納米科技及其在地學(xué)上應(yīng)用

湯 倩，張 燕，王 鉅

有色金屬華東地質(zhì)勘查局-地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 510027

1 概述

納米科學(xué)技術(shù)（nano scale science and technology）作為新興的學(xué)科[1]，在人類社會(huì)進(jìn)入世紀(jì)之交的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變年代，在世界范圍興起，發(fā)展迅速，前景誘人，國際競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始。人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)始于宏觀物體，又逐漸認(rèn)識(shí)到原子，分子等微觀粒子，然而對(duì)納米微粒卻缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本組成單元，原子的不同排列方式使自然界物種豐富多樣化。1959年，著名的物理學(xué)家諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主查德·費(fèi)曼說：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡?！奔{米科技則使人們能夠直接利用原子、分子制備出包含原子的納米微粒，并把它作為基本構(gòu)成單元，適當(dāng)排列成一維的量子線，二維的量子面，三維的納米固體。納米材料有一般固體都不具備的優(yōu)良特性，所以有著廣闊的應(yīng)用前景。錢學(xué)森指出：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！盵3]

1.1 基本概念

納米（Nanometer）又稱毫微米，是一種長(zhǎng)度單位。1納米等于10-9m（十億分之一米）。上田良二教授于1984年從測(cè)試的角度給納米微粒下了一個(gè)定義：用電子顯微鏡（TEM）能看到的微粒稱為納米微粒[4]。納米技術(shù)是1974年在東京由日本精密工程學(xué)會(huì)（JSPE）和國際生產(chǎn)工程研究學(xué)會(huì)（CIRP）聯(lián)合主持的會(huì)議上由日本東京科學(xué)大學(xué)機(jī)械工程教授谷口紀(jì)男提出的[5]。納米科技（Nanost）是一門在0.1nm～100nm范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)和生命進(jìn)行研究應(yīng)用的科學(xué)。這是一種介觀區(qū)域（宏觀和微觀之間的連接區(qū)域）進(jìn)行開發(fā)研究的新技術(shù)。它使人類認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的手段和能力延伸到分子和原子。納米科技涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)等眾多學(xué)科以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，電真空技術(shù)，掃描隧道顯微鏡及加工技術(shù)，等離子體技術(shù)和核分析等各種技術(shù)領(lǐng)域，是一門綜合性的新興科學(xué)技術(shù)。

1.2 納米科技的發(fā)展歷史

納米科技是20世紀(jì)科技領(lǐng)域重要突破它的發(fā)展經(jīng)歷了孕育萌芽階段，探索研究階段和應(yīng)用開發(fā)階段3個(gè)時(shí)期。

1）孕育萌芽階段。費(fèi)曼設(shè)想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。1860年，膠體化學(xué)誕生之日，對(duì)粒徑約（1～100）nm的膠體粒子開始研究，但由于受研究手段限制，發(fā)展緩慢；

2）探索研究階段。30年后，1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩召開，同年《納米生物學(xué)》和《納米科技》專業(yè)刊物相繼問世。這標(biāo)志著一門嶄新的科學(xué)技術(shù)-納米科學(xué)技術(shù)，在經(jīng)過30年的曲折道路，終于誕生了。費(fèi)曼的美妙設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)了[6]；

（3）應(yīng)用階段。1993年，開始進(jìn)入蓬勃的發(fā)展時(shí)期，20世紀(jì)末獲得許多成果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)可能還要經(jīng)歷10～20年的努力。

1.3 納米固體的基本特征

納米固體的重要特征，決定了納米科技具有劃時(shí)代意義。這些特性有如下4個(gè)方面[6]：

1）表面與界面效應(yīng)。納米微粒尺寸小，表面積大，所以位于表面的原子比例相對(duì)增多。尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系見表1。當(dāng)物質(zhì)粒徑小于10nm，將迅速增加表面原子的比例，當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于表面原子數(shù)增多，使得這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定，具有很高化學(xué)活性，表面吸附能力強(qiáng)，擴(kuò)散系數(shù)增大，塑性和韌性都大大提高；

表1 納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

2）小尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米微粒的尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，電，光，磁，聲，熱力學(xué)等特征均會(huì)出現(xiàn)小尺寸效應(yīng)；

