论文部分内容阅读
当物质颗粒小到只有1～100纳米大小时，它们会显露出许多奇异的性质，如强度明显增大，熔点大幅度降低，氧化性和还原性增强，催化效率显著提高，等等。科学家在开发和应用纳米材料时，正是利用了纳米颗粒的身手不凡的本领。
纳米（nm）是一种比微米（μm）还小的长度单位，1纳米等于1000分之一微米、10亿分之一米。而头发丝的直径为3万到5万纳米。
早在1959年，诺贝尔奖获得者理查德•费曼就畅想了纳米材料和纳米技术的未来。他在讲演中预言，将来人类一定能够把单个原子排列起来制造成物品，并指出：“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大地扩充我们获得物性的范围。”
纳米材料又称超微颗粒材料，由纳米粒子组成。在三维空间中，这些纳米粒子至少有一维是介于1～100纳米尺度的。这个尺度范围介于原子簇和宏观物质的过渡区域，既非典型的宏观系统亦非典型的微观系统，因此被称为“介观系统”。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子尺寸效应，从而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质与宏观材料有显著的不同。
纳米材料其实并不神秘。自然界中，蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿及骨骼、贝壳都是由纳米微粒组成的。人工制备纳米材料的历史有1000年以上，中国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成炭黑作为墨的原料和染料，就是最早的纳米材料。安徽的徽墨是从烟道里扫出来的碳颗粒，经过一遍一遍地筛选后得到的纳米级碳颗粒，制成的墨均匀饱满，写字力透纸背。更为有趣的是，中国古铜镜镜面的防锈层是由纳米二氧化锡颗粒构成的薄膜。
扫描隧道显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜以及场发射扫描电子显微镜技术的发展，让人们从真正意义上看到了组成物质的原子，使纳米材料的研究如虎添翼。纳米技术未来的目标是操纵原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。2l世纪，纳米技术与纳米材料同人类生活的关系会越来越密切。
下文中我将具体介绍几种代表性的纳米材料，使大家对其功能和制备技术有个初步的了解。
杀菌除污的二氧化钛纳米颗粒
二氧化钛是地球上储量十分丰富的矿物，在自然界以锐钛矿、金红石和板钛矿三种不同的结晶型态出现。当用波长小于388纳米的紫外光照射锐钛型二氧化钛时，它的表面能形成超氧离子自由基，这种自由基具有较强的氧化性，可在室温下与有害气体反应，从而使有机物和有害菌分解。二氧化钛抗菌防霉的机理是：由于其电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。对于细菌，二氧化钛直接攻击其细胞，致使细胞内的有机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。
二氧化钛的纳米颗粒由于相对表面积更大，光催化效率远远高于普通的二氧化钛粉末。然而用纯二氧化钛作为光催化剂，需要外加紫外光源照射，不符合节能的原则。于是，改变传统紫外照射催化的状况，力争使催化反应在阳光下就能有效进行，成了科学家亟待解决的问题。人们尝试了各种改良方法，如制造复合半导体，掺杂金属改性等等，来制备光催化活性较高的纳米二氧化钛。改良后的二氧化钛纳米颗粒，在自然光和常温常压下即可分解病菌和污染物，无二次污染，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。
一般常用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后，尸体会释放出毒素等有害成分。纳米二氧化钛能破坏细菌的细胞膜结构，彻底降解细菌，防止内毒素引起二次污染。纳米二氧化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染和杀灭细菌的同时，自身不分解、不溶出，具有持久的杀菌、降解污物效果。将二氧化钛粉体添加到陶瓷釉料中，具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿二氧化钛纳米颗粒表面用铜离子、银离子修饰后，杀菌效果更好，在电冰箱、空调、医疗器械等方面有着广泛的应用前景。
金红石型二氧化钛具有独特的颗粒形状、良好的分散性以及对紫外线较好的屏蔽作用，用于化妆品、防护漆等，可提高涂膜的抗老化性、耐冲刷性，并具有自洁功能。目前，金红石型纳米二氧化钛已经用于制造防晒霜和防紫外线雨伞。化妆品中只要含纳米二氧化钛0.5％～1％，即可充分防紫外线。
