納米技術(shù)與環(huán)境保護(hù)

鮑羽 袁靜靜

摘要：納米技術(shù)是一種具有重要理論價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一。本文闡述了該技術(shù)的含義，在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用以及其潛在的突破。

【分類(lèi)號(hào)】X50

1 納米技術(shù)

納米（nm）技術(shù)是指在0.1-100nm范圍內(nèi)，研究電子、原子和分子內(nèi)在規(guī)律和特征，并用于制造各種物質(zhì)的一門(mén)嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。納米尺度的物質(zhì)顆粒接近原子大小，此時(shí)量子效應(yīng)開(kāi)始影響到物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)。由納米級(jí)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的納米材料，在機(jī)械性能、磁、光、電、熱等方面與普通材料有很大不同，具有輻射、吸收、催化、吸附等新特性。人類(lèi)通過(guò)在原子、分子和超分子水平上控制了納米結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)現(xiàn)納米材料的奇異特征，以及學(xué)會(huì)有效地利用這些特定功能產(chǎn)品，最終能夠仿照自然生態(tài)中非常復(fù)雜的過(guò)程，這也是納米科技的最終目的。

納米技術(shù)包含下列四個(gè)主要方面：

（1）納米材料：當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1-100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。過(guò)去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度范圍的性能。第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過(guò)研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來(lái)的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。人們就正式把這類(lèi)材料命名為納米材料。

（2）納米動(dòng)力學(xué)：主要是微機(jī)械和微電機(jī)，或總稱(chēng)為微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，用于有傳動(dòng)機(jī)械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等，用的是一種類(lèi)似于集成電器設(shè)計(jì)和制造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動(dòng)機(jī)，用于超快速離心機(jī)或陀螺儀等。雖然它們目前尚未真正進(jìn)入納米尺度，但有很大的潛在科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（3）納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)：如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗(yàn)，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，dna的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。新的藥物，即使是微米粒子的細(xì)粉，也大約有半數(shù)不溶于水；但如粒子為納米尺度（即超微粒子），則可溶于水。

（4）納米電子學(xué)：包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當(dāng)前電子技術(shù)的趨勢(shì)要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。更小是指響應(yīng)速度要快。更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。但是更小并非沒(méi)有限度。

納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響將是巨大的。

2 納米技術(shù)在環(huán)境鄰域的應(yīng)用

納米材料的比表面積大，表面活性中心多，是催化劑的必要條件。國(guó)際上已將納米材料作為新一代催化劑進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。近年來(lái)的發(fā)展方向是納米復(fù)合化，例如，氟石結(jié)構(gòu)的納米Ce2-x和Cu組成納米復(fù)合材料，可用于汽車(chē)尾氣中SO2、CO的消除。已有生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)出可以用來(lái)代替汽車(chē)中的金屬構(gòu)件的納米粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料，這種納米復(fù)合材料的廣泛使用可能使汽油的燃燒量每年減少15億升，二氧化碳的排放量每年至少減少50億千克。我國(guó)山東小鴨電器集團(tuán)采用納米復(fù)合抗菌除味塑料制作洗衣機(jī)的外筒，具有耐高溫、耐摩擦、耐沖擊、韌性好和硬度高等特點(diǎn)，還有很好的光潔度和很強(qiáng)的除垢能力，不但可以防止污垢在筒壁沉積，隨時(shí)保持洗衣機(jī)內(nèi)部清潔，還可以防止細(xì)菌滋生，解除了衣物交叉感染的可能，開(kāi)辟了健康洗衣機(jī)的新紀(jì)元。

用黏土和聚合物的納米粒子替代輪胎中的炭黑是一項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)保型、耐磨損輪胎的新技術(shù)，利用納米材料對(duì)紫外線的吸收特性而制作的日光燈管不僅可以減少紫外線對(duì)人體的損害，而且可以提高燈管的使用壽命。把具有導(dǎo)電性能的納米顆粒，如炭黑、金屬粒子等加入到高聚物中，可以改善高聚物的導(dǎo)電性，節(jié)約能源。

