納米花兒開(kāi)

　　當(dāng)時(shí)尚男女們熱衷于買(mǎi)花送給心愛(ài)的戀人時(shí)，做夢(mèng)都沒(méi)有想到科學(xué)家們已經(jīng)“培植”出了極其微小的新式花朵。這些花非常非常小，比人的頭發(fā)絲還小數(shù)千倍；花的整體尺寸通常為幾微米，花瓣厚度僅為幾百納米。要知道，1納米等于10⁹米，1微米僅為百萬(wàn)分之一米。這是一些只能在高倍電子顯微鏡下才能看得見(jiàn)、一般的光學(xué)顯微鏡根本無(wú)法分辨的花朵，科學(xué)家們稱(chēng)之為“納米花”。
　　日常生活中，當(dāng)人們種植觀花植物時(shí)，必須等上幾個(gè)禮拜或幾個(gè)月才能看到自己辛勤勞作的成果。但在實(shí)驗(yàn)室里，這些比人的頭發(fā)絲微小數(shù)千倍的納米花有時(shí)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能“生長(zhǎng)”出來(lái)。培育它們的“園丁”不是園藝師，不是花農(nóng)，而是化學(xué)家、材料學(xué)家，或是納米技術(shù)專(zhuān)家。
　　最近，筆者做了一次有關(guān)納米花的調(diào)查。結(jié)果顯示，2003年以前，幾乎沒(méi)有關(guān)于納米花的報(bào)道；2004年~2008年，納米花的相關(guān)報(bào)道逐漸增多，但每年的文獻(xiàn)數(shù)不超過(guò)10篇；2009年以后，有關(guān)納米花的報(bào)道快速增多，其中，2010年的報(bào)道數(shù)量超過(guò)了30篇；2011年前3個(gè)月，納米花報(bào)道數(shù)量竟達(dá)到20多篇。
　　納米藝術(shù)是近年來(lái)才出現(xiàn)的新生事物，是納米技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合。納米花是納米藝術(shù)的重要題材，也是納米材料的重要組成部分，直接反映了當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。
　　
　　納米花有什么用
　　
　　納米花，說(shuō)到底就是幾何形態(tài)似花，但細(xì)節(jié)尺寸卻為納米量級(jí)的顆粒。因此，但凡納米顆粒具有的用途，納米花也都有。
　　納米顆粒到底有什么用途呢?讓我們列舉一些比較典型的吧!
　　首先是作為納米氣敏傳感器。氣敏傳感器的主要工作原理是被檢測(cè)氣體與傳感器表面發(fā)生反應(yīng)，引起傳感器表面某種性質(zhì)發(fā)生變化(如電阻、電導(dǎo)、電壓、阻抗等)，傳感器將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，人們通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析，即可得到有關(guān)氣體濃度、成分等的相關(guān)信息。研究表明，納米氧化鋅、納米氧化錫等材料接觸酒精、汽車(chē)尾氣等氣體時(shí)，電阻都會(huì)發(fā)生顯著改變，因此這些納米顆粒可望在檢查司機(jī)酒后駕駛、環(huán)境檢測(cè)等方面，發(fā)揮重要作用。
　　第二是應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板領(lǐng)域。瑞士國(guó)家材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究表明，如果在太陽(yáng)能面板表面黏上聚苯乙烯微球，并在微球表面“種植”密密麻麻的氧化鋅納米線，太陽(yáng)能板吸收陽(yáng)光的有效面積會(huì)大幅度提高，發(fā)電效率可以提高75％左右。
　　第三是在加熱、冷卻技術(shù)方面。近來(lái)，美國(guó)俄勒岡州大學(xué)的研究人員勝浩町等人研究了化學(xué)反應(yīng)試劑中維生素c對(duì)納米氧化鋅形貌的影響，在銅的表面上得到了酷似斑葉馬齒莧的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。他們聲稱(chēng)，“在銅的表面覆蓋上納米尺度的磷片狀氧化鋅層可以顯著提高銅的熱傳輸特性”，這一發(fā)現(xiàn)“將在加熱、冷卻技術(shù)方面帶來(lái)一場(chǎng)新的革命”。
