中學(xué)理科教師應(yīng)掌握的新型碳納米材料及其應(yīng)用

張玉勇

【內(nèi)容摘要】納米科學(xué)與納米材料基礎(chǔ)知識(shí)逐漸進(jìn)入中學(xué)課堂，但大部分中學(xué)理科教師的納米知識(shí)相對(duì)薄弱。本文通過對(duì)迅速發(fā)展的碳納米材料知識(shí)的介紹，期待在中學(xué)教育中能引起廣大師生對(duì)納米知識(shí)的興趣，使中學(xué)理科教師的職業(yè)發(fā)展得到進(jìn)一步提升。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)理科教師 納米教育 碳納米材料 生物傳感器

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在各個(gè)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，納米與我們生活的聯(lián)系越來越緊密。在我國，“納米”一詞早已走進(jìn)了中學(xué)課本，學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)很感興趣。然而，納米科學(xué)是一個(gè)新的領(lǐng)域，大多數(shù)中學(xué)理科教師大學(xué)畢業(yè)年代較早，以前讀書時(shí)學(xué)到的納米材料與技術(shù)的知識(shí)相對(duì)較少，導(dǎo)致學(xué)生詢問時(shí)出現(xiàn)窘境的情況時(shí)有發(fā)生。

我國《國家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010）》明確指出，要加強(qiáng)納米科技人才培養(yǎng)，重視培養(yǎng)高質(zhì)量人才，要從學(xué)校教育抓起。在一次面向深圳市三區(qū)六校高三理科生的調(diào)查中，針對(duì)“高中階段，你上過幾次有關(guān)納米材料與納米技術(shù)的理論課”這一問題，共發(fā)放問卷220份，收回有效問卷206份，回收率93.6%。調(diào)查結(jié)果如圖1所示，只有近四分之一的同學(xué)上課次數(shù)在10次以上，幾乎一半的同學(xué)上課次數(shù)不足5次。由此可見，中學(xué)教師向?qū)W生介紹納米材料的次數(shù)是非常少的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)納米教育的需求。因此，中學(xué)理科教師必須緊跟時(shí)代步伐，更新與納米材料相關(guān)的知識(shí)，并將其融入到自己的教學(xué)實(shí)踐中，激發(fā)學(xué)生的興趣并培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)，使我們的教學(xué)始終保持旺盛的活力和足夠的吸引力，在中學(xué)階段就為高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、納米印象

納米是一個(gè)長度單位，1 nm=10-9 m。1nm大約為4到5個(gè)原子排列起來的長度，或者說1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十萬分之一。納米材料是納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料的簡稱。狹義的納米材料是指納米顆粒構(gòu)成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸范圍為1～100nm。在自然界中，我們能找到納米尺寸的例子。人類工程學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一個(gè)DNA分子的寬度約2.5納米，長度最長可達(dá)1米，最小的病毒分子長度約25納米；典型的蛋白質(zhì)分子長約10納米。我們的手指甲一秒鐘大約長長一納米。每年市場(chǎng)上新出現(xiàn)的納米產(chǎn)品的數(shù)量以接近指數(shù)的速度在增長，有研究指出，2005年在美國市場(chǎng)上只有54種納米產(chǎn)品，而到了2011年，就有1317種納米產(chǎn)品可供消費(fèi)者選擇。納米科技正以前所未有的速度快速進(jìn)入人們的日常生活之中。

二、新型碳納米材料

近三十年來，新型碳納米材料已成為國際科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。在碳的幾種同素異形體（金剛石、石墨、無定型碳、富勒烯和石墨烯）中，人們關(guān)注最多的是足球烯、碳納米管和石墨烯。這三種碳的同素異形體因其在力學(xué)、電學(xué)等方面的優(yōu)異性能而被人們寄予厚望。

1.足球烯

英國波譜學(xué)家克羅托、美國的科爾教授和研究原子簇化學(xué)的斯莫利教授在1985年發(fā)現(xiàn)了C60。C60是富勒烯的典型代表，是具有32個(gè)面的球狀結(jié)構(gòu)，由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形組成，五邊形互不連接，而是與五個(gè)六邊形相接，每個(gè)六邊形又與3個(gè)六邊形和3個(gè)五邊形間隔相接，碳原子位于頂角上。60個(gè)碳原子分布在60個(gè)全等頂點(diǎn)處，形成一個(gè)中空的籠子，外觀酷似英式足球，所以又稱足球烯。

2.碳納米管

1991年日本的一個(gè)研究小組用理論計(jì)算的方法，預(yù)測(cè)了無限拉伸的管狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)。同年，日本NFC公司電鏡專家飯島澄男博士發(fā)現(xiàn)了管狀結(jié)構(gòu)的碳原子簇，稱為碳納米管。從此，碳納米管正式走向科研和應(yīng)用的舞臺(tái)，并因其奇特的性質(zhì)吸引了大批的基礎(chǔ)研究工作者進(jìn)行研究。

3.石墨烯

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，它是目前世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料。石墨烯因?yàn)楹鼙?，所以幾乎是完全透明的。石墨烯特殊的電子結(jié)構(gòu)、特異的電子性能和極好的電子運(yùn)輸能力，使其在高靈敏度檢測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

三、新型碳納米材料在電化學(xué)生物傳感器方面的應(yīng)用

生物傳感器（Biosensor），是近30年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型的分析測(cè)量技術(shù)，對(duì)被分析物質(zhì)具有特定的識(shí)別作用，并且能夠?qū)⒈环治鑫镔|(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。它是由具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)（如：酶、微生物、動(dòng)植物組織切片、抗原或抗體、DNA等）與物理或化學(xué)換能器相結(jié)合而構(gòu)成，是生物醫(yī)學(xué)與電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透結(jié)合的一種新型信息技術(shù)。

碳納米材料由于其高的比表面積、較好的生物相容性和高表面反應(yīng)活性，導(dǎo)致其吸附能力增強(qiáng)、表面活性位點(diǎn)增加、催化效率提高。足球烯、碳納米管和石墨烯等被越來越多的科技工作者用來制作電化學(xué)生物傳感器。碳納米管的發(fā)現(xiàn)，在很大程度上豐富了碳材料的研究內(nèi)容，引發(fā)了跨世紀(jì)的材料革命。

四、總結(jié)與展望

新型碳納米材料是納米材料的重要組成部分，蘊(yùn)含著理論上的勃勃生機(jī)及實(shí)踐上的無限潛力。通過對(duì)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，希望對(duì)廣大中學(xué)理科教師的職業(yè)發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。提高公民的納米科技素養(yǎng)，培養(yǎng)合格的納米科技工作者，向全體公民普及納米科普知識(shí)，使科技元素與我們的日常生活緊密融合，已成為廣大教師義不容辭的責(zé)任。

（作者單位：廣東省深圳市寶安中學(xué)）