納米技術的研究進展及在化生防護中的應用

李江存 江丁洋 梁婷 王悅 嚴坤 杜鎮(zhèn)瀟

摘 要：納米技術被提出以后，世界各國紛紛重視起來，都認為其大有發(fā)展前景。因此，加大投入力度，在一些領域有了突破性的進展，并且應用到了相應的領域，尤其是納米醫(yī)學、納米光纖、納米碳管、納米光催化等的發(fā)展比較突出，在化生防護中更具有其獨特的潛質(zhì)。納米材料作為生物傳感器的固定材料或載體，可以使生物傳感器的靈敏度、檢測范圍、重復性得到明顯增強；“納米布”可用于研制防護服等個人防護裝備；利用納米技術制備的洗消劑，能明顯改善殺毒殺菌效果，而納米自清潔涂料則可實現(xiàn)自潔凈功能。

關鍵詞：納米技術 化生防護 研究進展

中圖分類號：R187 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0075-02

納米技術，是指在0.1～100nm的尺度里，研究電子、原 子和分子內(nèi)的運動規(guī)律和特性的一項嶄新技術[1]。納米材料不同于傳統(tǒng)材料，單分子的性質(zhì)使其具有量子尺寸效應、表面效應，從而使納米材料具有特異的光、熱、聲、 力、化學和生物學性能，并且被廣泛運用到了材料學、物理 學、化學、醫(yī)學、環(huán)境科學、生命科學、生物工程和宇航等 方面。本論文主要論述納米技術的研究進展以及在化生 防護中的應用。

1 國內(nèi)外納米技術研究領域及進展

1.1 納米醫(yī)學

納米醫(yī)學是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，所從事的診斷、醫(yī)療、預防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學技術。從不同程度上來說，人們將從分子水平上認識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，達到改善人類整個生命系統(tǒng)的目的。

生物醫(yī)用納米材料在醫(yī)學領域被廣泛用作功能性基本材料，臨床上目前已經(jīng)應用的有人工骨、人工齒和骨內(nèi)固定材料等。納米生物醫(yī)用高分子材料也得到了很好的發(fā)展，它已逐步應用于血清消毒、免疫分析、介入性診斷、腫瘤藥物靶向、作為轉(zhuǎn)基因載體等。此外，納米藥物載體和納米醫(yī)學診斷也有了突破性的進展。近幾年發(fā)展成熟的納米藥物載體主要有：殼聚糖、聚乳酸-羥基乙酸、固體紙質(zhì)納米粒等[2]。

在納米醫(yī)學上還存在如何得到可靠的納米載體、更準確的靶向物質(zhì)、更有效的治療藥物、更靈敏和操作更方便的傳感器，以及包括載體在體內(nèi)作用機制的有效測試與分析方法等一系列的問題還需要進一步研究解決。

1.2 納米光纖

國內(nèi)對光纖的高非線性的研究主要集中于對光子晶體光纖的研究，但是這項技術的研究在技術上受到國外的限制，阻礙了我們對基于光纖高非線性的應用的研究。 2017年研究人員通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)精心設計一種多層介 質(zhì)薄膜來支撐聚合物納米光纖，借助多層薄膜的光子帶隙 來阻止納米光纖中光信號的泄漏。在該多層介質(zhì)薄膜上， 極細納米光纖完全可以傳輸光信號，其傳輸模式為一維布 洛赫表面波（BSW-1D）模式，突破了我國在這一領域的技 術難關[3]。

1.3 納米碳管

納米碳管是一種新型的具有完整分子結(jié)構(gòu)的碳材料，在結(jié)構(gòu)上具有特殊的中空管狀構(gòu)型、良好的導電性、高比表面積、化學穩(wěn)定性、適合電解質(zhì)離子遷移的空隙、以及交互纏繞可形成納米尺度的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，是作為新能源開發(fā)、極佳傳導介質(zhì)和制備復合材料的研究重點。

2016年美國威斯康星大學材料學家成功研制出1英寸大小碳納米晶體管，首次在性能上超越硅晶體管和砷化鎵晶體管，真正實現(xiàn)了納米碳管在傳導介質(zhì)中的微小化，使我們認識到了納米技術的特殊潛力[4]。納米碳管復合材料已經(jīng)滲透到電化學傳感器應用、載藥微球應用、印跡吸附材料應用和人工肌肉等多個方面[5]。

1.4 納米污染治理

在納米污水處理中，利用納米材料的吸附能力，能將污水中懸浮物吸附并沉淀下來，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置，有效驅(qū)除水中的鐵銹、泥沙以及污染物，該技術在醫(yī)學領域血透中也已開始應用。利用納米材料的催化功能，納米TiO2能有效處理80余種有毒化合物，將這些有毒的化合物完全氧化為CO2和H2O等無害物質(zhì)。此外，可以應用納米TiO2加速城市垃圾的降解，其降解速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而可以緩解大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。利用納米光催化技術結(jié)合大氣與環(huán)境科學進行污染氣體治理，推動了我國在納米污染治理的進程[6，7]。

