纳米科学技术与精细化工

纳米科学技术与精细化工

一、纳米科学技术

纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材科学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。有关科学家认为，纳米技术将有可能迅速改变物质产品生产方式，从而导致社会发生巨大变革。欧洲联盟委员会在2000年发表的一份研究报告预测，今后10年内，纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的第二大制造业。美国自1995年开始，把纳米技术列放了“政府关键技术”、“2005年战略技术”，每年为此拨款2000万美元作为重大研究经费开支。日本2000年开始实施为期10年耗资2．25亿美元的纳米技术研究开发计划，2005年又将其列为今后10年开发的四大基础科技项目之一。德国在2003年提出了今后10年重点发展的9个领域关键技术，其中4个领域涉及纳米技术。

我国对纳米材料的研究也非常重视。我国已将“纳米材料”列入国家“八五”期间重大基础研究“攀登计划”项目。许多科学研究所、高等院校也组织科研力量开始纳米技术研究工作，并取得了令人瞩目的成果。1996年底，舟山普陀升兴公司与中科院固体物理研究所合作，成功开发了纳米家族的重要一员棗纳米SiO₂，使我国成为继美、英、日、法国后，国际上第五个能批量生产此产品的国家。2002年9月27日，北京大学成立的纳米科技研究中心，是我国第一个跨学科的纳米科技联合研究机构，已取得多项高水平的研究成果，有些方面已达国际先进水平。其中，由该中心与北京真空物理开放实验室合作完成的利用STM在有机复合薄膜上进行的超高密度信息存储研究，得到了1．3纳米的信息点，比国际最小存储点仅小了近一个量级，该成果被两院院士评为2002年我国十大科技进展的第四名。

二、纳米粒子的奇特性质

纳米材料由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1纳米～100纳米间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。

1．表面效应。粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

2．量子尺寸效应。指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3．体积效应。指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。

4．宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些“反常现象”，如金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（箔黑）后，却成为活性极好的催化剂等。

三、纳米粒子的制备方法

纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。

1．物理方法。

（1）真空冷凝法。用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

（2）物理粉碎法。通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

（3）机械球磨法。采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

2．化学方法。

（1）气相沉积法。利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。

（2）沉淀法。把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

（3）水热合成法。高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。

（4）溶胶凝胶法。金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ—Ⅵ族化合物的制备。

（5）微乳液法。两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ—Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。

四、纳米科学技术在精细化工方面的应用

1．黏合剂和密封胶。纳米科学技术在精细化工方面的应用国外已将纳米材料棗纳米SiO₂作为添加剂加入到黏合剂和密封胶中，使黏合剂的黏结效果和密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在纳米SiO₂的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO₂形成网络结构掏胶体流动，固体速度加快，提高黏接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。

2．涂料。在各类涂料中添加纳米SiO₂可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米SiO₂是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。

3．橡胶。纳米A1₂O₃粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米SiO₂可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝缘橡胶的填料。添加纳米SiO₂的橡胶，弹性、耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。

4．塑料。纳米SiO₂对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。

5．纤维。以纳米SiO₂和纳米TiO₂经适当配比而成的复合粉体作为纤维的添加剂，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用SiO₂＋TiO₂＋A1₂O₃＋ZnO四合一粉体对人造纤维进行改性的研究正在进行中。

6．有机玻璃。在有机玻璃生产时加入表机经修饰的纳米SiO₂可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃中添加纳米A1₂O₃既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。

7．固体废弃物处理。在固体废物处理中可将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末以除去其中的异物，成为再生原料回收。在日本还将废橡胶轮胎制成粉末用于铺设运动场、道路、用作新干线的路基。

五、展望

纳米技术是近十年来蓬勃兴起的新科技，是一门崭新的、面向21世纪的科学技术，已渗透于精细化工的方方面面，逐步形成纳米精细化工学，可以预言，随着纳米科学技术的飞速发展，会有越来越多的新型纳米材料在精细化工方面得到广泛的应用，精细化工学也会发生巨大的变革。因此，作为广大从事精细化工的科研发开人员，必须抓住这一历史性机遇，迎接挑战，抢占新的制高点，为我国的精细化工再创辉煌而作出贡献。