認識納米

劉靜怡

中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所

“納米”，是最近幾年非常熱門的一個概念。我們現(xiàn)在隨處可見各種商品貼上“納米”的標簽：“納米”材料、“納米”油漆、“納米”添加劑，不勝枚舉。那么，“納米”究竟是什么呢？

1 幾個相關(guān)概念

“納米”，其實是一個長度單位，1納米等于1米的十億分之一。也就是說，1米等于1000毫米，1毫米等于1000微米，1微米又等于1000納米。舉個形象的例子，我們說人的卵子直徑大約有0.15毫米，也就是等于15萬個納米的長度。

納米材料從定義上講，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間（在三維空間中只要有一維在該范圍內(nèi)就符合定義，也就是長、寬、高只要有一項小于100納米，我們就叫它納米材料）。那么為什么這么小的“納米”，制成各種材料就這么神奇呢？科學(xué)家們將其歸結(jié)于“納米效應(yīng)”。納米效應(yīng)就是指納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級界限就不導(dǎo)電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級界限時開始導(dǎo)電。納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。由于它們的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。

在這里，解釋一下以下幾個概念：

PM10：是指大氣中粒徑小于10微米的顆粒物的總和。

PM2.5：是指大氣中粒徑小于2.5微米的顆粒物的總和。

納米顆粒：是指粒徑小于100納米，也就是0.1微米的顆粒物的總和。

從上面我們可以總結(jié)出，以上三種顆粒物是逐級包含的關(guān)系，而不是說PM10就是粒徑10微米左右，PM2.5就是2.5微米左右。下面的圖也許可以比較形象的說明這種關(guān)系。

圖 三種顆粒物的關(guān)系圖

這里，筆者臆造了“PM0.1”這個名詞，因為納米顆粒我們一般指的是所有符合定義的顆粒物，不特指大氣顆粒物；而“PM”（也就是“顆粒物”的英文縮寫）這個名詞是環(huán)境學(xué)家們在研究大氣環(huán)境時定義的特指大氣顆粒物的。由于當時研究儀器設(shè)備能力所限，科學(xué)家們研究大氣顆粒物也是逐漸由大及小的。近幾年P(guān)M2.5進入公眾的眼簾，也有2.5微米顆粒物檢測設(shè)備逐漸成熟可靠和科學(xué)家們十幾年的潛心研究的原因。我們發(fā)現(xiàn)大氣污染對人的健康會產(chǎn)生影響，特別是污染越嚴重，肺部疾病和心血管疾病的發(fā)病率就有更高的趨勢。這種關(guān)聯(lián)關(guān)系在PM10研究時期得到了驗證，而進步到PM2.5研究階段后，發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系更加明顯。我們認為顆粒物群對心肺的影響，可能主要是跟它們表面產(chǎn)生自由基的能力等因素有關(guān)系，自由基可以簡單理解為氧化能力突出的化學(xué)物質(zhì)。而顆粒物產(chǎn)生自由基的能力，又極可能跟它們的表面積總和有關(guān)系。打個比方，裝在杯子里的水，蒸發(fā)得就沒有灑開的水快，因為灑開的水接觸空氣的面積更大。同樣質(zhì)量的一些顆粒物，粒徑越小，它們的表面積總和就越大。簡單的理解，好比一個正方體，橫豎水平切上三刀，變成八塊后，表面積的和就變成了兩倍，就是這個道理。

納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

（1）納米粉末又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒。

（2）納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。

（3）納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。

（4）納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。

2 納米材料的用途

納米材料的用途非常廣泛，例如天然納米材料的應(yīng)用、納米磁性材料、納米陶瓷材料、納米傳感器、納米傾斜功能材料、納米半導(dǎo)體材料等等，并且在醫(yī)療、紡織業(yè)、機械工業(yè)應(yīng)用也非常普遍。

（1）天然納米材料。海龜在美國佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵，出生后的幼小海龜卻要游到英國附近的海域覓食才能長大。最后，長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵。如此來回約需5～6年。正是海龜頭部內(nèi)的納米磁性材料為它們準確無誤地導(dǎo)航，使它們能夠進行幾萬千米的長途跋涉。

生物學(xué)家也發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。

（2） 納米磁性材料。在實際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤滑和選礦等領(lǐng)域。

（3）納米陶瓷材料。傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運動，因此，納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