1.5 其他領域及進展

納米技術在軍事上可以用來制造微型武器，能夠像士兵一樣執(zhí)行各種軍事任務，如太空中的“麻雀衛(wèi)星”、空中的“蜜蜂飛機”和地面的“螞蟻士兵”等；納米生物學通過研究在納米尺度上的生物過程，可以用來固定大量蛋白質(zhì)，甚至是酶，從而進一步控制生化反應。此外，納米技術在航天航空領域也應用廣泛，近年已被用到發(fā)動機的陶瓷部件、納米衛(wèi)星、航天飛機表面阻熱材料等方面[8]。

2 納米技術在化生防護中的應用

2.1 納米化生傳感器

傳感器在化生偵查裝備中有著至關重要的作用，它是構(gòu)成裝備的核心器件。納米傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有尺寸小、精度高等性能，在豐富了傳感器理論的同時，也拓寬了傳感器的應用領域。

化學傳感器方面，美國圣迪亞實驗室成功研制出一種表面巨大、具有完全規(guī)則納米結(jié)構(gòu)的超薄涂層，孔隙被設計成可以允許一定尺寸的分子通過。這種超薄涂層可以用作化學傳感器，檢測分子的靈敏度比普通的傳感器材料要高出幾百倍。此外，還有人在開發(fā)一種具有活性孔隙的納米材料，孔隙可以隨條件不定向變化開閉，可用作戰(zhàn)場毒劑劑量檢測裝置，很大程度上解決了戰(zhàn)場形勢[9]。

納米材料作為生物傳感器的固定材料或載體，可以使生物傳感器的靈敏度、檢測范圍、重復性得到明顯增強，在生物傳感器改進方面具有重要的應用價值。金納米粒子具有表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強等特點，因為其表面原子配位不足，失電子現(xiàn)象嚴重，對于生物大分子有很強的吸附能力，能更加高效地固定生物大分子，因此可用于設計和研制各種具有特定功能的生物傳感器。納米金溶膠技術能使組裝表面上的蛋白質(zhì)和酶保持穩(wěn)定的生物活性，也使其保持穩(wěn)定的性質(zhì)。目前較為成熟的是免疫膠體金技術。

2.2 納米材料在個人防護裝備的應用

將納米技術應用到個體防護裝備有兩種途徑，一種方法是將納米顆粒添加到纖維材料中而制成面料，另一種是將纖維材料直接制成納米纖維，然后再編織成“納米布”，可用于研制防護服等系列個人防護裝備?；雷o服通常采用第二種方法。美國開發(fā)明了用于服裝的納米纖維材料，利用這種低密度、高孔隙度和大比表面積納米纖維材料制成的多功能防護服，具有可呼吸性，既能擋風、過濾細微粒子也對化生有毒物進行阻擋與過濾，也能允許汗液的揮發(fā)與擴散，穿著十分舒適。此外，美國還在研究納米材料隨環(huán)境變化的敏感性，利用納米材料制成能釋放生物和化學武器解毒劑的軍裝和面具，使士兵能在受到生物武器和化學武器污染的戰(zhàn)場上行動自如[10]。

2.3 納米化生洗消

洗消的對象主要包括人員、裝備和工程設施。利用納米技術制備的洗消劑，能明顯改善殺毒殺菌效果，而納米自清潔涂料則可實現(xiàn)自潔凈功能。

利用納米光催化技術可有效破壞有機物或微生物的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示半導體光催化技術在軍用毒劑消毒領域有廣闊的應用前景，可用于染毒水的消毒、毒劑銷毀、以國防工程為代表的一些內(nèi)部和戰(zhàn)地染毒空氣的進行消毒等[11]。

納米材料由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應，其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點。利用納米技術研制開發(fā)的納米TiO2在紫外光照射條件下，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而具有超親水性，阻止紫外光照射，數(shù)小時或幾天后又回到疏水性狀態(tài)，再用紫外光照射，又表現(xiàn)出超親水性。鍍有納米TiO2的表面因為其超親水性，使油污不易附著，即使有所附著，也是和外層水膜結(jié)合，在外部風力、水沖雨淋及自身重力作用下能自動從涂層表面剝離，從而達到防污和自清潔的目的。太陽光中的紫外線足以維持納米TiO2薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期的自潔去污效應。這一特性可廣泛應用于防護裝備表面涂層，使其具有自潔凈功能，從而達到在戰(zhàn)場上長時間防護的效果[12]。

3 結(jié)語

目前，納米技術研究仍處在起步階段，還沒有獲得重大的、突破性進展，還沒有達到真正全面實用的水平，尤其是納米技術在化生防護中的應用依然很少?？偠灾?，納米技術在今后一定會推動防護裝備向小型化、智能化、精密化和更加多功能化發(fā)展。

參考文獻

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