時(shí)間：2023-03-17 17:57:44
導(dǎo)語(yǔ)：在納米材料論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
1982年，Boutonmt首先報(bào)道了應(yīng)用微乳液制備出了納米顆粒：用水合胼或者氫氣還原在W／O型微乳液水核中的貴金屬鹽，得到了單分散的Pt，Pd，Ru，Ir金屬顆粒（3～nm）。從此以后，不斷有文獻(xiàn)報(bào)道用微乳液合成各種納米粒子。本文從納米粒子制備的角度出發(fā)，論述了微乳反應(yīng)器的原理、形成與結(jié)構(gòu)，并對(duì)微乳液在納米材料制備領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況進(jìn)行了闡述。
1微乳反應(yīng)器原理
在微乳體系中，用來(lái)制備納米粒子的一般是W／O型體系，該體系一般由有機(jī)溶劑、水溶液。活性劑、助表面活性劑4個(gè)組分組成。常用的有機(jī)溶劑多為C6～C8直鏈烴或環(huán)烷烴；表面活性劑一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸鈉］。AOS、SDS（十二烷基硫酸鈉）、SDBS（十六烷基磺酸鈉）陰離子表面活性劑、CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）陽(yáng)離子表面活性劑、TritonX（聚氧乙烯醚類）非離子表面活性劑等；助表面活性劑一般為中等碳鏈C5～C8的脂肪酸。
W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反應(yīng)器（Microreactor）或稱為納米反應(yīng)器，反應(yīng)器的水核半徑與體系中水和表面活性劑的濃度及種類有直接關(guān)系，若令W＝［H2O／［表面活性劑］，則由微乳法制備的納米粒子的尺寸將會(huì)受到W的影響。利用微膠束反應(yīng)器制備納米粒子時(shí)，粒子形成一般有三種情況（可見(jiàn)圖1、2、3所示）。
（l）將2個(gè)分別增溶有反應(yīng)物A、B的微乳液混合，此時(shí)由于膠團(tuán)顆粒間的碰撞，發(fā)生了水核內(nèi)物質(zhì)的相互交換或物質(zhì)傳遞，引起核內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。由于水核半徑是固定的，不同水核內(nèi)的晶核或粒子之間的物質(zhì)交換不能實(shí)現(xiàn)，所以水核內(nèi)粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸銀和氯化鈉反應(yīng)制備氯化鈉納粒。
（2）一種反應(yīng)物在增溶的水核內(nèi)，另一種以水溶液形式（例如水含肼和硼氫化鈉水溶液）與前者混合。水相內(nèi)反應(yīng)物穿過(guò)微乳液界面膜進(jìn)入水核內(nèi)與另一反應(yīng)物作用產(chǎn)生晶核并生長(zhǎng)，產(chǎn)物粒子的最終粒徑是由水核尺寸決定的。例如，鐵，鎳，鋅納米粒子的制備就是采用此種體系。
（3）一種反應(yīng)物在增溶的水核內(nèi)，另一種為氣體（如O2、NH3，CO2），將氣體通入液相中，充分混合使兩者發(fā)生反應(yīng)而制備納米顆粒，例如，Matson等用超臨界流體一反膠團(tuán)方法在AOT一丙烷一H2O體系中制備用Al（OH）3膠體粒子時(shí)，采用快速注入干燥氨氣方法得到球形均分散的超細(xì)Al（OH）3粒子，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)選用相應(yīng)的模式。
2微乳反應(yīng)器的形成及結(jié)構(gòu)
和普通乳狀液相比，盡管在分散類型方面微乳液和普通乳狀液有相似之處，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作為納米粒子制備的反應(yīng)器。但是微乳液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的體系，它的形成是自發(fā)的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技術(shù)要求不高，并且液滴粒度可控，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單且操作容易，所以微乳反應(yīng)器作為一種新的超細(xì)顆粒的制備方法得到更多的研究和應(yīng)用。
2．1微乳液的形成機(jī)理
Schulman和Prince等提出瞬時(shí)負(fù)界面張力形成機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為：油/水界面張力在表面活性劑存在下將大大降低，一般為l～10mN／m，但這只能形成普通乳狀液。要想形成微乳液必須加入助表面活性劑，由于產(chǎn)生混合吸附，油/水界面張力迅速降低達(dá)10-3～10-5mN／m，甚至瞬時(shí)負(fù)界面張力Y＜0。但是負(fù)界面張力是不存在的，所以體系將自發(fā)擴(kuò)張界面，表面活性劑和助表面活性劑吸附在油/水界面上，直至界面張力恢復(fù)為零或微小的正值，這種瞬時(shí)產(chǎn)生的負(fù)界面張力使體系形成了微乳液。若是發(fā)生微乳液滴的聚結(jié)，那么總的界面面積將會(huì)縮小，復(fù)又產(chǎn)生瞬時(shí)界面張力，從而對(duì)抗微乳液滴的聚結(jié)。對(duì)于多組分來(lái)講，體系的Gibbs公式可表示為：
