纳米科学技术及展望，本文主要内容关键词为：纳米论文,科学技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
纳米科学技术是80年代末期诞生并正在崛起的新科技。它是研究在10[－7]米到10[－9]米内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学，并在这一尺寸范围内通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。它研究的领域是人类过去很少涉及的非宏观、非微观的中间领域，即从宏观世界到微观世界的过渡区——纳米世界。纳米的研究开辟了人类认识世界的新层次，标志着人类科学技术进入了崭新的时代——纳米科学时代。
纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，研究纳米材料需要原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合。对纳米材料的研究必将把物理、化学等领域推向新的层次。
1 纳米微粒的特性
纳米微粒的尺度一般定义为1—100nm。比红细胞（200—300nm，）和一般细菌（200—600nm）还小几倍，如此小的粒子只能用高倍的电子显微镜观察。当小颗粒尺寸进入纳米量级时，其本身和由它构成的纳米固体主要具有如下三方面的效应，并由此派出生传统固体不具备的许多特殊性质。
1.1 小尺寸效应
当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。
1.2 表面与界面效应
纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减少，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m[2]／g，粒径为5nm时，比表面积为180m[2]／g，粒径小到2nm时，比表面积猛增到450m[2]／g，这样高的比表面积使处于表面的原子数越来越多，大大增强了纳米粒子的活性。例如，将金属铜或铝做成几个纳米的微粒，在空气中会剧烈燃烧，发生爆炸。
1.3 量子尺寸效应
纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒利用此特性吸收紫外光。文献上把发光带或吸收带由长波长移向短波长的现象称为“蓝移”，把随颗粒尺寸减少，能隙加宽发生蓝移的现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应在微电子学和光电子学中一直占有显赫的地位。
上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本的特征。它导致纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质，在热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等方面不同于正常粒子，这使得纳米材料具有广阔的应用前景。
2 纳米微粒在化学化工上的应用
现在人们已经能用物理、化学及生物学等方法制备多种纳米材料，纳米材料的应用很广，如作磁性材料、电子材料、陶瓷增韧、传感等。本文主要涉及化学化工上的应用。
2.1 催化剂
纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性增加，这使得它具有作催化剂的基本条件。
目前，纳米微粒催化剂主要有三种：（1）金属纳米粒子催化剂， 以贵金属为主，例Pt、Ag。非贵金属如Ni、Fe等，贵金属纳米微粒催化剂已成功地应用于高分子高聚物的氢化反应上。（2 ）以氧化物为载体把粒径为1—10nm的金属粒子分散到多孔的衬底上，衬底种类很多，例SiO[,2]、TiO[,2]，沸石等。（3）纳米氧化物粒子，如TiO[,2]是理想的光催化剂。
纳米微粒催化剂主要具有四方面的作用：一、提高反应速度。通常的金属催化剂铁、镍等制成纳米微粒可大大改善催化效果。粒径为30nm的镍可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍，在环二烯加氢反应中，纳米微粒催化剂比一般催化剂的反应速率提高10—15倍。二、提高化学反应的选择性。例，5nm的Ni／SiO[,2]对丙醛的氢化呈高选择性，使丙醛氢化为正丙醇，抑制脱羰基引起的副反应：CH[,3]CH[,2]CHO→C[,2]H[,6]＋CO＋H[,2]。三、降低反应温度。例，超细的Fe[,3]O[,4]作催化剂可在较低温度270—300℃将CO[,2]分解为C、H[,2]O。四、光催化降解作用。一些纳米微粒受光照射时产生的电子空穴具有较强的氧化和还原能力，能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒无味的CO[,2]、H[,2]O及一些简单的无机物。这些纳米微粒有TiO[,2]、ZnO等，其中TiO[,2]因其活性高，热稳定性好等特征被认为是光催化消除环境污染最理想的光催化剂。纳米TiO[,2] 光催化性已应用于工业废水处理，有害气体净化和制成各种抗菌材料。