3 納米技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的潛在突破

3.1 有效利用資源

納米技術(shù)是從原子和分子開(kāi)始制造材料和產(chǎn)品。這種從小到大的制造方式需要的材料較少，造成污染程度較低。納米復(fù)合陶瓷，因其優(yōu)異的耐高溫、高強(qiáng)度等性能，有望應(yīng)用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)中，其燃燒熱效率可增加一倍，且燃燒完全，污染降低。由于納米技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)品微型化，使所需資源減少，不僅可達(dá)到"低消耗、高效益"，而且成本低廉?？梢灶A(yù)測(cè)，未來(lái)資源浪費(fèi)，造價(jià)昂貴的大型機(jī)械設(shè)備將逐步淘汰，以實(shí)現(xiàn)資源消耗率的"零增長(zhǎng)"。

3.2 用于對(duì)水和空氣的處理

消除水和空氣中最細(xì)微的污染物（分別為300nm和50nm），使空氣和飲用水更加清潔。新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，是普通凈水劑的10-20倍，可將污水中的懸浮物和鐵銹、異味等污物除去。通過(guò)納米孔徑的過(guò)濾裝置，還能把水中的細(xì)菌、病毒去除。凈化和淡化海水的選擇性濾膜，不僅成本低，而且所需量不足目前的十分之一。

3.3 監(jiān)測(cè)大氣污染

大氣中含有的C、N、S等元素的氧化物可導(dǎo)致酸雨和溫室效應(yīng)，因此它們?cè)诖髿庵械暮勘仨毐粚?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)成本高，不便于移動(dòng)作業(yè)，所需溫度高，而利用納米材料的高比表面積能對(duì)吸附氣體有快速反應(yīng)，吸附后能改變其物理性質(zhì)，且反應(yīng)可逆，具有能再生的特性。研制出可用于監(jiān)測(cè)大氣中的有害氣體，可在室溫下工作、造價(jià)低廉、體積小的監(jiān)測(cè)器。

3.4 提供有效儲(chǔ)氫方式

物理和化學(xué)方法儲(chǔ)氫，需要昂貴的設(shè)備。采用納米材料可避免大晶粒儲(chǔ)氫材料在反復(fù)吸收、釋放氫氣的循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的氫脆現(xiàn)象，又可增加吸氫容量和吸氫速率，提供一種有效而清潔的儲(chǔ)氫方式，這種材料如果用來(lái)制造燃料電池汽車(chē)中的氫容器，可有效避免空氣污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

納米技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，經(jīng)濟(jì)效益十分巨大，美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2010年納米技術(shù)市場(chǎng)估計(jì)達(dá)到14400億美元，納米技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算機(jī)工業(yè)。專(zhuān)家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車(chē)、軍事裝備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域，將免不了一場(chǎng)因納米而引發(fā)的"材料革命"現(xiàn)在我國(guó)以納米材料和納米技術(shù)注冊(cè)的公司有近100個(gè)，建立了10多條納米材料和納米技術(shù)的生產(chǎn)線。加入納米技術(shù)的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無(wú)毒無(wú)害無(wú)異味。納米技術(shù)正在改善著、提高著人們的生活質(zhì)量

盡管納米技術(shù)仍有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步探索和解決，但它在高科技領(lǐng)域和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中帶來(lái)的沖擊是不可否認(rèn)的。它將成為新世紀(jì)信息時(shí)代的核心。隨著人們對(duì)納米材料研究的深入，納米材料必將出現(xiàn)更為廣闊的應(yīng)用前景，納米材料的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用也將成為現(xiàn)實(shí)。可以相信，納米技術(shù)作為一門(mén)新興科學(xué)，必將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生出深遠(yuǎn)的影響，利用納米技術(shù)解決污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹學(xué)軍等，神奇的納米技術(shù)，國(guó)外科技動(dòng)態(tài)，2010，9（3）；33-36。

[2]周雙生，周根陶，化學(xué)世界，2011，38（8）；399。

作者簡(jiǎn)介：鮑羽男（1966-），漢，湖北江陵，本科，副教授，畢業(yè)于湖北大學(xué)，主要研究方向：分析化學(xué)教學(xué)及應(yīng)用。