3）宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用都有重要的意義；

4）量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象。而當(dāng)顆粒中所含原子數(shù)隨著尺寸減小而降低時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距大于靜磁能，磁能，熱能，靜電能，超導(dǎo)態(tài)或光子能量的凝聚能時(shí)，就導(dǎo)致納米微粒磁，熱，聲，光，電以及超導(dǎo)電性與宏觀特征顯著不同，稱為“量子尺寸效應(yīng)”。例如導(dǎo)電的金屬在超細(xì)微粒時(shí)可以是絕緣的。

表面界面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)是納米微粒與納米固體的基本特征，它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)出許多不同的物化性質(zhì)。

2 納米科學(xué)研究的分析手段

具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡（STM），高分辨透射電鏡（HRTEM），和原子力顯微鏡（AFM）等手段[7-9]能直接觀察出納米固體，納米微粒，和納米結(jié)構(gòu)特征。

1）掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡（STM）具有原子級(jí)的空間分辨率。主要描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖。主要用于導(dǎo)電納米礦物原子級(jí)的空間分辨率研究 ，如金屬硫化物研究。

2）高分辯透射電鏡（HRTEM）

高分辯透射電鏡（HRTEM）空間分辨率可達(dá)0.1nm～0.2nm。主要用于各種礦物納米級(jí)的成分，形貌，結(jié)構(gòu)的綜合研究。如金屬硫化物，硅酸鹽礦物，礦物中的出溶物以及膠體礦物研究。

3）原子力顯微鏡（AFM）

以掃描隧道顯微鏡（STM）為基礎(chǔ)發(fā)展起來的原子力顯微鏡（AFM）

能探測(cè)針尖和樣品之間的相互作用力，達(dá)到納米級(jí)的空間分辨率。為了獲得絕緣材料原子圖像，又出現(xiàn)了原子力顯微鏡。AFM主要是用于非導(dǎo)電納米礦物原子級(jí)的空間分辨率研究。如硅酸鹽礦物，膠體礦物等研究。在納米材料方面主要是觀察納米材料物質(zhì)等在礦物物質(zhì)表面的吸附和沉積，以及天然納米微粒形狀。

3 納米科技理論在地學(xué)上的應(yīng)用

納米科技與地學(xué)的結(jié)合形成了以下3種學(xué)科納米地球化學(xué)，納米礦床學(xué)和納米礦物學(xué)。

3.1 納米地球化學(xué)

納米地球化學(xué)就是研究地球中納米微粒分布，分配，集中，分散，遷移規(guī)律，以及由納米微粒的分布及組合特征反映斷裂活動(dòng)，探測(cè)石油，天然氣，金屬礦床等。納米物質(zhì)使元素具有新的地球化學(xué)活性和新的成巖成礦模式：傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，溫度越高，化學(xué)活性越大，元素的遷移能力越強(qiáng)，反之活性就越小，越不容易遷移。為此，作為化學(xué)性質(zhì)很不活潑的金，在較低溫度下，理應(yīng)活性很小，溶解度偏低，很難遷移成礦。事實(shí)上卻與納米金的地球化學(xué)行為相矛盾。但如果從納米科技理論的角度考慮，就不難理解了。納米科技理論認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)的粒度達(dá)到納米級(jí)時(shí)，由于顆粒極其細(xì)小，表面積很大，例如SiO2，其粒徑從36nm減少到7nm時(shí)，其比表面積由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面積使大量的原子處在表面，使元素的化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度增加很多，吸附能力增強(qiáng)，熔點(diǎn)變低，物化性質(zhì)發(fā)生改變。成巖成礦溫度低，因而使元素具有低溫活性。粒度越小，活性越大。這使納米級(jí)的物質(zhì)具有成分相同的可見顆粒所沒有的特性。產(chǎn)生新的地球化學(xué)活性和新的成巖成礦模式。對(duì)稀有元素，活性性質(zhì)不活潑的元素，分散元素和在水中溶解度極低的元素，在低溫條件下成巖成礦作用有了不同的解釋思路。

3.2 納米礦床學(xué)