--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi
（式中γ為油/水界面張力，Гi為i組分在界面的吸附量，ui為I組分的化學(xué)位，Ci為i組分在體相中的濃度）
上式表明，如果向體系中加入一種能吸附于界面的組分（Г＞0），一般中等碳鏈的醇具有這一性質(zhì)，那么體系中液滴的表面張力進(jìn)一步下降，甚至出現(xiàn)負(fù)界面張力現(xiàn)象，從而得到穩(wěn)定的微乳液。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)一些雙鏈離子型表面活性劑如AOT和非離子表面活性劑則例外，它們?cè)跓o(wú)需加入助表面活性劑的情況下也能形成穩(wěn)定的微乳體系，這和它們的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。2．2微乳液的結(jié)構(gòu)
RObbins，MitChell和Ninham從雙親物聚集體的分子的幾何排列角度考慮，提出了界面膜中排列的幾何排列理論模型，成功地解釋了界面膜的優(yōu)先彎曲和微乳液的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
目前，有關(guān)微乳體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究方法獲得了較大的發(fā)展，較早采用的有光散射、雙折射、電導(dǎo)法、沉降法、離心沉降和粘度測(cè)量法等；較新的有小角中子散射和X射線散射、電子顯微鏡法。正電子湮滅、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熒光探針?lè)āMR、ESR（電子自旅共振）、超聲吸附和電子雙折射等。
3微乳反應(yīng)器的應(yīng)用——納米顆粒材料的制備
3．1納米催化材料的制備
利用W／O型微乳體系可以制備多相反應(yīng)催化劑，Kishida。等報(bào)道了用該方法制備
Rh／SiO2和Rh/ZrO2載體催化劑的新方法。采用NP－5/環(huán)已烷／氯化銠微乳體系，非離子表面活性劑NP－5的濃度為0.5mol/L，氯化銠在溶液中濃度為0．37mol／L，水相體積分?jǐn)?shù)為0．11。25℃時(shí)向體系中加入還原劑水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇鋯的環(huán)乙烷溶液，強(qiáng)烈攪拌加熱到40℃而生成淡黃色沉淀，離心分離和乙醇洗滌，80℃干燥并在500℃的灼燒3h，450℃下用氧氣還原2h，催化劑命名為“ME”。通過(guò)性能檢測(cè)，該催化劑活性遠(yuǎn)比采用浸漬法制得的高。
3．2無(wú)機(jī)化合物納粒的制備
利用W／O型微乳體系也可以制備無(wú)機(jī)化合物，鹵化銀在照像底片乳膠中應(yīng)用非常重要，尤其是納米級(jí)鹵化銀粒子。用水一AOT一烷烴微乳體系合成了AgCl和AgBr納米粒子，AOT濃度為0．15mol／L，第一個(gè)微乳體系中硝酸銀為0．4mol／L，第二個(gè)微乳體系中NaCl或NaBr為0．4mol／L，混合兩微乳液并攪拌，反應(yīng)生成AgCl或AgBr納米顆粒。
又以制備CaCO3為例，微乳體系中含Ca(OH)2，向體系中通入CO2氣體，CO2溶入微乳液并擴(kuò)散，膠束中發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3顆粒，產(chǎn)物粒徑為80～100nm。
3．3聚合物納粒的制備
利用W／O型微乳體系可以制備有機(jī)聚丙烯酸胺納粒。在20mlAOTt——正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亞甲基雙丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入過(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下聚合，所得產(chǎn)物單分散性較好。
3．4金屬單質(zhì)和合金的制備
利用W／O型微乳體系可以制備金屬單質(zhì)和合金，例如在AOT－H2O－n—heptane體系中，一種反相微膠束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微膠束中含有0.2mol/LNaBH4，混合攪拌，產(chǎn)物經(jīng)分離、干燥并在300℃惰性氣體保護(hù)下結(jié)晶可得鎳納米顆粒。在某微乳體系中含有0．0564mol/L，F(xiàn)eC12和0．2mol／LNiCl2，另一體系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合兩微乳體系進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)庚烷、丙酮洗滌，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。
3．5磁性氧化物顆粒的制備
