納米技術在化學中的應用

摘 要：納米（nm），又被稱做毫微米，是一個長度的度量單位，常常被用在衡量微觀物質。在納米級之下，許多物質會顯現出不同的性質，比如通常狀態下的銅是電的良導體，但是在某納米尺寸下銅將失去導電性，又比如純凈的鐵是銀白色的，而納米級的鐵是黑色的。因此，人類根據不同物質納米尺寸下表現出的不同性質進行深入研究，使納米科技變成一項造福于人類的技術。

關鍵詞：納米技術；化學；化學工業

1 納米技術概況

納米，又稱毫微米，是度量長度的單位，1米（m）=109納米（nm），從換算關系中可見這是一個極小的單位，如果再形象一些，人類頭發的平均直徑是0.05毫米，把頭發絲沿軸向平均剖成五萬份，其中的一份即是1納米，所以一般來說納米是用來標注微觀物質的大小的度量單位。

在宏觀上銅是導電的，把銅研磨成粉末（微米級）后其依然具有導電的特性，但是一旦將銅粉末顆粒的直徑研磨至納米級之后，銅就不再導電了。與此相反的是，通常情況下二氧化硅是一種半導體具有單向導電性，如果將二氧化硅研磨成顆粒，并使顆粒的尺寸達到納米級，那么其性質將會發生顛覆性改變——二氧化硅變得完全導電了。再比如，銀這種物質在平常會釋放出銀離子，而銀離子具有良好的殺菌作用，而將銀做成納米級的使其成為納米銀，其殺菌作用會大大提高。

由上可知，在納米尺寸下，物質的許多性質將會發生改變，這種改變可能是與原來的性質相反或者是加強了原有的性質，甚至有些物質會體現出全新的性質，所以人們以此為基礎發展了納米技術。

納米帶動和發展了諸多學科，比如納米化學、納米醫學、納米電子學、納米生物學和納米材料學，而我們最常聽到的既是納米技術在化學和材料學中的應用，由于納米技術研究的尺寸介于1到100納米之間，所以通常認為，如果物體為固態粉末或者呈纖維狀，當其有一維且小于100nm時，即為納米尺寸；如果物體為球狀，而且其比表面積大于60m2/g且其直徑小于100nm時即達到納米尺寸。在日常生活中很多材料的微觀尺寸即以納米表示，比如半導體材料的制程即為納米級，截至2016年4月，最新的中央處理器（cpu）的制程為14nm。納米材料有如下幾大特點：（1）顆粒尺寸小。（2）比表面積大。（3）表面能高。（4）表面原子所占比例大等特點。納米材料還有其獨有的三大效應：（1）表面效應。（2）小尺寸效應。（3）宏觀量子隧道效應。

2 舉例說明納米技術在化學中的應用

上文已經說明，一些物質在納米尺寸之下會體現出諸多不同于處于宏觀尺寸下的性質，所以納米技術廣泛應用于化學中。

2.1 納米銀

普通狀態下的銀是銀白色的，而在納米狀態下的銀則呈白色粉末狀，所以納米銀也被稱作納米銀粉。通常狀態下的銀有良好的殺菌功能，而與通常狀態的銀不同納米銀的殺菌能力更強，而且其殺菌的效果隨著顆粒尺寸的減小而加強，但是長期使用含納米銀的殺菌劑會在生物體內產生積累造成生物的中毒，并且銀作為一種廣譜的殺菌劑會將自然界中的有益菌一并殺滅破壞生態平衡。在化學工業上，納米銀還是乙烯氧化反應的良好的催化劑。

納米銀也因為容易制得和優良的性質而被用于分析化學中，在分析化學中納米銀經過修飾后與熒光蛋白結合并置于特定載體之上可以顯著增強熒光蛋白的發光強度，可以在熒光蛋白很微量的情況下達到大劑量的發光效果，再進一步修飾蛋白質后比如將蛋白質與某些物質如嘌呤、腺苷等物質結合，可以做成具有特異性識別功能的熒光分子探針，再加上經過納米銀的增強作用可以用來檢測很微量的物質，在一定程度上提高了分子探針的靈敏度，推動了分析化學的進步。

2.2 納米銅

非納米級下的銅已經具有良好的延展性，但是納米級下的銅具有更良好的延展性——超塑延展性。納米銅可以在室溫下被拉伸50多倍而不出現裂痕，而最近的研究表明，在80納米下，納米銅結晶體的機械特性發生了巨大改變，在這個尺寸下納米銅結晶體的機械強度是普通銅的三倍。

由于納米銅的比表面積大，活性中心多，因此納米銅一般是被作為催化劑而使用的，比如在石油工業和冶金工業中納米銅是一種良好的催化劑。再比如在高分子聚合物的脫氫和氫化反應里，納米銅具有極高的選擇性和活性，因而是一種理想的催化劑。又比如在導電纖維的制造（以乙炔為原料聚合而成）中，因納米銅具有比表面積大、活性中心多的特點仍然是一種極好的催化劑。最后，在傳統的汽車尾氣處理中，一般使用鉑和釕這樣的貴金屬使一氧化碳轉變生成二氧化碳，雖然催化劑在反應前后物性不變，但是催化劑依然要參與到反應過程中，所以催化劑不可避免的會出現消耗，所以在該反應中使用貴金屬作為催化劑顯得成本過于昂貴，實驗證明納米銅對于一氧化碳轉化為二氧化碳這一過程的某些部分的催化作用不亞于鉑和釕的催化作用，而且納米銅的價格明顯低于鉑和釕的價格，而且銅的含量較為豐富，所以納米銅用來部分代替鉑和釕來作為該反應的催化劑以降低成本。

2.3 納米鎳

一般來講，納米金屬大部分被應用于制作高效的催化劑，納米鎳也不例外。由于納米鎳尺寸小，比表面積大，而且表面活性位也多，所以納米鎳一般被用加氫、氧化、合成、歧化、偶聯等化學反應中。

3 納米技術在其他方面的應用

經過納米技術處理過的玻璃具有高度的不沾性，所以利用此種玻璃制作的化學儀器可以最大程度的避免因試劑殘留而導致實驗結果產生偏差。將布料表面進行納米處理能夠避免油污的侵染，使得衣物有自凈的功能。在醫學上，通過仿生的納米機器人可以完成很多高難度的手術，而且通過納米機器人攜帶藥物可以準確的將藥物送達病灶，使病人盡快的康復。

4 結束語

由于在納米尺寸下物質的性質會發生諸多改變，人們利用這些特點并加以改進使其造福于人民，這其中的典型代表即是納米技術在化學中的應用。在化學中，納米金屬一般因為其較高的比表面積以及數量較多的活性中心而被當做高效的催化劑使用，或者將其作為某些貴金屬催化劑的代替品以降低生產成本。

而且納米技術是一門新興的學科，雖然這門學科還比較年輕但是發展迅速，可喜的是我國的納米技術行業走在了世界的前列，我國納米技術的研究在世界上占舉足輕重的地位。

參考文獻

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