纳米TiO[,2]用于净化有害气体。 汽车尾气对环境和人类的危害日趋严重，开发和研制高效、高活性、高寿命、高抗毒性的尾气净化催化剂以净化大气是目前迫切需要解决的问题。纳米TiO[,2] 光催化降解技术给人类带来了福音。纳米TiO[,2]在光照下把汽车尾气中的氮、 硫的氧化物氧化成硝酸、硫酸除去，从而达到降低大气污染的目的[1]。
纳米TiO[,2]用于工业废水处理。美国佛罗里达大学的W.Z.Tang教授用UV／TiO[,2]光催化氧化法对染料废水进行脱色试验，取得了很好的脱色效果，并发现pH在3—11之间增加时，氧化速度加快[2]。用TiO[,2]膜太阳光催化氧化处理毛纺染整废水效果优于生化处理。 在某载体上镀TiO[,2]膜可连续使用，无需分离，而生化法投资大， 占地面积大且受季节影响较大。Mattews等人曾对水中34 种有机污染物的光催化分解进行了系统的研究。结果表明，光催化氧化法可将水中的烃类、卤代物、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快地氧化为CO[,2]和H[,2]O等无害物质[3]。 光催化降解具有常温常压下可进行、能彻底破坏有机物、没有二次污染且费用不太高等优点。
纳米TiO[,2]制成抗菌材料。在玻璃、陶瓷、 瓷砖等表面涂上一层纳米TiO[,2]薄层，具有很好的保洁、杀菌作用。 粘在表面上的物质如油污、细菌，在光照射下催化降解，把碳氢化合物、病原菌和毒素等氧化成气体或很容易被擦掉的物质。日本已制备出保洁瓷砖，装饰一家医院的墙，经使用证明，这种保洁瓷砖有明显的杀菌作用。我国青岛化工学院纳米研究所与海尔集团通过产学研合作，成功地开发出纳米多功能抗菌塑料，该塑料具有抗菌、抗老化、增韧和增强的作用[4]。近年来，纳米TiO[,2]抗菌性能不断被人们开发，其应用将越来越广。
2.2 优异的光吸收材料
利用纳米微粒吸收紫外光在防晒化妆品、塑料、金属防腐及荧光灯中得到应用。太阳光对人体有害的紫外线主要在300—400nm波段，如果在防晒化妆品中添加此波段有强吸收的纳米微粒就能保护皮肤不受紫外线伤害。研究表明，纳米TiO[,2]具有很强的紫外吸收能力， 为化妆品提供了良好的应用前景。但防晒化妆品要求无毒、无味、不刺激皮肤，并在水分、汗水作用下不降低防晒效果、保持对光的持久性、稳定性，且透明性要好。因此，纳米添加剂颗粒的粒径不能太大或太小，太小会将汗孔堵塞，不利于身体健康，太大会偏离紫外吸收波段，透明性降低。为解决此问题，必须在纳米微粒表面包敷一层对身体无害的高分子聚合物，但由于TiO[,2]本身是强极性物质，在有机介质中不易分散， 限制了纳米TiO[,2]的应用。因此，必须对纳米TiO[,2]进行表面改性，才能更好地发挥吸收紫外线的功能。而目前TiO[,2]表面改性机理、改性方法、改性效果表征均不完善，需要进一步研究。塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂一层含有纳米微粒的透明涂层，吸收紫外光，就可防止塑料老化。
2.3 电池材料
半导体纳米材料应用于太阳能汽车、太阳能住宅，将使地球更美丽，空气更清新。利用纳米微粒形成薄膜经光敏材料或窄带隙纳米微粒修饰制成的纳米晶薄膜网络电极不仅能降低传统太阳能电池的成本，而且能提高光电化学太阳能电池转换效率。Graetzle[5，6]等以纳米多孔TiO[,2]膜为半导体电极，有机化合物作染料， 并选用适当的氧化还原电解质，研制了一种纳米晶网络太阳能电池，其光电能量转换效率达7.1％，而大多数染料敏化的光电转换效率小于1％。 以半导体纳米材料作太阳能电池材料将使太阳能大规模的推广应用成为可能。
3 展望
当前世界上许多科学家正在努力研究纳米材料，纳米材料研究的领域不断扩大。综观近期文献报道，纳米材料的研究已取得了很大的进展与突破，但离成功工业化还很遥远。如何把实验室的研究成果转变为生产力这是很关键的一步。例如用纳米TiO[,2]光催化处理废水， 存在的悬浮光催化剂易失活、易凝聚、难回收等缺点，如果这些问题不解决，就没有经济效益，更没有工业应用的可能。因此，21世纪纳米科学技术的发展，在探索纳米体系新现象、新效应、总结新规律的同时，既要研究纳米高科技的应用，也要研究纳米合成、纳米添加对传统材料改性，扩大纳米材料的应用范围、并将纳米材料在实验室的研究转化为生产力。
1959年美国物理学家曾预言“如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制，就能得到所需的物质特性。”这个时刻即将到来。尽管目前纳米理论与技术还不成熟，但无可否认，纳米材料在新材料、化工、能源、信息等各个领域将发挥举足轻重的作用，它必将给人类带来更多的利益。