金红石型纳米二氧化钛颗粒所具备的优异的光催化效应，还可用于降解氮氧化物、硫氧化物等，有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气污染。其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，生成无毒的水、二氧化碳等。二氧化钛光催化剂还可用于无机物的脱毒降解，包括油烟气、工业废气、汽车尾气、氟里昂及氟里昂替代物的光催化降解。
纳米二氧化钛的光催化效应，还能用来处理有机废水。它能有效地将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚类、染料、农药等污染物进行除毒、脱色、矿化，最终降解为二氧化碳和水。将二氧化钛做成空心小球浮在含有有机物的废水表面上，利用太阳光可以进行有机物的降解，美国、日本利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行了处理。
防水防油防污的纳米布料
自然界的许多动植物都拥有神奇的“超疏水表面”。例如，水不能浸润荷叶，而是在叶面上形成水珠，在外力作用下可任意滚动。荷叶的这种“自清洁”效应，自古以来一直是个极大的奥秘。直到20世纪70年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及蜡状物共同引起的。此后人们用更加高倍的扫描电镜，观察到荷叶表面微米结构上还存在着纳米结构，这种微米与纳米结构的组合，才是引起荷叶表面“超疏水”的根本原因。
为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？ 原来，当固体表面有微小突起的时候，有一些空气会被“锁”在水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。
超疏水性在动物身上也存在。生活在池塘的水黾在水面上行动自如，不会沉没，其原因不仅是依靠分泌油脂产生表面张力效应，而且其腿部也存在特殊的微米-纳米结构。它的腿上有很多针状刚毛，直径在3微米到几百纳米不等。大多数刚毛的长度为50微米，与腿的表面以倾斜20度的方向排列。在每个微米级的刚毛上存在着很多复杂的纳米级沟槽，从而形成独特的分级结构，这种结构可使空气有效地吸附在微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，形成一层稳定膜，从而阻碍了水滴的浸润，宏观上表现为水黾腿的超疏水特性。
对荷叶、水黾的超疏水功能的研究，使人们产生了“二元协同纳米界面材料”这一概念。这种界面材料的设计思想是：当采取某种特殊的表面加工后，在介观尺度上能形成理化性质不同甚至完全相反的纳米相区，在某种条件下具有协同的相互作用，以致在宏观上呈现出超疏水性或者超亲水性。应用二元协同纳米界面理论开发出的纺织品，表面上相当于存在一层稳定的气体薄膜，水、油和污物无法与面料直接接触。水滴滴在面料表面，犹如水银珠在面料表面滚动；甚至水或油类液体泼于面料表面也不会浸入面料纤维中。水性液体只需倾斜或抖动面料，水珠即可脱离面料；油类液体用纸巾擦拭，面料表面也不会留有油渍污痕。该技术仅对面料的纤维表面进行了纳米界面处理和功能改性，纤维的内在结构和成分没有变化，因此面料原有的透气性、透湿量、牢度、色泽风格、弹力手感等均保持原样。
贵金属纳米催化剂用量少效果好
在化工领域，许多化学反应都离不开催化剂。催化剂的作用主要有三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，使反应向着预定的目标进行；三是降低反应温度。今天，纳米粒子催化剂作为一种新型催化剂，引起了人们的普遍关注，被称为第四代催化剂。研究发现，随着催化剂粒径的减小，其表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面，因而拥有了更高的活性和选择性。
催化剂种类繁多，其中贵金属固体催化剂占有重要的地位，锇、铱、钯、铂、铑、钌、钯等贵金属广泛应用于石油化工、精细化工、环保催化、生命及生物化学等领域。例如，银和金催化剂可用于氧化反应，铑催化剂可用于烯烃选择性加氢。由于贵金属价格昂贵，将其制成超细粉末，可以大大节省催化剂的用量，降低工业成本。同时，纳米级超细颗粒与反应物充分接触，大大提高了催化活性。例如，铂是高效的氢化催化剂，纳米铂粒子催化剂较之以往的铂丝或铂网催化剂，催化活性大大提高；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细铁粉可在气相热分解中起成核的作用而生成碳纤维；将金超微粒子负载在氧化铁、氧化钴或氧化镍中，70摄氏度时就具有较高的催化氧化活性。这些金属纳米粒子通常被负载于分子筛或其他孔型材料基质上，使其均匀分散，不仅能达到更好的催化效果，而且便于这些催化剂的回收利用。
最新的研究还表明，金属纳米粒子的不同的晶面，可以显示出不同的催化活性，如甲醇的氧化反应在铂（111）晶面比在铂（101）晶面上更容易进行。因此，人们将铂制成有更多（111）晶面暴露的纳米粒子，以利于反应的更快进行。
