蝉鸣

纳米科技导论.doc 纳米科技在环境方面的应用 纳米技术是20世纪80年代迅速发展起来的一门交叉性综合学科，包括纳米材料和纳米结构两部分。纳米科学是指研究尺寸范围在1~100 nm 之内的物质所具有的物理、化学性质和功能的科学。纳米技术则是一种利用单个原子、分子制造物质的科学技术，它是一种以纳米科学为理论基础，制造新材料、新器件，研究新工艺的方法，大致涉及以下7个分支:纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米机械学(制造工艺学)、纳米加工及表征，每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业理论与当代尖端高新技术的结晶，并且主要以物理、化学等的围观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的技术为手段，是一个原理深奥、科技尖端、内容极广的学科群。纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100 nm)调制的各种固体超细材料，包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体)和纳米微粒、一维调制的纳米多层膜、二维调制的纳米微粒膜(涂层)和三维调制的纳米相材料。纳米材料研究的是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础，其相应发展起来的纳米技术则被公认为是21世纪最具前途的科研领域，它将被广泛的应用于生活的各个方面。我接下来将要讨论的是关于环境科学方面的应用。 水源受到重金属污染，是世界各国长久以来面临的一个难解问题，不仅影响经济发展，更有害于人类的身体健康。要想纯化受到重 金属污染的水源十分困难，其成本也十分高昂。新加坡生物工程与纳米技术研究院(IBN)开发出一种方法，利用有机溶剂提取水溶液中的金属离子。这种方法就可以改善环境，清洁受到重金属污染的水源。JBN小组是通过将金属盐水溶液和十二胺(DDA)乙醇溶液混合，成功地将水溶液中的金属离子快速转移到有机介质之中。金属离子会与DDA绑定，然后与有机溶剂一起被提取出来。这种有机溶剂的沸点很低，很容易蒸发，因此可以通过蒸馏法移除。而这些从水相转换成有机相的金属离子则可成功地用于合成各种金属纳米粒子、合金纳米粒子和半导体纳米粒子。能够溶于水的金属化合物的用途相当广泛。通过这种方法，许多有用的金属和可溶于水的稀有材料就可以轻易地用于合成纳米粒子。相较于其他方法，IBN的方法使用可溶于水的廉价普通金属作为前体物质，成本低廉，效率高，可合成具有广泛用途的多种类型纳米粒子，包括金属半导体纳米复合材料和混合纳米粒子。该方法简便易行，可在室温下进行，并且不会产生有毒的化学物质，十分环保。而使用如甲苯等可清除金属残留物的有机溶剂来提取溶于水中的金属非常有效。有机溶剂的密度要小于乙醇或水，会漂浮在水溶液之上。当搅动混合物时，金属会完全脱离水和乙醇而溶于甲苯。 这样就可从水中提取金属，而无需沥出其中的矿物离子。除了铅、汞这样的高毒性金属，其他一些贵重金属，包括金、银、铱和锇，也能溶于水，也可以用此种办法加以提取。这在人类科技方面有重大意义。 除了重金属污染外，随着农药、花费的广泛施用，大量未被农作 物吸收的氮素经微生物硝化作用后以硝态氮形式进入土体和地下水造成污染，成为一个不可忽视的环境问题。零价铁能够还原去除水环境中的多种污染。但在实际应用中受到很大限制，特别是对于已经扩散到土壤和地下水中的污染物，更显力不从心。 研究表明，当常态物质被加工到纳米尺度时会出现奇异的表面效应、体积效应和量子效应，其很多理化性都会发生显著变化，纳米材料因此具有许多特殊性能而备受关注。与普通市售铁粉相比，纳米铁具有大得多的比表面积和极高的表面活性，又因粒径极小可以被直接注入污染场所，因而在地下谁修复中具有独特的优势。