利用W／O型微乳體系可以制備氧化物納米粒子，例如在AOT－H2O－n－h(huán)eptane體系中，一種乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一體系中含有NH4OH，混合兩種微乳液充分反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)離心，用庚烷、丙酮洗滌并干燥，可以得到Fe3O4納粒（r=4nm）。
3．6高溫超導(dǎo)體的制備
利用W／O型微乳體系可以合成超導(dǎo)體，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳體系中，一個(gè)含有機(jī)釔、鋇和銅的硝酸鹽的水溶液，三者之比為1：2：3；另一個(gè)含有草酸銨溶液作為水相，混合兩微乳液，產(chǎn)物經(jīng)分離，洗滌，干燥并在820℃灼燒2h，可以得到Y(jié)－Ba－Cu—O超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體的Tc為93K。另外在陰離子表面活性劑IgegalCO－430微乳體系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的鹽及草酸鹽溶液，最終可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu—O超導(dǎo)體，經(jīng)DC磁化率測(cè)定，可知超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度為Tc＝112K，和其它方法制備的超導(dǎo)體相比，它們顯示了更為優(yōu)越的性能。
磁性納米材料的生物學(xué)修飾是利用磁性納米材料分離富集致病菌的前提，將生物親和分子修飾到磁性納米材料的表面，賦予其捕獲目標(biāo)菌的能力，間接地“磁化”細(xì)菌細(xì)胞（磁細(xì)菌），使磁細(xì)菌在外界磁場(chǎng)作用下能夠從樣品液中分離。另外，經(jīng)修飾后的磁性納米材料可以獲得比單體生物分子更高的結(jié)合能力。例如，由于多個(gè)抗體分子可被修飾于磁性納米粒子上，磁性納米粒子經(jīng)抗體修飾后，與目標(biāo)菌的結(jié)合能力是單獨(dú)抗體的8倍；同理，經(jīng)甘露糖修飾后，與目標(biāo)菌的結(jié)合能力比單體甘露糖強(qiáng)200倍。磁性納米材料生物學(xué)修飾的方法有很多，大體分為直接修飾和間接修飾兩種。直接修飾又分為物理吸附和共價(jià)偶聯(lián)。物理吸附是指蛋白質(zhì)等生物親和分子和納米材料間的疏水作用和靜電作用；共價(jià)偶聯(lián)是指先在納米材料的表面修飾硫化物、胺或者羧基，通過(guò)這些基團(tuán)與生物親和分子形成共價(jià)鍵從而實(shí)現(xiàn)納米材料生物學(xué)修飾。間接修飾則需要利用一對(duì)具有強(qiáng)親和力的分子，比如生物素-親和素。先用親和素包被納米材料，再將要修飾的生物親和分子標(biāo)記生物素，通過(guò)生物素和親和素的結(jié)合間接達(dá)到修飾磁性納米材料的目的。
2磁性納米材料捕獲致病菌的方式及其應(yīng)用
磁性納米材料通過(guò)生物學(xué)修飾，獲得可以捕獲食源性致病菌的能力，再利用外界磁場(chǎng)從而達(dá)到分離菌體目的。表2總結(jié)了近幾年磁性納米材料在分離不同食品基質(zhì)中食源性致病菌的研究。磁性納米材料表面使用的修飾物不同，捕獲食源性致病菌的方式也不同。
2.1抗原-抗體
基于抗原抗體之間的特異性反應(yīng)實(shí)現(xiàn)食源性致病菌捕獲是最常用的方式，已被廣泛應(yīng)用于各種食源性致病菌的分離富集。食源性致病菌相應(yīng)的抗體也是磁性納米材料最常用的修飾物。將磁性納米材料的表面包被相應(yīng)抗體，利用抗體和細(xì)菌表面相應(yīng)抗原間的特異性結(jié)合，將食源性致病菌和磁性納米粒子連接，致病菌被“磁化”后，在外界磁場(chǎng)的作用下將目標(biāo)菌從成份復(fù)雜的樣品液中分離出來(lái)，便于后續(xù)檢測(cè)。Varshney等通過(guò)生物素-鏈霉親和素將抗大腸桿菌抗體包被到磁性納米粒子的表面，用于捕獲牛肉樣本中大腸桿菌O157∶H7，捕獲效率達(dá)94.5%。Yang等用相應(yīng)抗體修飾氧化鐵納米粒子，結(jié)合實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，檢測(cè)牛奶樣品中的單增李斯特菌，檢測(cè)限達(dá)452CFU/mL。Ravindranath等分別制備了包被有抗大腸桿菌抗體和抗沙門氏菌抗體的功能化磁性納米粒子，用于分離雞尾酒和菠菜牛奶提取液中相應(yīng)的食源性致病菌，結(jié)合紅外光譜分析，檢測(cè)限達(dá)104～105CFU/mL。Cheng等使用抗大腸桿菌O157∶H7抗體包被的磁性納米粒子分離牛奶中的大腸桿菌O157∶H7，結(jié)合三磷酸腺苷生物發(fā)光分析，檢測(cè)限達(dá)20CFU/mL。Wang等制備了兩種特異性抗體共修飾的磁性氧化鐵納米粒子用于同時(shí)分離菠菜中的沙門氏菌和金黃色葡萄球菌，結(jié)合表面增強(qiáng)拉曼散射分析，檢測(cè)限達(dá)103CFU/mL。
2.2黏附素（凝集素）-受體（糖類）