（作者单位：上海师范大学生命与环境科学学院）
纳米（nm）是一种比微米（μm）还小的长度单位，1纳米等于1000分之一微米、10亿分之一米。而头发丝的直径为3万到5万纳米。
早在1959年，诺贝尔奖获得者理查德•费曼就畅想了纳米材料和纳米技术的未来。他在讲演中预言，将来人类一定能够把单个原子排列起来制造成物品，并指出：“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大地扩充我们获得物性的范围。”
纳米材料又称超微颗粒材料，由纳米粒子组成。在三维空间中，这些纳米粒子至少有一维是介于1～100纳米尺度的。这个尺度范围介于原子簇和宏观物质的过渡区域，既非典型的宏观系统亦非典型的微观系统，因此被称为“介观系统”。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子尺寸效应，从而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质与宏观材料有显著的不同。
纳米材料其实并不神秘。自然界中，蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿及骨骼、贝壳都是由纳米微粒组成的。人工制备纳米材料的历史有1000年以上，中国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成炭黑作为墨的原料和染料，就是最早的纳米材料。安徽的徽墨是从烟道里扫出来的碳颗粒，经过一遍一遍地筛选后得到的纳米级碳颗粒，制成的墨均匀饱满，写字力透纸背。更为有趣的是，中国古铜镜镜面的防锈层是由纳米二氧化锡颗粒构成的薄膜。
扫描隧道显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜以及场发射扫描电子显微镜技术的发展，让人们从真正意义上看到了组成物质的原子，使纳米材料的研究如虎添翼。纳米技术未来的目标是操纵原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。2l世纪，纳米技术与纳米材料同人类生活的关系会越来越密切。
下文中我将具体介绍几种代表性的纳米材料，使大家对其功能和制备技术有个初步的了解。
杀菌除污的二氧化钛纳米颗粒
二氧化钛是地球上储量十分丰富的矿物，在自然界以锐钛矿、金红石和板钛矿三种不同的结晶型态出现。当用波长小于388纳米的紫外光照射锐钛型二氧化钛时，它的表面能形成超氧离子自由基，这种自由基具有较强的氧化性，可在室温下与有害气体反应，从而使有机物和有害菌分解。二氧化钛抗菌防霉的机理是：由于其电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。对于细菌，二氧化钛直接攻击其细胞，致使细胞内的有机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。
二氧化钛的纳米颗粒由于相对表面积更大，光催化效率远远高于普通的二氧化钛粉末。然而用纯二氧化钛作为光催化剂，需要外加紫外光源照射，不符合节能的原则。于是，改变传统紫外照射催化的状况，力争使催化反应在阳光下就能有效进行，成了科学家亟待解决的问题。人们尝试了各种改良方法，如制造复合半导体，掺杂金属改性等等，来制备光催化活性较高的纳米二氧化钛。改良后的二氧化钛纳米颗粒，在自然光和常温常压下即可分解病菌和污染物，无二次污染，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。
一般常用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后，尸体会释放出毒素等有害成分。纳米二氧化钛能破坏细菌的细胞膜结构，彻底降解细菌，防止内毒素引起二次污染。纳米二氧化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染和杀灭细菌的同时，自身不分解、不溶出，具有持久的杀菌、降解污物效果。将二氧化钛粉体添加到陶瓷釉料中，具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿二氧化钛纳米颗粒表面用铜离子、银离子修饰后，杀菌效果更好，在电冰箱、空调、医疗器械等方面有着广泛的应用前景。
金红石型二氧化钛具有独特的颗粒形状、良好的分散性以及对紫外线较好的屏蔽作用，用于化妆品、防护漆等，可提高涂膜的抗老化性、耐冲刷性，并具有自洁功能。目前，金红石型纳米二氧化钛已经用于制造防晒霜和防紫外线雨伞。化妆品中只要含纳米二氧化钛0.5％～1％，即可充分防紫外线。