相同成分的納米微粒不同的物化性特性已使地質(zhì)學(xué)家對(duì)礦床學(xué)理論中有關(guān)礦質(zhì)運(yùn)移，富集過程有了新的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，礦物質(zhì)的運(yùn)移以溫差，壓力差或濃度差為前提條件，而對(duì)礦物質(zhì)的運(yùn)移和富集又限定其必須有一定的礦化劑為載體，而未意識(shí)到同種物質(zhì)如果其粒度不同則其物化性質(zhì)的差別非常巨大。傳統(tǒng)成礦理論一直認(rèn)為金礦的形成是由于其離子與一定絡(luò)合劑結(jié)合，在一定的溫度條件下遷移到一定部位，經(jīng)過各種化學(xué)反應(yīng)生成自然金而聚集成礦。納米科學(xué)技術(shù)理論認(rèn)為：源巖中的原子態(tài)金只要達(dá)到納米級(jí)，其本身首先就由于極大的自擴(kuò)散系數(shù)和吸附性而擴(kuò)散，遷移合富集成礦。目前為止，地學(xué)界一直對(duì)砂金為何能在低溫條件下甚至使常溫態(tài)下能夠形成“狗頭金”的事實(shí)沒有定論，現(xiàn)在看來，很有可能是納米級(jí)的金自身擴(kuò)散，遷移，吸附的結(jié)果。這種聚集成礦作用，在內(nèi)生金屬成礦作用過程中可能也同樣起著不可低估的作用[11]。

3.3 納米礦物學(xué)

目前，由于科技的限制，人類對(duì)礦物學(xué)的認(rèn)識(shí)，往往注重宏觀礦物單體，聚合體的形態(tài)及有關(guān)特性，注重微觀礦物成分及原子排列的情況，而對(duì)納米礦物微粒，納米礦物結(jié)構(gòu)缺乏深入細(xì)致的研究。在傳統(tǒng)礦物學(xué)研究中，把礦物看成理想的晶體點(diǎn)陣，但在納米礦物學(xué)中則著重研究納米礦物微粒和礦物結(jié)構(gòu)特征以及與此有關(guān)的巖石學(xué)，礦床學(xué)，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)，地球化學(xué)等地質(zhì)學(xué)科。

所謂的納米礦物就是指晶體粒度細(xì)小至納米量級(jí)的礦物顆粒。往往是以集合體形式結(jié)合一起[12]。彭同紅、萬樸等人運(yùn)用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)以下幾種非金屬礦晶體，具有納米尺寸的結(jié)構(gòu)：

1）沸石，其內(nèi)通道直徑為13nm～113nm；

2）條紋長(zhǎng)石、月光石、日光石，其晶間距為2nm；

3）膨潤(rùn)土、高嶺土、海泡石，其層間距離為2nm等；

4）鱗片石墨經(jīng)高溫膨化后形成蠕蟲石墨，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔徑直徑為10 nm～100nm[13]。

目前，已發(fā)現(xiàn)的納米礦物資源主要分布在大洋底部及陸地。例如：海洋中的“黑煙囪”和陸地上的納米礦物有氧化物和硅酸鹽等。但受限于開采技術(shù)，目前僅其中層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物并已初步進(jìn)行開發(fā)利用。納米物質(zhì)的巨大的比表面積、特殊的界面效應(yīng)、臨界尺寸效應(yīng)及高能量狀態(tài)賦其不同于普通物質(zhì)的特性。例如，普通金的沸點(diǎn)為2966℃，而納米相金則在700℃～800℃條件下熔解、氣化[12]。其它納米相金屬也具有此特性。因而納米級(jí)礦物開發(fā)利用有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

納米科技的研究是國際當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它使人類在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新層次，即從微米級(jí)層次深入到納米級(jí)層次。也使地質(zhì)學(xué)科學(xué)家的認(rèn)識(shí)改造自然界進(jìn)入一個(gè)新層次。HRTEM，STM，AFM等測(cè)試方法的在納米礦物學(xué)中的研究運(yùn)用，一些新概念、新理論、新方法隨之孕育而生，使21世紀(jì)礦物學(xué)的研究將上一個(gè)新臺(tái)階，這將促進(jìn)地質(zhì)科學(xué)飛速發(fā)展。

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