很多細(xì)菌會(huì)在其表面表達(dá)黏附素，它們能與宿主細(xì)胞表面相應(yīng)受體結(jié)合，從而使細(xì)菌黏附在宿主細(xì)胞上。致病菌黏附宿主上皮細(xì)胞的機(jī)制與多種糖類有關(guān)。例如，大腸桿菌的表面可以表達(dá)產(chǎn)生多種黏附素，它們可以黏附宿主上皮細(xì)胞上的半乳糖、葡萄糖、果糖、巖藻糖、甘露糖和蔗糖等。利用黏附素與受體結(jié)合的性質(zhì)，經(jīng)凝集素或糖類修飾的磁性納米粒子可特異性地結(jié)合相應(yīng)的食源性致病菌。EI-Boubbou等用D-甘露糖修飾的磁性納米粒子分離大腸桿菌，分離效率達(dá)88%以上。作者再結(jié)合X射線衍射、透射電鏡、熱重和紅外光譜分析，在5min內(nèi)即可完成檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)104個(gè)菌體/mL。Payne等用凝集素修飾的BioMag®粒子分離食品基質(zhì)中的致病菌，結(jié)果顯示，單增李斯特菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌最低分離起始濃度分別為大于等于10CFU/10g（卡蒙貝爾奶酪）、1CFU/10g（燉牛排）和小于10CFU/10g（生牛肉）。WangYixian等制備了基于凝集素的生物傳感器，用于分離檢測(cè)食品樣品中的大腸桿菌O157∶H7，檢測(cè)限達(dá)3×103CFU/mL。
2.3抗生素（萬(wàn)古霉素）
萬(wàn)古霉素是一種糖肽類抗生素，它可以與許多種革蘭氏陽(yáng)性菌形成緊密的連接，其機(jī)制是通過(guò)細(xì)胞壁上的端肽D-Ala-D-Ala的氫鍵與萬(wàn)古霉素聯(lián)接。一般認(rèn)為，由于革蘭氏陰性菌外膜的存在，萬(wàn)古霉素不能接觸到D-Ala-D-Ala端肽，因而不能識(shí)別革蘭氏陰性菌。據(jù)報(bào)道，經(jīng)萬(wàn)古霉素修飾過(guò)的磁性納米粒子同樣可以捕獲革蘭氏陰性菌，并由透射電子顯微鏡的照片猜想萬(wàn)古霉素與革蘭氏陰性菌連接的機(jī)制為細(xì)菌外膜上存在缺陷區(qū)域，使部分D-Ala-D-Ala端肽暴露給萬(wàn)古霉素。Kell等隨后驗(yàn)證了這一猜想。Gu等在FePt磁性納米粒子表面修飾萬(wàn)古霉素（FePt-Van），從大腸桿菌菌液中分離出菌體后再用透射電鏡觀察，檢測(cè)限達(dá)15CFU/mL。Kell等制備了萬(wàn)古霉素修飾的磁性納米粒子用于同時(shí)分離水樣中革蘭氏陽(yáng)性菌及革蘭氏陰性菌，結(jié)果顯示，不同的致病菌間捕獲效率相差很大（7%～88%）。Wan等使用萬(wàn)古霉素修飾的磁性納米粒子分離磷酸鹽緩沖液中添加的海洋型硫還原型細(xì)菌（如，脫硫腸狀菌屬），結(jié)合生物傳感器，檢測(cè)限達(dá)1.8×104CFU/mL。Choi等在磁性氧化鐵納米粒子表面修飾萬(wàn)古霉素，并用其對(duì)臨床樣本中的細(xì)菌進(jìn)行分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，革蘭氏陽(yáng)性菌的捕獲效率為（84.84±1.70）%，而革蘭氏陰性菌的捕獲效率為（48.48±1.79）%。Chen等用表面修飾有慶大霉素的磁性納米粒子用于分離磷酸鹽緩沖液中添加的金黃色葡萄球菌，最低分離的細(xì)菌濃度為0.5×103CFU/mL。
2.4DNA互補(bǔ)序列
任何細(xì)菌都有其特異性的基因片段，該基因片段的互補(bǔ)寡核苷酸片段可以識(shí)別樣品中的該種細(xì)菌。將寡核苷酸片段修飾后的磁性納米材料用于選擇性的分離目標(biāo)DNA或RNA，再結(jié)合PCR鑒定，不僅省去樣品的預(yù)處理，靈敏度也比普通PCR提高近10倍。Amagliani等用與李斯特菌素O基因序列（hlyA）互補(bǔ)的寡核苷酸鏈修飾磁性氧化鐵納米粒子分離牛奶樣品中的單增李斯特菌的DNA，結(jié)合PCR分析，檢測(cè)限達(dá)10CFU/mL。筆者在2010年制備了分別針對(duì)單增李斯特菌和沙門氏菌的寡核苷酸修飾的磁性氧化鐵納米粒子用于分離魚(yú)中單增李斯特菌和沙門氏菌的DNA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單增李斯特菌和沙門氏菌的捕獲效率分別為（62.5±10.0）%和（70.6±7.0）%。結(jié)合多重PCR分析，檢測(cè)限達(dá)1CFU/g。XuHongxia等研究了不同食源性致病菌寡核苷酸修飾的磁性納米粒子在致病菌分離中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該磁性納米粒子可以快速富集相應(yīng)致病菌（如，大腸桿菌O157、沙門氏菌等）。筆者進(jìn)一步研究了同時(shí)使用食源性致病菌多個(gè)基因的互補(bǔ)寡核苷酸修飾的磁性納米粒子分離相應(yīng)致病菌，結(jié)合傳感器檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)6×102CFU/mL。
2.5螯合反應(yīng)
