納米課程資源在高中階段的開發(fā)和實踐

袁凱捷

繼互聯(lián)網(wǎng)、基因之后，納米現(xiàn)象成為世人關(guān)注的又一個“焦點”， 80年代初期納米材料這一概念形成以后，諾貝爾化學(xué)獎得主哈里·克羅托（Harry Kroto）就曾經(jīng)將納米技術(shù)的重要性與瓦特的蒸汽機相提并論.世界搶占納米技術(shù)的熱潮一浪高過一浪.從全球角度看，在納米技術(shù)的應(yīng)用上，目前日本遠遠強于歐美國家，居世界領(lǐng)先地位.我國在80年代就開始搞基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，已將納米技術(shù)研究列入國家“攀登計劃”、“863”計劃和“火炬計劃”等，并且已經(jīng)取得了很大成果.納米技術(shù)看似神秘，其實，它已經(jīng)走進了我們的生活.它所具有的獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識到它的發(fā)展可能給日常生活、醫(yī)藥、能源、交通、環(huán)保、醫(yī)藥 和化工等領(lǐng)域的研究帶來新的機遇.

既然，這一項新興技術(shù)讓世界各國站在同一起跑線上，我們完全可以利用我國扎實的基礎(chǔ)教育在中學(xué)階段開發(fā)和實踐納米課程，爭取能培養(yǎng)更多學(xué)生對于科學(xué)的興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為高校輸送一些愿意在科學(xué)道路上繼續(xù)埋頭苦干的學(xué)子.

本文筆者主要想和大家一起討論在高中階段開展納米課程的一點思考，選擇高中生這個群體，是因為他們已經(jīng)在初中階段學(xué)過了物理、生物、化學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，這樣對于接受納米知識做好了一些科學(xué)準備.幸運的是，筆者所在的學(xué)校十分重視實驗室的建設(shè)，裝備了納米實驗室，也為筆者進一步開發(fā)課程資源提供了近水樓臺的條件.

我們可以在高中階段對學(xué)生開發(fā)哪些納米課程資源呢？能在中學(xué)裝備納米實驗室的學(xué)校不多，高校的課程對于高中生又太難，在實踐中我們只能摸著石頭過河，我們相信將來隨著納米技術(shù)的普及，會有更多的學(xué)校開設(shè)這樣的課程，這里我們只能是拋磚引玉，提一些自己粗淺的想法.

1 了解納米和納米技術(shù)

1.1 讓學(xué)生知道納米究竟是什么東西？

納米（nm）實際上是一種計量單位，從宏觀的角度上看1米等于100萬微米，而1微米等于1000納米；從微觀上看，納米是描述原子、分子等尺寸及其距離，1納米僅等于十億分之一米，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當于6萬個納米.納米小得可愛，卻威力無比，它可以對材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，并發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強的活躍性.科學(xué)家們說，納米這個“小東西”將給人類生活帶來的震憾會比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計算機技術(shù)更深刻、更廣泛、更持久.

1.2 讓學(xué)生知道納米技術(shù)應(yīng)用廣泛

在汽車行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用十分廣闊.特別是納米技術(shù)的集成，可以使這個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生新的亮點，擁有更清潔的能源、更好的安全性能，更強的馬力等等.這些方面已經(jīng)引起一些大公司的關(guān)注，預(yù)計在近期內(nèi)可形成約10億美元的市場.

在建材行業(yè)，納米技術(shù)的全面應(yīng)用，將使這個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)生翻天覆地的一場革命，綠色家具、環(huán)保潔具、綠色裝修、清潔能源等等，將徹底改變?nèi)祟惖纳?

在紡織行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將給人類提供更加舒適的著裝，提供更優(yōu)良品質(zhì)的功能纖維，甚至可以應(yīng)用到國防技術(shù)上，從而引發(fā)紡織面料的又一次革命，提高我國紡織品的附加值和我國紡織業(yè)的整體實力水平，同時大大提高我國纖維產(chǎn)業(yè)在國際市場的競爭力，把我國從紡織大國變成真正的紡織強國.

在機械行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用，將解決該行業(yè)的一些難題，加速產(chǎn)品的升級換代，提升我國機械工業(yè)的水平，從而促進我國的加工制造業(yè)飛速發(fā)展，承擔(dān)起世界加工廠的重任.

在改造傳統(tǒng)工業(yè)部門的同時，納米經(jīng)濟也在促進著新興經(jīng)濟部門的不斷發(fā)展和創(chuàng)新.下面讓我們具體的來看一下納米技術(shù)對新興經(jīng)濟的作用.