（4）納米傳感器。納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀，檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

3 細顆粒物的危害及防護

這兩年因為嚴重的霧霾引起全社會關(guān)注的PM2.5，其中也含有大量的納米顆粒。

筆者認為，空氣中同等質(zhì)量的納米顆粒，對健康的影響會比大顆粒更大，也就是說，包含在PM10里的PM2.5，通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然它們的總質(zhì)量可能比不上2.5～10微米這一區(qū)間的顆粒物，但是由于總的表面積可能更大，而導(dǎo)致在影響人體健康方面起的作用更大。所以也許今后將出現(xiàn)“PM0.1”這個學(xué)術(shù)名詞，來特指大氣中粒徑小于0.1微米的顆粒物，因為我們有理由懷疑，0.1微米以下的顆粒物群的表面積和要大于0.1～2.5微米顆粒物群。近些年來，納米顆粒，也就是0.1微米級的顆粒物對人體健康的效應(yīng)影響已經(jīng)引起了科研界的興趣。

顆粒物對健康的影響，我們認為已經(jīng)是比較確定的事情。近幾年，北方地區(qū)大范圍長時間的霧霾天氣，是公眾對大氣污染關(guān)注度持續(xù)上升。霧霾天氣時，越來越多的人意識到需要提高個人防護意識，保護身體健康，戴上了各式各樣的口罩。但是，筆者發(fā)現(xiàn)，大街上可以見到的口罩，大多數(shù)并不能真正的防止霧霾對身體的侵害。

霧霾，嚴格意義上應(yīng)該分成“霧”和“霾”來理解。霧和霾的區(qū)別十分大。霾的意思是灰霾（煙霞），空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成視覺障礙的叫霾。當水汽凝結(jié)加劇、空氣濕度增大時，霾就會轉(zhuǎn)化為霧。霾與霧的區(qū)別在于發(fā)生霾時相對濕度不大，而霧中的相對濕度是飽和的(如有大量凝結(jié)核存在時，相對濕度不一定達到100%就可能出現(xiàn)飽和）。二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項是霧霾主要組成，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍首，它們與霧氣結(jié)合在一起，讓天空瞬間變得陰沉灰暗。

北京監(jiān)測的霧霾主要是細顆粒物（PM2.5），這種顆粒本身既是一種污染物，又是重金屬、多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)的載體。所以我們戴口罩防霧霾，主要就要防止PM2.5進入體內(nèi)。下面介紹一些常見的口罩和正確的使用。

醫(yī)用口罩：我們在醫(yī)院能看見大夫護士戴的口罩。這種口罩主要可以阻擋我們說話時噴出的飛沫，防止細菌病毒等的傳播，是流感等經(jīng)飛沫傳染的流行病的有效預(yù)防措施，但是對于大氣污染物可以說完全沒有防護能力。

棉紗口罩：除了可以預(yù)防飛沫流行病外，可以阻擋較大的沙塵顆粒以及保暖，但是作為預(yù)防大氣污染侵害身體也是完全沒有作用的。

活性炭口罩：活性炭口罩外觀上跟醫(yī)用口罩有點像。但是因為內(nèi)部填充了活性炭材料，所以是黑色的，比較厚。活性炭可以吸附許多有機、無機毒物和部分粉塵，所以霧霾天氣時佩戴有一定的防護效果。特別是北京地區(qū)的霧霾很大原因上是因為燃煤引起，煤煙中的煙塵和二氧化硫等燃燒殘留物可以部分被活性炭口罩隔離。如果沒有更好的選擇，可以佩戴它。

N90、N95、N99口罩：普遍用于工業(yè)防護中。N90、N95或N99的字樣可以在產(chǎn)品表面找到，意思分別是可以阻隔90%、95%或99%的顆粒物。這種口罩有靜電紡絲制成，可以有效吸附顆粒物，并且與我們的臉型貼合緊密，過濾性能在幾種口罩中最好，特別是N99口罩。但是同時，過濾效果好的副作用是舒適性差，有輕微的窒息感，也就是喘氣比較費力。不過，在重污染的天氣里，保護健康還是更重要一些。推薦使用N95口罩，可以兼顧安全性和舒適性。

上述幾種口罩，除了棉紗口罩可以通過洗滌多次使用外，其余口罩在使用一段時間后都應(yīng)該丟棄并更換新的。