脂多糖是革蘭氏陰性菌外膜的重要組分，其中類脂A有大量的磷酸基團(tuán)，用金屬氧化物（氧化鈦、氧化鋯或氧化鋁）包被磁性納米粒子，通過(guò)金屬氧化物與磷酸基團(tuán)間的螯合反應(yīng)，可與待測(cè)樣品中革蘭氏陰性菌形成復(fù)合物，在外界磁場(chǎng)的作用下可將食源性致病菌從成分復(fù)雜的待測(cè)液中非選擇性分離出來(lái)，消除樣品基質(zhì)的干擾。Chen等在磁性氧化鐵納米粒子的表面包被二氧化鈦，利用脂多糖和金屬氧化物的螯合作用捕獲尿樣中的大腸桿菌、志賀氏菌和假單胞菌，磁分離富集菌體后經(jīng)胰蛋白酶水解，再次磁分離除去磁性納米粒子，最后用基質(zhì)輔助激光解吸-電離質(zhì)譜法鑒定蛋白序列，根據(jù)蛋白庫(kù)中的信息確定細(xì)菌的種類。該方法是一種快速（耗時(shí)15min）、特異性強(qiáng)（可區(qū)分兩株不同的大腸桿菌）、靈敏（檢測(cè)限達(dá)104個(gè)細(xì)胞/mL）的分離檢測(cè)方法。2010年，筆者使用表面修飾有二氧化鈦的磁性氧化鐵納米粒子分離細(xì)菌混合液中的目標(biāo)致病菌，隨后分離到的致病菌在紫外燈照射下結(jié)合二氧化鈦的滅菌作用，15min內(nèi)可以抑制99.9%以上的目標(biāo)菌的生長(zhǎng)。
3結(jié)語(yǔ)
納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)對(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái)，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。
1.在催化方面的應(yīng)用
催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。
納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。
光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無(wú)機(jī)離子氧化還原，有機(jī)物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機(jī)污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對(duì)光穩(wěn)定，無(wú)毒，便宜易得，是制備負(fù)載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報(bào)道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負(fù)載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對(duì)某些有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來(lái)催化科學(xué)不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來(lái)革命性的變革。
2.在涂料方面的應(yīng)用
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層，導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學(xué)涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過(guò)復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命，也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。
3.在其它精細(xì)化工方面的應(yīng)用
精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)福音，并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國(guó)外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機(jī)玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機(jī)玻璃中加入經(jīng)過(guò)表面修飾處理的SiO2，可使有機(jī)玻璃抗紫外線輻射而達(dá)到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會(huì)提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細(xì)膩，無(wú)毒無(wú)臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細(xì)TiO2的應(yīng)用還可擴(kuò)展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開(kāi)發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)光中的紫外線，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物，具有除凈度高，無(wú)二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，除了利用納米材料作為催化劑來(lái)處理工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能對(duì)這些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。
4.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用
