1、21 世纪的纳米化学世界(下载)韩相恩 王九思1. 纳米概念的粗略描述纳米（nm）本身是个长度单位的译音，它代表十亿分之一米（即 10-9） ，顾名思义，是小尺寸世界。纳米技术是在 0.1 nm-100 nm 尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新高科技学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。纳米粉体表示一种物质的存在状态，是气、液、固三相之外的所谓第四相。它与固体之间的区别在于：当用手轻轻触及时，会表现出固体所不具备的流动性和变形。纳米级粉末是指粒径小于 0.1m 的材料粉体，又叫超微颗粒。现代超微细颗粒一般是指1m 以下的粉体物料。2.
2、 纳米材料的特异性能 化学矿物变化到纳米级以后，具有常规粗晶粒材料所不具备的奇异特性和反常现象。纳米颗粒比之传统颗粒不仅体积尺度上大大减少，而且它的某些物理、化学性质也发生了质的变化。纳米粉末比普通微米粉末的颗粒直径要小 100 倍-1000 倍，比表面积、表面原子数的比例、表面能和表面张力都随粒径的减小而急剧上升，表现出常规微粒所没有的小尺寸效应、表面效应和体积效应，并由此造成它在电、磁、光、热、化、敏感性等方面的异乎寻常的特异性能。诸如纳米级铜粉可失去导电性能，而纳米级硅粉却具有导电性能，纳米级钙粉更便于人体吸收；纳米级中药可提高疗效十几倍。1g 重的纳米金属表面积可达70m2，键态严重失
3、配，出现许多活性中心、表面产生非化学平衡、非整数配位的化合价，导致纳米体系的化学性质与化学平衡有了很大差别。如陶瓷纳米晶除高强度外，还由晶界扩散增强而导致塑性改善；纳米银在沸水中就可以溶化；纳米铁和空气中的氧就能激烈的反应燃烧起来。正是因为纳米材料的比表面和结构上的重要特征，其研究和开发在进些年来得到了迅速的发展。3. 研究开发及应用领域 3.1 纳米材料发展趋势 纳米材料是 80 年代末发展起来的新材料，被誉为跨世纪的新材料。10 年来，纳米材料的研究成为材料科学前沿的热点之一，并取得了显著进展，开发应用在发达国家已提上日程。美国自 1991 年就把纳米技术列入政府关键技术，日本从 1995
4、 年开始实施为期 10a 的纳米技术研究计划。据资料统计，进几年纳米技术的研究开发正处于快速发展时期，与纳米技术相关的文献量的年相对增长率为 33.4%，文献量翻一番的时间为 2a 左右，美国、日本、德国、中国和法国这 5 个国家在纳米技术研究和发展方面处于世界领先水平。3.2 部分纳米化学产品应用情况介绍 3.2.1 用于红外与紫外吸收 纳米级氧化物具有优异的紫外和红外吸收性能。近些年来，随着大气环境等的变化，地球的臭氧层正在急剧地受到破坏，甚至出现大空洞，使紫外线对人体的辐射强度大大提高，危及人体健康，此现象已引起世界各国高度关注。现采用纳米 ZnO、Al2O3 、TIO2 等材料作载体制
5、成的各种款式的衣物，可使紫外线对人体危害的辐射强度降低 90%以上。纳米复合粒子“红外布” 、 “磁性布”等，可加工成多功能穿用的系列产品，借磁场作用，可防治许多疾病，尤其可给老年人带来健康的福音，如对治疗腰酸背痛、头痛、神经衰弱、高血压等具有一定的疗效。由于此种布料能有效地吸收周围环境和生命体自身辐射的红外能量，持久地对人体发生作用，从而激活人体细胞，改善微循环，达到增强人体免疫力的目的。在军事上，纳米级 Al、Si、Ti、Fe 氧化物复合粉体在 4m-25m 中红外波段吸收强度达92%用于红外隐身涂层和纤维中，对士兵军服、飞机、坦克等能起到隐身作用。3.2.2 用于静电屏蔽防干扰 静电无处
6、不在，如果不使用纳米静电屏蔽材料，电器信号就会受到外部静电的严重干扰。为改善静电屏蔽涂料的性能，研究应用的纳米微粒有 Fe2O3、TiO2、ZnO 等，这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。人们熟知，由于静电效应，化纤衣服和地毯易吸灰尘，给使用者带来很多不安全感。在化纤制品中加入少量金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低。德国和日本在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒后还有除味杀菌作用。如把 Ag 纳米微粒加入到袜子里可以消除脚臭味；医用纱布中放入 Ag 纳米微粒也有消毒杀菌作用。3.2.3 用于助燃剂和阻燃剂在火箭发射的固体燃料推进剂中添
7、加约 1%超细 Al 或 Ni 微粒，每克燃料的燃烧热可增加1 倍；纳米铁粉也可作为固体燃料的助燃剂；超细硼粉高铬酸铵粉可作为炸药的有效助燃剂。纳米氧化锑可作为阻燃剂加入到易燃的建筑材料中，提高建材的防火性、它还可用于塑料、化纤、橡胶的阻燃剂，应用范围广。3.2.4 用于化学催化作载体纳米 Ni 的催化活性和选择性比雷尼镍反应速度可提高 10 倍15 倍。纳米 SnO2 应用于敏化 TNT，硝铵炸药及里索金火药等，具有较好的敏化作用，可提高燃爆速度。纳米 Sb2O3 用作涤纶聚酯缩聚催化剂时，可缩短反应时间，减少用量 20%30%；纳米Al2O3 是石油炼制及石油化工中的主要催化剂和载体。纳米
8、 C 光催化降解工业有机物废水处理技术有着极其重要作用。3.2.5 用于制作化学抛光液纳米 Cr2O3、Al2O3、SiO2 的悬浮液，已成功的用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光。美、英等国是将不同粒径的无机小颗粒加入基液制成抛光剂，广泛用于金相抛光、高级照像镜头抛光、高级晶体抛光。3.2.6 用于产品涂层涂层技术是当今世界关注的热点。纳米 SiO2 添加在油漆和涂料中，可进一步提高防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、防变色，还可起到阻燃、防火作用。纳米SiO2 可用作轿车闪光画漆。在标牌和广告指示牌表面施以纳米材料涂层，可利用其光学特性，成为发光、反光材料，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材、玻璃等产品表面涂以纳米材料涂层，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热作用。在硬度较高的耐磨涂层中添加纳米材料，比一般工具钢硬度可提高十几倍。目前，世界上已能制造出 90 多种纳米级多功能高新技术产品。纳米科学技术将把人类带入 21 世纪的化学世界。
