解讀GB/T 32269—2015《納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》

彭金平（中國質(zhì)檢出版社 中國標準出版社）

解讀GB/T 32269—2015《納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》

彭金平（中國質(zhì)檢出版社 中國標準出版社）

國家標準GB/T 32269—2015《 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》將于2017年1月1日實施。術(shù)語和定義是標準化工作的重要內(nèi)容，納米物體的術(shù)語和定義標準是納米科技領(lǐng)域標準體系的基礎(chǔ)。為了讓更多從事納米產(chǎn)業(yè)相關(guān)人員充分理解使用基礎(chǔ)標準，本文對GB/T 32269—2015中涉及的納米領(lǐng)域相關(guān)術(shù)語及詞義進行了具體圖文示例解讀，包括“納米尺度”“量子點”的具體釋義；納米顆粒形成“團聚體”的原因；不同維度納米物體的具體分類及舉例；“納米管”“納米棒”“納米線”的區(qū)別；“團聚體”和“聚集體”的不同等內(nèi)容。

納米科技 納米尺度 納米物體 GB/T 32269—2015

1 引言

21世紀經(jīng)濟發(fā)展的三大支柱是信息科學技術(shù)、生命科學技術(shù)和納米科學技術(shù)。其中，納米科技是信息和生命科學技術(shù)能夠進一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。美國國家科學基金會的納米技術(shù)高級顧問米哈伊爾·羅科預言:“由于納米技術(shù)的出現(xiàn)，在今后30年中，人類文明所經(jīng)歷的變化將會比過去的整個20世紀都要多得多。”目前，就納米科技整體發(fā)展狀況而言，歐、美、日已大力發(fā)展多年，而國內(nèi)的納米科技研究剛開始不久，無論是科研水平還是市場契合度，與歐、美、日差距都還很大。可以說，納米科技的興起，對我國提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也為我國實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了難得的機遇。

納米科技的不斷發(fā)展需要納米技術(shù)標準化的不斷跟進。在電子、能源、材料、醫(yī)藥、航空、基礎(chǔ)科研、實驗室檢測等眾多領(lǐng)域，需要納米技術(shù)標準為相關(guān)從業(yè)人員建立公共的交流平臺，從而幫助納米技術(shù)不斷產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，促進納米科技產(chǎn)品的提質(zhì)增效。

在國際上，目前許多國家和國際組織已經(jīng)成立了專門的標準開發(fā)機構(gòu)制定納米技術(shù)標準，而我國的納米技術(shù)標準化發(fā)展水平不是很樂觀。隨著納米產(chǎn)業(yè)界和納米技術(shù)研究機構(gòu)對納米技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用依據(jù)的需求不斷增多，納米技術(shù)標準化步伐也在加快，特別是對于基礎(chǔ)性系列標準，納米技術(shù)標準化工作者更是在積極實現(xiàn)納米基礎(chǔ)體系標準化全覆蓋，力爭最大限度地利用納米技術(shù)，確保以基礎(chǔ)完善、健全的標準體系支撐納米科技檢測、評估和發(fā)展。

2 標準制定背景

隨著納米科技的迅速發(fā)展，在國際上，納米技術(shù)標準化有了長足的發(fā)展。迄今為止，國際標準化組織納米技術(shù)委員會（ISO/TC 229）先后召開了十余次全體大會，完成并發(fā)布了碳納米管的表征檢測等35項標準工作項目。國際電工委員會（IEC）于2007年3月成立了國際電工委員會納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會（IEC/TC 113），力爭在納米材料的電學性質(zhì)測量標準方面取得領(lǐng)先。在國內(nèi)，全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 279）先后成立了納米壓入技術(shù)等多個工作組，正在積極開展相關(guān)標準化工作。

為了制定統(tǒng)一規(guī)范的納米技術(shù)標準，為納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供健全完善的基礎(chǔ)標準體系。針對納米科學的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)術(shù)語的不斷增加，納米技術(shù)標準起草工作組制定了納米技術(shù)的術(shù)語和定義標準，精確和統(tǒng)一地定義納米物體的相關(guān)概念，梳理納米物體之間以及納米物體與現(xiàn)有常規(guī)物體之間的相互關(guān)系。GB/T 32269—2015《納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》屬于技術(shù)規(guī)范類，使用翻譯法等同采用國際標準ISO/TS 27687: 2008。該標準主要給出了在納米科技領(lǐng)域中與顆粒、聚合體相關(guān)的無歧義的詞匯和定義，旨在促進納米產(chǎn)業(yè)相關(guān)的組織與個人之間的 交流。