以纳米铁为净水剂进行污染修复的研究已在国外开展而国内还尚不多见。研究表明，纳米铁粒子对水中无机盐、有机物、重金属类污染物都有很好的去除效果。特有的优势和广泛的去污净水能力使纳米铁在修复地下水方面具有很好的应用前景。 虽然纳米科技在环境保护方面有较突出的成果，但不得不注意在成本和环境安全的问题。一些研究已经证明某些纳米材料确实具有一定的生物毒性。不同的纳米材料具有不同的生物效应，由环境化学与生态毒理学国家重点实验室利用鱼的发育做实验，发现纳米颗粒进入其体内后，产生细胞异常反应，并造成鱼眼睛发育异常的现象。位于休斯顿的美国宇航局太空中心的研究小组发现，向小鼠的肺部喷含有碳纳米管的溶液，碳纳米管会进入小鼠肺泡，并形成肉芽瘤。杜邦公司的一个研究小组也发现了类似的结果。用聚四氟乙烯制作的纳米颗粒毒性更强。纽约州罗切斯特大学的一个研究小组让大鼠在含有这种 纳米颗粒的空气中生活15分钟，就会导致大多数老鼠在4个小时内死亡。在另一项研究中，该研究小组发现用碳13和锰制作的纳米颗粒能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。许多纳米材料有着种种奇异而有用的特性，但是就像任何作用力都存在着反作用力一样，纳米科技也存在有毒物质、环境污染等未知的黑匣子。从2000年以来，陆续有科学家针对纳米粒子对人体健康及安全是否有危害发出警言。科学家指出纳米材料会随着使用时间脱落，而现有的废水处理以及过滤系统，都无法处理这些脱落的纳米粒子。因此脱落的纳米粒子，会不会对人体与环境造成伤害呢,如果纳米粒子进入食物链中，会造成什么样的影响,另外，食品、医药与化妆品纳米化后，是否会对人体产生危害,科学家开始致力于研究纳米粒子的危害性，将各种纳米粒子加入到细胞中，观察细胞各种现象，比如是否会因加入纳米粒子而死亡、突变或是增生等。人体各种功能细胞尺寸大都在微米级，比纳米微粒的尺寸大得多，纳米尺度颗粒或纳米纤维很容易进入细胞。已经证实直径一百纳米的颗粒能够在六十秒之内成功穿透肺部防线，并在一小时之内出现在肝脏和其他内脏器官里。说起来就让人不舒服～纳米颗粒、纳米大小的尘埃就像是看不见的子弹，能够轻易地穿透人体防线进入血液，然后直达各个内脏器官和组织。2007年，英国政府委托英国皇家学会和英国皇家工程学院组成调查小组，调查纳米技术的安全性。2004年7月29日美国的《科学此刻》及2004年8月4日《自然》杂志分别介绍了该研究小组的，对纳米污染发出预警。报告指出，“游离的纳米颗粒和纳米管可能会穿透细胞，产生毒性”; 对于环境来说，“纳米科技可能是把双刃剑”。2009年3月份，《科学美国人》杂志(Scientific American)报导:美国科学家研究发现，化妆品的纳米物质不仅对人体有害，对生态环境也有严重的破坏作用。为了搞定随着好处而来的坏处，又要破费大笔的资金大量的人员去研究和预防“纳米污染”，在所难免，无法避免。大自然中早就存在所谓的纳米粒子了，它们不但没有给人类带来危害，还是这个大千世界中和谐存在的成员。为什么人工制作的纳米粒子，就不能像大自然那样创造的纳米粒子呢,因为人工纳米粒子，是根据现代科学的理论制作出来的。可是这个现代科学，却是有罩门的，这个罩门一直都敞开着。由它所创造的一切，都有着一个遗传的天然的罩门，这个罩门，反映到这个世界，就是各种各样的缺陷、危害。纳米污染环境已经得到证实，若是能解决这项问题，纳米科技对人类的生活将起到更巨大的影响。 具体来说，要将纳米技术应用到环境治理领域需要实现三个跨越:一是在材料方面，解决纳米材料安全与宏量制备成本问题;二是检测方面，通过发展微型纳米传感器件有可能实现治理与修复所需要的原位实时监测;三是应用方面，环境中的技术很多是基于物理、化学、生物等单一原理的单一技术，但是环境的特点是需要综合、系统的解决，如能将纳米技术与环境污染检测、治理和生态修复中其他学科相结合，就有可能发展出高效的综合治理技术。