在電子信息產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展克服以強場效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等為代表的物理限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件和制備技術(shù).這將是對信息產(chǎn)業(yè)和其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的一場深刻的革命.這些技術(shù)的突破將全面地改變?nèi)祟惖纳娣绞?正如美國《新技術(shù)周刊》指出，納米技術(shù)在電子信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，將成為21世紀經(jīng)濟增長的一個主要發(fā)動機，其作用可使微電子學(xué)在20世紀后半葉對世界的影響相形見絀.

納米技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、人類健康等生命科學(xué)領(lǐng)域有重大應(yīng)用.在納米生物材料、微細加工、光學(xué)顯示、生物信息和分子生物學(xué)等技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，發(fā)展生物芯片技術(shù)，形成新型生物分子識別的專家系統(tǒng)、臨床疾病檢測系統(tǒng)、藥物篩選系統(tǒng)和生物工業(yè)活性監(jiān)測系統(tǒng)等實用化技術(shù)，具有重要的社會與經(jīng)濟前景.

納米技術(shù)在環(huán)保產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，將使處理“三廢”的手段更有效率，使人類居住的環(huán)境得到很大程度的改善.我國為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對新型納米環(huán)境材料及技術(shù)也提出了新的迫切需求.

2 了解我們身邊的納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用

這樣的例子舉不勝舉，完全可以讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)自己搜尋，然后再相互溝通和交流.

比如：日本的8 mm攝像機的生產(chǎn)，抗菌除臭冰箱、洗衣機、高性能彩打墨粉等，都是采用的納米技術(shù)，如果在分散的納米分子材料上經(jīng)過特殊處理，再運用到纖維物體上，那么衣服就可以不粘油、不粘水，由于納米分子非常非常小，它不會影響纖維物體的透氣性和清洗效果.

又如：納米技術(shù)用在醫(yī)學(xué)上，專家們把磁性納米復(fù)合高分子微粒用于細胞分離，或者把非常細小磁性納米微粒，放入一種液體中，然后讓病人喝下后，對人身體的病灶部位進行治療，并且通過操縱，可使納米微粒在人的身體病灶部位聚集進行有目標的治療，在不破壞正常細胞的情況下，可以把癌細胞等分離出來，也可以制成靶向藥物控釋納米微粒載體（俗稱“生物導(dǎo)彈”），用于治療腦栓塞等疾病，同時也可用納米技術(shù)生產(chǎn)出納米探針（微型機器人）深入體內(nèi)治療疾病或清理體內(nèi)垃圾等.如果在火箭燃料中加入不到1%的納米鋁粉，就可將燃燒能力提高一倍，納米技術(shù)如果應(yīng)用在陶瓷上，可使陶瓷具有超塑性，大大增強了陶瓷的韌性，不怕摔，不怕碎，陶瓷堅固無比.另外，戴上涂有納米涂料的眼鏡，在寒冷的冬季，人們從室外進入室內(nèi)，就能避免眼鏡上蒙上一層水氣.令科學(xué)家高興的是，納米鈦與樹脂化合后生成的多種全新涂料，具有多種同類產(chǎn)品無法相比的優(yōu)越性，在海水中浸泡10年不損，并具有神奇的自我修復(fù)能力和自潔性，納米鈦還作為唯一對人植物神經(jīng)、味覺沒有任何影響的金屬，其用途廣泛.

3 利用掃描隧道顯微鏡TSTM看微觀世界并制作簡單的納米材料

3.1 了解掃描隧道顯微鏡的原理，學(xué)會操作掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡Scanning Tunneling Microscope縮寫為STM.它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率.此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具.

STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一.

掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料.就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成）.一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面.當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來.電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細致地探出它的輪廓.在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單個原子的美麗圖片.

操作掃描隧道顯微鏡是個精細活兒，學(xué)生需要在教師指導(dǎo)下分步驟反復(fù)訓(xùn)練才能逐漸熟練起來.制作一個良好的針尖是實驗成功的關(guān)鍵，而針尖的材料是鉑金，為了讓這個價格昂貴的實驗耗材以后少損失，教師特別需要指導(dǎo)學(xué)生在實驗初學(xué)好此基本功，這就如同學(xué)武功的人一定要練好馬步一樣.同時，學(xué)生還需要學(xué)會操作軟件，記錄數(shù)據(jù)和圖像，因此學(xué)生需要具備一定的操作電腦的能力.

3.2 學(xué)會制作納米材料

比如Fe納米材料的制備方法可以分為兩種：

（1）物理制備方法

具體又包含氣相法、惰性氣體蒸發(fā)、原位加壓制備法、磁控濺射法與等離子體法等.