3 GB/T 32269—2015中涉及的術(shù)語及定義示例解讀

術(shù)語和和定義是納米科技標準化工作的重要內(nèi)容，是納米技術(shù)快速發(fā)展和納米產(chǎn)業(yè)不斷壯大的基礎(chǔ)需求。GB/T 32269—2015主體部分涉及到納米尺度和納米物體等與顆粒相關(guān)的核心術(shù)語，描述不同維度的納米物體的特定術(shù)語，顆粒、團聚體、聚集體等與顆粒聚合體相關(guān)的術(shù)語等內(nèi)容。

3.1 納米尺度和納米物體

GB/T 32269—2015 中2.1提到“納米尺度”是“處于1nm～100nm尺寸范圍”。那么，一般而言，納米尺度通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。值得注意的是，標準中引入的下限1nm實際上是為了避免將單個原子或原子團簇誤認為是納米物體或納米結(jié)構(gòu)單元。原子團簇是指僅包含幾個到幾百個原子或尺寸小于1nm粒子的原子集合體。納米實際上是一種長度單位，1納米僅為10億分之一米，大約等于10個氫原子并列排布的長度。形象地描述，人的一根頭發(fā)絲的直徑大約為60000nm～80000nm。標準中2.2規(guī)定“一維、二維或三維外部尺寸處于納米尺度的物體”稱為“納米物體”。例如，在日常生活中，室外的花粉是納米物體，室內(nèi)的灰塵是納米物體，甚至病毒（圖1）也是納米物體。納米技術(shù)是指在納米尺度研究納米物體，通過直接操縱和安排原子、分子制造特定功能納米材料的技術(shù)。這里值得注意的是，對于單純的某一種納米物體，如果其沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，就不能稱為納米技術(shù)。比如，香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末，雖然尺寸達到了納米尺度（圖2），但是，由于沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，這些還不可稱為納米技術(shù)。

圖1 納米物體示例（病毒）

圖2 納米尺度

3.2 描述納米物體的特定術(shù)語

GB/T 32269—2015規(guī)定了不同維度納米物體的術(shù)語，下面對這些術(shù)語進行圖文示例解讀。

1. 零維納米物體

標準中4.1規(guī)定x軸，y軸，z軸“三個維度的外部尺寸都在納米尺度的納米物體”稱為納米顆粒（nanoparticle）（圖3），這類空間三維尺度均在納米尺度的材料屬于零維納米物體。納米顆粒是肉眼和一般光學顯微鏡看不見的微小粒子，尺寸大于原子團簇。通常納米顆粒小于紅血球的千分之一，是細菌的幾十分之一，與病毒大小相當。日本上田良二教授曾說，用透射電子顯微鏡（TEM）能看到的微粒是納米顆粒。

圖3 納米顆粒

2. 一維納米物體

標準中4.3規(guī)定“兩個維度外部尺寸相近且處于納米尺度，剩余一個維度外部尺寸明顯大于其他兩個維度尺寸的納米物體”稱為納米纖維（nanofibre）（圖4）。“納米纖維”可以是柔性的，也可以是剛性的。這里的“剛性”和“柔性”是相對的。“剛性”是指納米纖維材料抵抗變形的能力，外力一定時，變形越小的材料剛性越大；變形一定時，所加外力越小的材料剛性越小。“柔性”是指材料響應(yīng)變形的能力，外力一定時，變形越大的材料柔性越大；變形一定時，所加外力越大的材料柔性越小。另外，標準中提到的其中一個維度的“最長的外部尺寸”可不在納米尺度。對于納米纖維來說，中空的納米纖維稱為“納米管”；實心的納米纖維稱為“納米棒”；導電或半導電納米纖維稱為“納米線”；還有一些帶狀形貌的納米纖維稱為“納米帶”。

圖4 納米纖維

納米管（nanotube）（圖5）、納米棒（nanorod）（圖6）、納米線（nanowire）（圖7）、納米帶（nanobelt）（圖8）這類空間二維尺度處于納米尺度的材料屬于一維納米物體。這類納米物體的徑向尺寸在納米尺度，而長度方向的尺寸遠大于徑向尺寸，長徑比（長度∶直徑）在十幾到上千、上萬范圍。

圖5 納米管

圖6 納米棒

圖7 納米線

圖8 納米帶

納米管（比如碳納米管）可以看作是由單層或多層石墨按照一定的規(guī)則卷繞而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)。其中，由石墨原子單層繞同軸纏繞而成的為單壁碳納米管（圖9）；由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物為多壁碳納米管（圖10），其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠大于其直徑。無論是單壁碳納米管還是多壁碳納米管都具有很高的長徑比，一般為100～1000，最高可達1000～10000。