金红石型纳米二氧化钛颗粒所具备的优异的光催化效应，还可用于降解氮氧化物、硫氧化物等，有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气污染。其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，生成无毒的水、二氧化碳等。二氧化钛光催化剂还可用于无机物的脱毒降解，包括油烟气、工业废气、汽车尾气、氟里昂及氟里昂替代物的光催化降解。
纳米二氧化钛的光催化效应，还能用来处理有机废水。它能有效地将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚类、染料、农药等污染物进行除毒、脱色、矿化，最终降解为二氧化碳和水。将二氧化钛做成空心小球浮在含有有机物的废水表面上，利用太阳光可以进行有机物的降解，美国、日本利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行了处理。
防水防油防污的纳米布料
自然界的许多动植物都拥有神奇的“超疏水表面”。例如，水不能浸润荷叶，而是在叶面上形成水珠，在外力作用下可任意滚动。荷叶的这种“自清洁”效应，自古以来一直是个极大的奥秘。直到20世纪70年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及蜡状物共同引起的。此后人们用更加高倍的扫描电镜，观察到荷叶表面微米结构上还存在着纳米结构，这种微米与纳米结构的组合，才是引起荷叶表面“超疏水”的根本原因。
为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？ 原来，当固体表面有微小突起的时候，有一些空气会被“锁”在水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。
超疏水性在动物身上也存在。生活在池塘的水黾在水面上行动自如，不会沉没，其原因不仅是依靠分泌油脂产生表面张力效应，而且其腿部也存在特殊的微米-纳米结构。它的腿上有很多针状刚毛，直径在3微米到几百纳米不等。大多数刚毛的长度为50微米，与腿的表面以倾斜20度的方向排列。在每个微米级的刚毛上存在着很多复杂的纳米级沟槽，从而形成独特的分级结构，这种结构可使空气有效地吸附在微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，形成一层稳定膜，从而阻碍了水滴的浸润，宏观上表现为水黾腿的超疏水特性。
对荷叶、水黾的超疏水功能的研究，使人们产生了“二元协同纳米界面材料”这一概念。这种界面材料的设计思想是：当采取某种特殊的表面加工后，在介观尺度上能形成理化性质不同甚至完全相反的纳米相区，在某种条件下具有协同的相互作用，以致在宏观上呈现出超疏水性或者超亲水性。应用二元协同纳米界面理论开发出的纺织品，表面上相当于存在一层稳定的气体薄膜，水、油和污物无法与面料直接接触。水滴滴在面料表面，犹如水银珠在面料表面滚动；甚至水或油类液体泼于面料表面也不会浸入面料纤维中。水性液体只需倾斜或抖动面料，水珠即可脱离面料；油类液体用纸巾擦拭，面料表面也不会留有油渍污痕。该技术仅对面料的纤维表面进行了纳米界面处理和功能改性，纤维的内在结构和成分没有变化，因此面料原有的透气性、透湿量、牢度、色泽风格、弹力手感等均保持原样。
贵金属纳米催化剂用量少效果好
在化工领域，许多化学反应都离不开催化剂。催化剂的作用主要有三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，使反应向着预定的目标进行；三是降低反应温度。今天，纳米粒子催化剂作为一种新型催化剂，引起了人们的普遍关注，被称为第四代催化剂。研究发现，随着催化剂粒径的减小，其表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面，因而拥有了更高的活性和选择性。
催化剂种类繁多，其中贵金属固体催化剂占有重要的地位，锇、铱、钯、铂、铑、钌、钯等贵金属广泛应用于石油化工、精细化工、环保催化、生命及生物化学等领域。例如，银和金催化剂可用于氧化反应，铑催化剂可用于烯烃选择性加氢。由于贵金属价格昂贵，将其制成超细粉末，可以大大节省催化剂的用量，降低工业成本。同时，纳米级超细颗粒与反应物充分接触，大大提高了催化活性。例如，铂是高效的氢化催化剂，纳米铂粒子催化剂较之以往的铂丝或铂网催化剂，催化活性大大提高；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细铁粉可在气相热分解中起成核的作用而生成碳纤维；将金超微粒子负载在氧化铁、氧化钴或氧化镍中，70摄氏度时就具有较高的催化氧化活性。这些金属纳米粒子通常被负载于分子筛或其他孔型材料基质上，使其均匀分散，不仅能达到更好的催化效果，而且便于这些催化剂的回收利用。
最新的研究还表明，金属纳米粒子的不同的晶面，可以显示出不同的催化活性，如甲醇的氧化反应在铂（111）晶面比在铂（101）晶面上更容易进行。因此，人们将铂制成有更多（111）晶面暴露的纳米粒子，以利于反应的更快进行。
（作者单位：上海师范大学生命与环境科学学院）