　　第四是光催化作用。研究發(fā)現(xiàn)，在光照條件下納米氧化鈦具有優(yōu)良的光催化特性，可加速某些有機(jī)物的降解，在污水處理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　此外，納米碳化硅等還具有自清潔特性。當(dāng)霧氣和水滴落到經(jīng)納米氧化硅改性的材料表面時(shí)，就會(huì)像露珠在荷葉表面那樣滑落下來(lái)。因此，納米碳化硅可用來(lái)制作防水材料，如汽車(chē)的擋風(fēng)玻璃，甚至是建筑外墻。
　　講到這里，有人肯定會(huì)問(wèn)，除了表面形貌差異外，納米花到底和納米顆粒還存在什么區(qū)別呢?和普通的納米顆粒相比，納米花通常具有大量針狀或片狀的花瓣，這使得它們具有更大的表面積，更好的表面活性，因此，在上述各項(xiàng)應(yīng)用中自然也就會(huì)有更佳表現(xiàn)?？梢?jiàn)，納米花并非華而不實(shí)，只是用來(lái)欣賞的。
　　
　　納米花是怎樣培育出來(lái)的
　　
　　和常規(guī)的花完全不同，納米花大多都是研究人員在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)化學(xué)方法、物理方法制備的。從目前納米花的研究現(xiàn)狀來(lái)看，水熱法應(yīng)該屬于最常使用的納米花制備方法。水熱法又稱(chēng)熱液法，屬液相化學(xué)法的范疇，是指在密封的壓力容器中，以水為溶劑，在高溫高壓條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。水熱反應(yīng)依據(jù)反應(yīng)類(lèi)型的不同可分為水熱結(jié)晶、水熱氧化、水熱合成、水熱水解等。在納米花的制備中，水熱結(jié)晶法應(yīng)用得最為廣泛。目前，科學(xué)家們已經(jīng)利用水熱法成功制備了氧化鋅納米菊花、氧化鋅納米萬(wàn)年草、氧化鋅納米八瓣梅花、鋁納米五角花、氧化鈦納米芍藥等等。
　　第二類(lèi)納米花的制備方法是氣相沉積法。這里，所謂的氣相沉積法是指讓兩種及兩種以上的氣態(tài)物質(zhì)在基底上沉積生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，沉積物可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可能僅是依靠分子間的吸附作用沉積在一起。前者被稱(chēng)為化學(xué)氣相沉積法，后者則被稱(chēng)為物理氣相沉積法。為了促使納米花的快速生長(zhǎng)，化學(xué)氣相沉積法中常常還會(huì)在生長(zhǎng)基體表面布上微小的催化劑顆粒。
　　采用氣相沉積法，科學(xué)家們已經(jīng)成功制備出了各種各樣的納米花，如氧化鋅納米茶花、硫化鉬納米牡丹、納米碳管“仙人球”、碳化硅納米風(fēng)信子、氮化銦納米剪秋羅、氮化硅款冬花等。
　　第三種制備方法為分子束外延方法。所謂分子束外延方法，就是在單晶襯底(基底)上生長(zhǎng)一層有一定要求的、與襯底晶體方向相同的單晶層，就猶如原來(lái)的晶體向外延伸了一段。2008年秋季，美國(guó)材料學(xué)會(huì)舉辦了一年兩度的“科學(xué)就是藝術(shù)”大賽。臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)中心衛(wèi)派春博士的納米花榮獲一等獎(jiǎng)。這是一張纖維鋅礦結(jié)晶氮化銦納米花的電子顯微鏡照片，經(jīng)過(guò)電腦著色處理后酷似一朵火紅的玫瑰；納米玫瑰的每個(gè)花瓣的尺寸為幾十納米。其制備方法采用的就是分子束外延方法，即使用高純度的銦，以及疊氮酸作為氮源，在基體表面沉積生長(zhǎng)。
　　第四種方法為電子束雕刻技術(shù)。即用電子束雕刻機(jī)對(duì)一種名叫聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的有機(jī)物薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得PMMA納米菊花、PMMA六瓣梅花列陣等。