圖9 單壁碳納米管

圖10 多壁碳納米管

納米棒，一般來講是長度較短、縱向形態(tài)較直的一維圓柱狀（或其截面呈多角狀）實心納米材料。比如Au納米棒，Ag納米棒；納米線，是指長度較長，形貌表現(xiàn)為直的或彎曲的實心納米材料。比如單質(zhì)納米線，Si納米線、Ge納米線等；氧化物納米線，SnO納米線、ZnO納米線；氮化物納米線，GaN納米線、Si3N4納米線；硫化物納米線，CdS、ZnS；三元化合物納米線，如BaTiO3、PbTiO3。“納米棒”和“納米線”區(qū)別在于長徑比不同，長徑比小的、且長度小于1μm，納米物體的性質(zhì)取決于長度的為納米棒；長徑比大的、且長度大于1μm的為納米線。

納米帶，不同于納米管或納米線，其截面呈四邊形，寬厚比一般為幾到十幾，比如ZnO、SnO2納米帶。

3. 二維納米物體

標準中4.2規(guī)定“一個維度外部尺寸在納米尺度，其他兩個維度外部尺寸明顯大于最小尺寸納米物體”的稱為“納米片”（圖11）。這里的“最小尺寸”是指納米片的厚度，即z軸方向的尺寸；“明顯大于”是指兩個維度的尺寸比“最小尺寸”大3倍及以上的情況。比如，石墨烯納米片，是指由單層碳原子平面結(jié)構(gòu)堆垛而成的納米物體。納米片、納米膜這類在空間三維尺度中，有一個維度在納米尺度的材料屬于二維納米物體。

圖11 納米片/膜

4. 三維納米物體

標準中沒提及的另一類納米物體是三維納米物體，即納米固體材料（圖12），通常是指由尺寸小于15nm的納米顆粒在高壓下壓制成型，或再經(jīng)一定的熱處理工序，生成的致密性固體材料。納米固體材料的主要特征是有巨大的顆粒間界面（圖13），比如，5 nm納米顆粒構(gòu)成的固體材料，每立方厘米有1000多個晶界，這樣的結(jié)構(gòu)使得納米固體材料具有高韌性。

圖12 納米固體材料

圖13 顆粒間界面

5. 準零維納米物體——量子點

標準中4.7規(guī)定“因電子態(tài)量子限域效應(yīng)表現(xiàn)出尺寸依賴性質(zhì)的納米顆粒”稱為“量子點”（圖14）。量子點，又稱半導體納米晶，由少量原子構(gòu)成。其三個維度的尺寸都小于100nm，形貌為極小的點狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子限域效應(yīng)特別顯著。量子點的種類分為一元量子點，比如，碳量子點（CQDs），其顆粒尺寸為小于10nm的準球型碳納米顆粒，相較于金屬量子點材料，碳量子點幾乎無毒。碳量子點具有光致發(fā)光特性，通俗來說，具有良好水溶性的碳量子點在光照下，其自身會發(fā)出明亮的熒光，并且具有很好的光學穩(wěn)定性；二元量子點，包括不含金屬的ZnO量子點、SiO2量子點和含金屬的CdS量子點、PbS量子點；三元量子點，比如CdSexTe1-x、CuInS2等。

3.3 顆粒及其集合體術(shù)語

標準中3.1和3.2規(guī)定了顆粒及其集合體相關(guān)的術(shù)語。標準條文“納米物體通常以團塊，而非分立的形式出現(xiàn)。由于表面能的原因，這些共存納米物體之間可能發(fā)生相互作用。”那么，對于不同尺寸和形狀的納米物體，標準給出了描述術(shù)語“顆粒”和“團聚體”（圖15）。標準中3.1參考了ISO 14644-6：2007的“顆粒”定義：“具有確定物理邊界的一小部分物質(zhì)”稱為“顆粒”，該通用顆粒定義適用于納米物體。標準中3.2給出了“團聚體”的定義：“弱束縛顆粒的堆積體、聚集體或二者的混合體，其外表面積與其單個顆粒的表面積的總和相近。”其中，支撐團聚體的作用力都是弱力，如范德華力或簡單的物理纏結(jié)。標準中提及的團聚體又稱為次級顆粒，而源顆粒則稱為初級顆粒。

