納米技術(shù)的研究進(jìn)展及在化生防護(hù)中的應(yīng)用

李江存 江丁洋 梁婷 王悅 嚴(yán)坤 杜鎮(zhèn)瀟

摘 要：納米技術(shù)被提出以后，世界各國紛紛重視起來，都認(rèn)為其大有發(fā)展前景。因此，加大投入力度，在一些領(lǐng)域有了突破性的進(jìn)展，并且應(yīng)用到了相應(yīng)的領(lǐng)域，尤其是納米醫(yī)學(xué)、納米光纖、納米碳管、納米光催化等的發(fā)展比較突出，在化生防護(hù)中更具有其獨(dú)特的潛質(zhì)。納米材料作為生物傳感器的固定材料或載體，可以使生物傳感器的靈敏度、檢測范圍、重復(fù)性得到明顯增強(qiáng)；“納米布”可用于研制防護(hù)服等個(gè)人防護(hù)裝備；利用納米技術(shù)制備的洗消劑，能明顯改善殺毒殺菌效果，而納米自清潔涂料則可實(shí)現(xiàn)自潔凈功能。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù) 化生防護(hù) 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：R187 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（a）-0075-02

納米技術(shù)，是指在0.1～100nm的尺度里，研究電子、原 子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新技術(shù)[1]。納米材料不同于傳統(tǒng)材料，單分子的性質(zhì)使其具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，從而使納米材料具有特異的光、熱、聲、 力、化學(xué)和生物學(xué)性能，并且被廣泛運(yùn)用到了材料學(xué)、物理 學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、生物工程和宇航等 方面。本論文主要論述納米技術(shù)的研究進(jìn)展以及在化生 防護(hù)中的應(yīng)用。

1 國內(nèi)外納米技術(shù)研究領(lǐng)域及進(jìn)展

1.1 納米醫(yī)學(xué)

納米醫(yī)學(xué)是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識(shí)，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)。從不同程度上來說，人們將從分子水平上認(rèn)識(shí)自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，達(dá)到改善人類整個(gè)生命系統(tǒng)的目的。

生物醫(yī)用納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛用作功能性基本材料，臨床上目前已經(jīng)應(yīng)用的有人工骨、人工齒和骨內(nèi)固定材料等。納米生物醫(yī)用高分子材料也得到了很好的發(fā)展，它已逐步應(yīng)用于血清消毒、免疫分析、介入性診斷、腫瘤藥物靶向、作為轉(zhuǎn)基因載體等。此外，納米藥物載體和納米醫(yī)學(xué)診斷也有了突破性的進(jìn)展。近幾年發(fā)展成熟的納米藥物載體主要有：殼聚糖、聚乳酸-羥基乙酸、固體紙質(zhì)納米粒等[2]。

在納米醫(yī)學(xué)上還存在如何得到可靠的納米載體、更準(zhǔn)確的靶向物質(zhì)、更有效的治療藥物、更靈敏和操作更方便的傳感器，以及包括載體在體內(nèi)作用機(jī)制的有效測試與分析方法等一系列的問題還需要進(jìn)一步研究解決。

1.2 納米光纖

國內(nèi)對(duì)光纖的高非線性的研究主要集中于對(duì)光子晶體光纖的研究，但是這項(xiàng)技術(shù)的研究在技術(shù)上受到國外的限制，阻礙了我們對(duì)基于光纖高非線性的應(yīng)用的研究。 2017年研究人員通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)精心設(shè)計(jì)一種多層介 質(zhì)薄膜來支撐聚合物納米光纖，借助多層薄膜的光子帶隙 來阻止納米光纖中光信號(hào)的泄漏。在該多層介質(zhì)薄膜上， 極細(xì)納米光纖完全可以傳輸光信號(hào)，其傳輸模式為一維布 洛赫表面波（BSW-1D）模式，突破了我國在這一領(lǐng)域的技 術(shù)難關(guān)[3]。

1.3 納米碳管

納米碳管是一種新型的具有完整分子結(jié)構(gòu)的碳材料，在結(jié)構(gòu)上具有特殊的中空管狀構(gòu)型、良好的導(dǎo)電性、高比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性、適合電解質(zhì)離子遷移的空隙、以及交互纏繞可形成納米尺度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，是作為新能源開發(fā)、極佳傳導(dǎo)介質(zhì)和制備復(fù)合材料的研究重點(diǎn)。

2016年美國威斯康星大學(xué)材料學(xué)家成功研制出1英寸大小碳納米晶體管，首次在性能上超越硅晶體管和砷化鎵晶體管，真正實(shí)現(xiàn)了納米碳管在傳導(dǎo)介質(zhì)中的微小化，使我們認(rèn)識(shí)到了納米技術(shù)的特殊潛力[4]。納米碳管復(fù)合材料已經(jīng)滲透到電化學(xué)傳感器應(yīng)用、載藥微球應(yīng)用、印跡吸附材料應(yīng)用和人工肌肉等多個(gè)方面[5]。

1.4 納米污染治理

在納米污水處理中，利用納米材料的吸附能力，能將污水中懸浮物吸附并沉淀下來，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置，有效驅(qū)除水中的鐵銹、泥沙以及污染物，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域血透中也已開始應(yīng)用。利用納米材料的催化功能，納米TiO2能有效處理80余種有毒化合物，將這些有毒的化合物完全氧化為CO2和H2O等無害物質(zhì)。此外，可以應(yīng)用納米TiO2加速城市垃圾的降解，其降解速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而可以緩解大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。利用納米光催化技術(shù)結(jié)合大氣與環(huán)境科學(xué)進(jìn)行污染氣體治理，推動(dòng)了我國在納米污染治理的進(jìn)程[6，7]。

