duncan以及他们的同事在威尔士加的夫大学将一种阻止雌性激素生物合成的激素氨基苯乙哌啶酮和广泛用于治疗乳腺癌的药物阿霉素一起链接到N-(2-羟丙基)丙烯酰胺聚合物骨架上，这种链接药物与高分子化学键能够以不同的速度从聚合物骨架上定向释放药物。这种从高分子上释放药物的方位在它们处于相同骨架上和不同骨架上是不同的。这种复合药物治疗乳腺癌在细胞组织中比在试验中更显示药物活性，而病人对化学疗法有抗药性的聚N-(2-羟丙基)丙烯酰胺阿霉素有更高的药物活性。10. 美、德科学家研制出“见光变形”新型塑料10美国和德国科学家4月13日说，他们第一次研制出了能在不同波长光线下改变形状的塑料，它在工业、医学等领域将可能具有广泛用途。美国麻省理工学院和德国GKSS研究中心的这一成果，发表在14日出版的新一期自然杂志上。研究人员介绍说，这一成果的基础是塑料的形状记忆效应，也就是塑料在一定温度下发生有限的变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前形状的特性。不过，他们首次使光的波长成为形状记忆效应的发生条件。研究人员说，他们在聚合物的网状分子结构上镶嵌了一些光敏分子团，形成所谓的“分子开关”。然后，他们以外力拉伸这样形成的光敏塑料薄膜，同时使用特定波长的紫外线照射，这使得镶嵌了光敏分子团的聚合物分子网互相交叉粘连起来。当紫外线消失后，由于分子网的粘连，塑料会维持在拉伸状态，但如果用另一种波长的光照射塑料，在原先紫外线下形成的粘连就会破裂，使塑料变回原来的状态。研究人员说，除了拉长的状态，用上述方法还可以制造其他各种形状的塑料。比如，用两层光敏薄膜合成的塑料，当一面在特定波长的光照射和外力下发生变形，而另一面仍然保持弹性，那么塑料就可以变成弧形甚至螺旋形，而这种弧形塑料在光信号照射下还能恢复成直的。参与研究的麻省理工学院教授罗伯特·兰格强调，光敏塑料在工程、制造业、医学等领域有广泛的应用前景。比如在不开胸的心血管手术中，可以将它制成塑料线探入血管，再用光纤传送一个特定波长的触发信号，塑料线会“摇身一变”成为螺旋形，就可以撑大血管内径。目前，科学家已开始研究新制成的上述塑料的应用前景。11. 碳纤维和碳纳米管填充导电塑料11美国威斯康星州Premix热塑性塑料公司是专门生产导电塑料配混料和抗静电塑料厂商。最近向市场推碳纤维填充的导电塑料新系列产，PreElec，其中以PA和PPS为基体树脂的导电配混料中短碳纤含量可高达60。而以PP、ABS、PC、POM和聚砜等大部分其它塑料为基体树脂的导电配混料中碳纤维最高含量为40%，Premix公司新产品还有碳纳米管填充改性配混料。碳纳米管加入量仅为3%，便赋予材料一定的导热性和导电性。12. 低聚物分子导线12欧洲的一个研究小组将卟啉络锌通过对苯亚乙烯基低聚物(oPPV)链连接到一种球形物上制得一系列小分子电子传导系统。由德国Madrid's Complutense大学Martín N.等领导的研究小组设计了这种三聚体分子并证明具有共轭结构的低聚物能够表现出跟分子导线一样的性质。这种卟啉络锌片段位于分子末端当有光或电子激发时担当电子的给体，分子的另一端担当电子受体。当分子处于基态时，分子两端的片断之间没有电子的传导。当卟啉单元收到激发时电子才会从分子的一段传导到另一端。Martin说由于该分子具有光电转换功能，这是一个很好的光合成模拟实验。13. 美国开发出高效率燃料电池13美国研究人员在新一期网络版科学杂志上发表论文说，他们开发出了一种新的固体氧化物燃料电池，在用碳氢化合物异辛烷作燃料时能源转换效率有望达到50。通常内燃机的能源转换效率不超过15，现有氢燃料电池的效率是29，最新混合动力汽车的效率也不过32，因而在能源供应紧张、油价高涨的今天，这一进展颇为引人关注。14. 常压燃料电池膜技术获新突破14近日，中国科学院大连化学物理研究所由张华