其實，“團聚體”與通常所說的“聚集體”是有區(qū)別的。標準中3.3給出了“聚集體”的定義：“強束縛或融合在一起的顆粒構(gòu)成的新顆粒，其外表面積可能顯著小于其單個顆粒表面積的總和。”這里值得注意的是支撐聚集體的力都是強作用力，如共價鍵或源于燒結(jié)或復雜的物理纏結(jié)。這與團聚體的弱作用力是顯著的區(qū)別之一，另外，聚集體的外表面積可能顯著小于其單個顆粒表面積的總和，區(qū)別于團聚體的外表面積近似等于其單個顆粒的表面積總和。

圖14 量子點（納米晶）（上圖）及不同直徑的量子點顏色（下圖）

圖15 納米顆粒團聚體

這里要解釋的是納米顆粒的團聚現(xiàn)象，團聚現(xiàn)象與納米顆粒小尺寸效應(yīng)和表面與納米顆粒的界面效應(yīng)有關(guān)。由于顆粒尺寸到了納米尺度，顆粒表面占有的原子或基團數(shù)會急劇增加，顆粒表面積增大，表面能增加。這種納米尺度顆粒之間表面氫鍵、范德華力及其他化學鍵作用，使顆粒之間互相黏附聚集而以團聚體的形式存在。比如，納米金剛石，其表面存在大量的基團使表面積累了大量的正電荷或負電荷，這些帶電粒子極不穩(wěn)定，為了趨于穩(wěn)定，它們互相吸引，顆粒產(chǎn)生團聚。納米金剛石表面原子或離子數(shù)的比例提高，使其表面活性增加，顆粒之間吸引力增大。另外，納米金剛石表面雜質(zhì)的存在也易引起粒子團聚，該過程的主要作用力是靜電庫侖力。納米顆粒之間的距離極短，顆粒之間的范德瓦爾斯引力遠遠大于顆粒自身的重力，粒子和粒子在相互碰撞過程中也易互相吸引而聚集，從而形成“團聚體”。

這里有必要提一下納米物體的四大效應(yīng)，即由于納米顆粒的特殊結(jié)構(gòu)引起的納米材料的特殊性能，分別是小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)是指當顆粒分割后，尺寸小到一定程度時，其性質(zhì)發(fā)生根本性變化；量子尺寸效應(yīng)是指當粒子尺寸降低到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗壓图{米半導體微粒的能隙變寬的現(xiàn)象；表面與界面效應(yīng)是指納米顆粒由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大尺寸顆粒，使納米顆粒的自由能增加，表面的原子或分子所占的比例增多，導致表面能高； 宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當納米顆粒的總能量小于勢壘高度時，顆粒仍能穿越這一勢壘。那么，納米顆粒易形成“團聚體”，并且通常以團塊狀形式出現(xiàn)的原因就是和上面提到的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)密切相關(guān)。

4 結(jié)束語

我國納米技術(shù)正在從應(yīng)用導向性基礎(chǔ)研究向技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化一體化研究發(fā)展，在納米制造方面的產(chǎn)學研合作日益加快，逐步構(gòu)建了納米產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。標準的制定決定了技術(shù)開發(fā)和發(fā)展的方向，因此，制定納米基礎(chǔ)標準、納米產(chǎn)品標準、納米檢測技術(shù)標準等構(gòu)建成熟的納米技術(shù)標準體系將能有力支撐納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]GB/T 32269—2015 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義納米顆粒、納米纖維和納米片

[2]GB/T 30544.3—2015 納米科技 術(shù)語 第3部分: 碳納米物體

[3]ISO/TS 27687：2008 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片

[4]ISO 14644-6：2007 無菌室和相關(guān)控制環(huán)境 第6部分：詞匯

[5]GB/T 32669—2016 金納米棒聚集體結(jié)構(gòu)的消光光譜表征

[6]任紅軒. 走進納米世界[J]. 科學世界. 2014 （6）.

[7]姜山，張軍，等. 國內(nèi)外納米技術(shù)標準化工作綜述[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2007 （6）.

Analysis of “Terminology and defi nitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofi bre and nanoplate”

Peng Jinping ( Standards Press of China )

National standard of “Terminology and definitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofibre and nanoplate”(GB/T 32269—2015) will be implemented from January 1, 2017. The standard was the basis on the nanotechnology standard system in nano-fi eld. For the sake of understanding and using the foundational standard preferably, the typical examples and demonstration for terminology and defi nitions of nano-objects were interpreted in this paper, such as the detail discription of “nanoscale” and “quantum dot”,the reason for agglomerate of nanoparticles, nano-object on different dimension, the difference among “nanotube” , “nanorod” and “nanowire”, as well as the difference between “agglomerate” and “aggregate”.

nanotechnology, nanoscale, nano-objects, GB/T 32269—2015