（2）化學(xué)制備方法

具體又包含水熱法、溶膠-凝膠法、噴霧干燥法、微乳法等.

我們可以與學(xué)生用其中一兩種方法嘗試制作Fe納米材料并[HJ1.73mm]研究其性質(zhì)，這需要學(xué)生具備一定的物理、化學(xué)知識功底.

4 了解假納米和納米技術(shù)的風(fēng)險

4.1 納米打假

納米技術(shù)并非高不可攀，但也決非人人都能“納”一把，因此，我們要提前做好納米技術(shù)的打假工作，為納米技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造良好的空間.現(xiàn)在只要留心大城市的市場上，打著“納米家用電器”、“納米防輻射衣服”、“納米防紫外線化妝品”、“納米太陽傘”等新奇廣告招牌隨處可見，就如同“綠色食品”、“基因食品”、“數(shù)字電視”等一樣，“前衛(wèi)”商品堂而皇之地擺在商場的柜臺上，納米技術(shù)的用途相當廣泛這點不錯，但還沒有到廣泛地應(yīng)用階段，因此，一些企業(yè)借納米造勢，趁老百姓對納米技術(shù)的內(nèi)涵還不太清楚，或把一點點皮毛的加工謊稱為納米技術(shù)，甚至置納米材料不會釋放微波這一普通常識不顧，聲稱自己產(chǎn)品能釋放保健微波來欺騙消費者.

學(xué)生既然在學(xué)校學(xué)習(xí)了相應(yīng)的納米知識，應(yīng)該去更多地影響身邊的人，幫助大家識別真假納米，這其實也是學(xué)生學(xué)以致用的過程，在這過程中，學(xué)生會更多地查找資料，思考討論，更進一步提高了科學(xué)研究的能力.

4.2 納米技術(shù)的負面效應(yīng)

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉元方院士說，隨著納米科技的迅猛發(fā)展，各種性能優(yōu)異的納米材料已經(jīng)從實驗室走出來，成為觸手可及的商品，但除了產(chǎn)品功能，這些新型材料對生態(tài)環(huán)境的影響遠遠沒有被我們了解.

目前需要解決的問題是，原來沒有毒性的化學(xué)物質(zhì)到了納米尺度后是否對環(huán)境安全帶來新的風(fēng)險.目前有關(guān)尺度、形貌對毒性的影響，納米材料與其他物質(zhì)相互作用，外界環(huán)境如溫場、光場、pH值對暴露在環(huán)境中的納米粒子可能帶來的安全風(fēng)險等方面的研究甚少，基本處于空白狀態(tài).因此，需要著手建立納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，進一步明確劃分納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的范圍，以利于重點防范這些物質(zhì)在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對環(huán)境安全造成的危害.

同時，在納米改性升級產(chǎn)品中，對納米材料存在引起環(huán)境安全風(fēng)險的研究，也才剛剛引起人們的注意.其中最值得注意的是化工產(chǎn)品，如農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑，因為這些產(chǎn)品與農(nóng)業(yè)關(guān)系密切.納米材料改性后產(chǎn)品功能升級，提高了使用效率，但是無機納米粒子和有機修飾的納米粒子，以及納米尺度的有機金屬離子的絡(luò)合物卻直接暴露在空氣、水和土壤中，它們給環(huán)境安全帶來的潛在風(fēng)險應(yīng)引起高度重視.

雖然納米技術(shù)的很多負面效應(yīng)還在研究階段，但是我們在高中階段把這項內(nèi)容也放在課程資源中是希望學(xué)生了解任何技術(shù)的兩面性，培養(yǎng)“小科學(xué)家”的人文情懷.

中學(xué)納米創(chuàng)新實驗室受到了教育部的極大關(guān)注，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心將其作為教育部“十二五”規(guī)劃重點之子課題進行研究和開發(fā).我們利用納米實驗室為學(xué)生營造獨立思考、自主探索、自由發(fā)展的空間和新型的教學(xué)環(huán)境，通過新型的教學(xué)環(huán)境的裝備規(guī)范與標準的制定構(gòu)建具有21世紀工作環(huán)境特征的學(xué)習(xí)系統(tǒng).我們著力開發(fā)和實踐納米課程資源，也是為了保護學(xué)生的好奇心，著力培養(yǎng)學(xué)生用于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的創(chuàng)新能力，適應(yīng)第三次工業(yè)革命經(jīng)濟發(fā)展范式的需要.