1.5 其他領(lǐng)域及進(jìn)展

納米技術(shù)在軍事上可以用來制造微型武器，能夠像士兵一樣執(zhí)行各種軍事任務(wù)，如太空中的“麻雀衛(wèi)星”、空中的“蜜蜂飛機(jī)”和地面的“螞蟻士兵”等；納米生物學(xué)通過研究在納米尺度上的生物過程，可以用來固定大量蛋白質(zhì)，甚至是酶，從而進(jìn)一步控制生化反應(yīng)。此外，納米技術(shù)在航天航空領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛，近年已被用到發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷部件、納米衛(wèi)星、航天飛機(jī)表面阻熱材料等方面[8]。

2 納米技術(shù)在化生防護(hù)中的應(yīng)用

2.1 納米化生傳感器

傳感器在化生偵查裝備中有著至關(guān)重要的作用，它是構(gòu)成裝備的核心器件。納米傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有尺寸小、精度高等性能，在豐富了傳感器理論的同時(shí)，也拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

化學(xué)傳感器方面，美國圣迪亞實(shí)驗(yàn)室成功研制出一種表面巨大、具有完全規(guī)則納米結(jié)構(gòu)的超薄涂層，孔隙被設(shè)計(jì)成可以允許一定尺寸的分子通過。這種超薄涂層可以用作化學(xué)傳感器，檢測分子的靈敏度比普通的傳感器材料要高出幾百倍。此外，還有人在開發(fā)一種具有活性孔隙的納米材料，孔隙可以隨條件不定向變化開閉，可用作戰(zhàn)場毒劑劑量檢測裝置，很大程度上解決了戰(zhàn)場形勢[9]。

納米材料作為生物傳感器的固定材料或載體，可以使生物傳感器的靈敏度、檢測范圍、重復(fù)性得到明顯增強(qiáng)，在生物傳感器改進(jìn)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。金納米粒子具有表面積大、表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因?yàn)槠浔砻嬖优湮徊蛔悖щ娮蝇F(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)于生物大分子有很強(qiáng)的吸附能力，能更加高效地固定生物大分子，因此可用于設(shè)計(jì)和研制各種具有特定功能的生物傳感器。納米金溶膠技術(shù)能使組裝表面上的蛋白質(zhì)和酶保持穩(wěn)定的生物活性，也使其保持穩(wěn)定的性質(zhì)。目前較為成熟的是免疫膠體金技術(shù)。

2.2 納米材料在個(gè)人防護(hù)裝備的應(yīng)用

將納米技術(shù)應(yīng)用到個(gè)體防護(hù)裝備有兩種途徑，一種方法是將納米顆粒添加到纖維材料中而制成面料，另一種是將纖維材料直接制成納米纖維，然后再編織成“納米布”，可用于研制防護(hù)服等系列個(gè)人防護(hù)裝備。化生防護(hù)服通常采用第二種方法。美國開發(fā)明了用于服裝的納米纖維材料，利用這種低密度、高孔隙度和大比表面積納米纖維材料制成的多功能防護(hù)服，具有可呼吸性，既能擋風(fēng)、過濾細(xì)微粒子也對(duì)化生有毒物進(jìn)行阻擋與過濾，也能允許汗液的揮發(fā)與擴(kuò)散，穿著十分舒適。此外，美國還在研究納米材料隨環(huán)境變化的敏感性，利用納米材料制成能釋放生物和化學(xué)武器解毒劑的軍裝和面具，使士兵能在受到生物武器和化學(xué)武器污染的戰(zhàn)場上行動(dòng)自如[10]。

2.3 納米化生洗消

洗消的對(duì)象主要包括人員、裝備和工程設(shè)施。利用納米技術(shù)制備的洗消劑，能明顯改善殺毒殺菌效果，而納米自清潔涂料則可實(shí)現(xiàn)自潔凈功能。

利用納米光催化技術(shù)可有效破壞有機(jī)物或微生物的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示半導(dǎo)體光催化技術(shù)在軍用毒劑消毒領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，可用于染毒水的消毒、毒劑銷毀、以國防工程為代表的一些內(nèi)部和戰(zhàn)地染毒空氣的進(jìn)行消毒等[11]。

納米材料由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。利用納米技術(shù)研制開發(fā)的納米TiO2在紫外光照射條件下，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而具有超親水性，阻止紫外光照射，數(shù)小時(shí)或幾天后又回到疏水性狀態(tài)，再用紫外光照射，又表現(xiàn)出超親水性。鍍有納米TiO2的表面因?yàn)槠涑H水性，使油污不易附著，即使有所附著，也是和外層水膜結(jié)合，在外部風(fēng)力、水沖雨淋及自身重力作用下能自動(dòng)從涂層表面剝離，從而達(dá)到防污和自清潔的目的。太陽光中的紫外線足以維持納米TiO2薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期的自潔去污效應(yīng)。這一特性可廣泛應(yīng)用于防護(hù)裝備表面涂層，使其具有自潔凈功能，從而達(dá)到在戰(zhàn)場上長時(shí)間防護(hù)的效果[12]。

3 結(jié)語

目前，納米技術(shù)研究仍處在起步階段，還沒有獲得重大的、突破性進(jìn)展，還沒有達(dá)到真正全面實(shí)用的水平，尤其是納米技術(shù)在化生防護(hù)中的應(yīng)用依然很少。總而言之，納米技術(shù)在今后一定會(huì)推動(dòng)防護(hù)裝備向小型化、智能化、精密化和更加多功能化發(fā)展。

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