納米技術與環境保護

鮑羽 袁靜靜

摘要：納米技術是一種具有重要理論價值和廣闊應用前景的新技術，被譽為21世紀最有前途的技術之一。本文闡述了該技術的含義，在環境領域的應用以及其潛在的突破。

【分類號】X50

1 納米技術

納米（nm）技術是指在0.1-100nm范圍內，研究電子、原子和分子內在規律和特征，并用于制造各種物質的一門嶄新的綜合性科學技術。納米尺度的物質顆粒接近原子大小，此時量子效應開始影響到物質的性能和結構。由納米級結構單元構成的納米材料，在機械性能、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。人類通過在原子、分子和超分子水平上控制了納米結構來發現納米材料的奇異特征，以及學會有效地利用這些特定功能產品，最終能夠仿照自然生態中非常復雜的過程，這也是納米科技的最終目的。

納米技術包含下列四個主要方面：

（1）納米材料：當物質到納米尺度以后，大約是在1-100納米這個范圍空間，物質的性能就會發生突變，出現特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發法制備超微離子，并通過研究它的性能發現：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現出既不導電、也不導熱。人們就正式把這類材料命名為納米材料。

（2）納米動力學：主要是微機械和微電機，或總稱為微型電動機械系統，用于有傳動機械的微型傳感器和執行器、光纖通訊系統，特種電子設備、醫療和診斷儀器等，用的是一種類似于集成電器設計和制造的新工藝。特點是部件很小，刻蝕的深度往往要求數十至數百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動機，用于超快速離心機或陀螺儀等。雖然它們目前尚未真正進入納米尺度，但有很大的潛在科學價值和經濟價值。

（3）納米生物學和納米藥物學：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，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，dna的精細結構等。新的藥物，即使是微米粒子的細粉，也大約有半數不溶于水；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：包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷。更小是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。

納米技術是建設者的最后疆界，它的影響將是巨大的。

2 納米技術在環境鄰域的應用

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。國際上已將納米材料作為新一代催化劑進行研究和開發。近年來的發展方向是納米復合化，例如，氟石結構的納米Ce2-x和Cu組成納米復合材料，可用于汽車尾氣中SO2、CO的消除。已有生產廠家開發出可以用來代替汽車中的金屬構件的納米粒子增強型復合材料，這種納米復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。我國山東小鴨電器集團采用納米復合抗菌除味塑料制作洗衣機的外筒，具有耐高溫、耐摩擦、耐沖擊、韌性好和硬度高等特點，還有很好的光潔度和很強的除垢能力，不但可以防止污垢在筒壁沉積，隨時保持洗衣機內部清潔，還可以防止細菌滋生，解除了衣物交叉感染的可能，開辟了健康洗衣機的新紀元。

用黏土和聚合物的納米粒子替代輪胎中的炭黑是一項生產環保型、耐磨損輪胎的新技術，利用納米材料對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人體的損害，而且可以提高燈管的使用壽命。把具有導電性能的納米顆粒，如炭黑、金屬粒子等加入到高聚物中，可以改善高聚物的導電性，節約能源。

3 納米技術在環境領域的潛在突破

3.1 有效利用資源

納米技術是從原子和分子開始制造材料和產品。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。納米復合陶瓷，因其優異的耐高溫、高強度等性能，有望應用于高溫發動機中，其燃燒熱效率可增加一倍，且燃燒完全，污染降低。由于納米技術導致產品微型化，使所需資源減少，不僅可達到"低消耗、高效益"，而且成本低廉。可以預測，未來資源浪費，造價昂貴的大型機械設備將逐步淘汰，以實現資源消耗率的"零增長"。

3.2 用于對水和空氣的處理

消除水和空氣中最細微的污染物（分別為300nm和50nm），使空氣和飲用水更加清潔。新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，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。通過納米孔徑的過濾裝置，還能把水中的細菌、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 監測大氣污染

大氣中含有的C、N、S等元素的氧化物可導致酸雨和溫室效應，因此它們在大氣中的含量必須被實時監測。現有監測技術成本高，不便于移動作業，所需溫度高，而利用納米材料的高比表面積能對吸附氣體有快速反應，吸附后能改變其物理性質，且反應可逆，具有能再生的特性。研制出可用于監測大氣中的有害氣體，可在室溫下工作、造價低廉、體積小的監測器。

3.4 提供有效儲氫方式

物理和化學方法儲氫，需要昂貴的設備。采用納米材料可避免大晶粒儲氫材料在反復吸收、釋放氫氣的循環過程中產生的氫脆現象，又可增加吸氫容量和吸氫速率，提供一種有效而清潔的儲氫方式，這種材料如果用來制造燃料電池汽車中的氫容器，可有效避免空氣污染。

4 結束語

納米技術應用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大，美國權威機構預測，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的應用將遠遠超過計算機工業。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發的"材料革命"現在我國以納米材料和納米技術注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術的生產線。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質量

盡管納米技術仍有許多問題有待于進一步探索和解決，但它在高科技領域和傳統產業中帶來的沖擊是不可否認的。它將成為新世紀信息時代的核心。隨著人們對納米材料研究的深入，納米材料必將出現更為廣闊的應用前景，納米材料的大規模工業生產和商業應用也將成為現實。可以相信，納米技術作為一門新興科學，必將對環境保護產生出深遠的影響，利用納米技術解決污染問題將成為未來環境保護發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1]曹學軍等，神奇的納米技術，國外科技動態，2010，9（3）；33-36。

[2]周雙生，周根陶，化學世界，2011，38（8）；399。

作者簡介：鮑羽男（1966-），漢，湖北江陵，本科，副教授，畢業于湖北大學，主要研究方向：分析化學教學及應用。