　　除了上述方法以外，還有滴涂法，即在旋轉(zhuǎn)的基體表面滴上某種有機(jī)溶液，利用溶液和基體之間的作用獲得納米花；直流電弧法，即在氣態(tài)特殊環(huán)境下進(jìn)行電弧放電，在陰極或陽(yáng)極上得到花樣的納米結(jié)構(gòu)等等。
　　當(dāng)然，如果運(yùn)氣好的話(huà)，只需要將電子顯微鏡對(duì)準(zhǔn)生物切片，或者試件斷口，有時(shí)也會(huì)觀察到一些美妙的納米花。
　　
　　納米花的分類(lèi)
　　
　　最近，筆者在撰寫(xiě)一本名為《千姿百態(tài)的納米花》的專(zhuān)著。該書(shū)共收錄了近7年來(lái)的納米花140余種／朵。這些納米花包括納米玫瑰、納米菊花、納米芍藥、納米茶花、納米火球花、納米藍(lán)刺頭、納米丁香花、納米康乃馨、納米黃金葉球、納米八瓣梅花……
　　從花瓣的形態(tài)上來(lái)看，納米花有針狀花瓣、絲狀花瓣，以及片狀花瓣。針狀花瓣納米花的典型代表為材料學(xué)家米哈·蘭道的氧化鋅納米鐵樹(shù)花、我國(guó)學(xué)者曹峰等人的硫化鎳納米玉山佛甲草花、洛倫佐·薩博等的含苞待放的納米球蘭花、我國(guó)學(xué)者郎雷鳴等人的帶毛刺外殼的硫化鎳納米板栗等。絲狀花瓣的納米花有我國(guó)學(xué)者韓玉濤等人的硫化錫納米發(fā)財(cái)樹(shù)花、新加坡國(guó)立大學(xué)吳義宏博士的納米碳管仙人球、楊梅等人的納米珊瑚花等。片狀花瓣的納米花有我國(guó)中南大學(xué)材料學(xué)家張寧博士等人的氧化鋅納米茶花、美國(guó)威斯康辛州大學(xué)史劍博士的氧化鋅納米康乃馨、美國(guó)密歇根州大學(xué)物理系學(xué)生阿彼錫·普拉薩德的硒化鎘／硫化鋅納米丁香花、美國(guó)俄亥俄州大學(xué)傳感系統(tǒng)研究所波特教授的納米氧化錫黃腺香青花等。
　　從材質(zhì)來(lái)分，納米花又可以分為氧化物納米花、硫化物納米花、氮化物納米花、無(wú)機(jī)鹽納米花、碳材料納米花、半導(dǎo)體材料納米花、生物和有機(jī)物納米花等。氧化物納米花又包括氧化鋅納米花、氧化鈦納米花、氧化硅納米花、氧化鐵納米花、氧化銅納米花和氧化錫納米花等；碳材料納米花則主要包括納米碳管納米花、碳富勒烯納米花和碳纖維納米花。需要注意的是，目前，氧化物納米花已占到納米花總數(shù)的50％以上，硫化物納米花的比例也高達(dá)13％左右。
　　從制備的手段及方法來(lái)看，納米花有的是采用液相法制備的，即在溶液中利用化學(xué)反應(yīng)得到或通過(guò)結(jié)晶法制備的；有的是采用氣一固法制備的，即讓氣態(tài)物質(zhì)在基體上化學(xué)沉積或物理沉積生長(zhǎng)而成；有的是用電子束雕刻機(jī)雕刻的；有的是有意制備的；有的則是無(wú)意間偶然發(fā)現(xiàn)的。
　　“培育”納米花并非易事
　　最近，網(wǎng)上流傳著一則故事，名字叫“賣(mài)火柴的小女孩(納米版)——只有博士生才能讀懂其中的滋味”。故事說(shuō)的是一名可憐的女博士，為了完成學(xué)業(yè)，整天泡在實(shí)驗(yàn)室，做夢(mèng)都想制備出哪怕僅是一款規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)。讀完文章后，雖然覺(jué)得有些夸張，心里仍酸酸的。作為一名從事過(guò)納米研究的工作者，筆者深知實(shí)驗(yàn)室里要得到特定納米結(jié)構(gòu)有多么困難，何況還是一款漂亮的納米花結(jié)構(gòu)。
　　欣賞納米花是一件賞心悅目的事。但實(shí)際上，要在實(shí)驗(yàn)室里“培育”出朵朵納米花卻非易事。為了制備出像樣的納米花，試驗(yàn)中溶液的酸堿度、化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物的組分、反應(yīng)時(shí)間、催化劑、分散劑、溫度等各種條件都要把握得恰到好處。絕大多數(shù)情況下，試驗(yàn)產(chǎn)物都會(huì)因某種條件沒(méi)有把握好而僅是一些烏七八糟的不明物質(zhì)；電子顯微鏡下，這些不明物質(zhì)黑乎乎的一片，更別提什么納米結(jié)構(gòu)和納米花了。
　　
　　【責(zé)任編輯】