21世紀(jì)的健康科學(xué)，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對(duì)藥物的需求越來(lái)越高?？刂扑幬镝尫拧p少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來(lái)。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測(cè)少量血液就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國(guó)麻省理工學(xué)院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過(guò)磁場(chǎng)導(dǎo)航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動(dòng)，因此可以用來(lái)檢查和治療身體各部位的病變。對(duì)納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應(yīng)用也進(jìn)行了大量的研究工作。據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道，我國(guó)將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功。南京?？萍瘓F(tuán)利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長(zhǎng)效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過(guò)納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級(jí)的超細(xì)小微粒，然后使之
附著在棉織物上。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過(guò)納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對(duì)臨床常見(jiàn)的外科感染細(xì)菌都有較好的抑制作用。
微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無(wú)毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。
納米生物學(xué)用來(lái)研究在納米尺度上的生物過(guò)程，從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細(xì)顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息，從而了解機(jī)體狀態(tài)，深化人們對(duì)生理及病理的解釋。
【關(guān)鍵詞】納米材料教學(xué)方法教學(xué)改革
【中圖分類號(hào)】TB383.1-4；G642【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2095-3089（2018）11-0241-01
前言
納米材料與納米技術(shù)是21世紀(jì)最令人矚目的前沿科技研究熱點(diǎn)之一，納米科技的蓬勃發(fā)展對(duì)眾多研究領(lǐng)域，乃至人類社會(huì)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響，納米材料的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為世界許多國(guó)家相繼研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。《納米材料》是高等院校一門重要的新設(shè)課程，具有前瞻性、創(chuàng)新性、專業(yè)性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)?！都{米材料》及其相關(guān)的課程也是許多高等學(xué)校材料學(xué)化學(xué)專業(yè)的本科生或研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，本課程的開(kāi)展有助于讓學(xué)生了解納米材料與納米科技的發(fā)展方向，提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展納米科學(xué)前沿課題研究，培養(yǎng)潛在的科研人才，同時(shí)，對(duì)《納米材料》的教學(xué)也提出了較高的要求，因此需要認(rèn)真思考和研究。
1.教學(xué)內(nèi)容改革與優(yōu)化
目前的教材多是圍繞著納米材料的基本概念和基本特性、表征方法、制備技術(shù)、納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況以及功能納米材料等內(nèi)容編寫，而其中的內(nèi)容很多都已過(guò)時(shí)，比如在碳納米材料這一部分內(nèi)容時(shí)，十前年的主要內(nèi)容是針對(duì)富勒烯和碳納米管的講解，而今天，該部分的內(nèi)容可更多的偏向于目前研究較為熱門的層狀石墨烯材料。此外，材料表征方面的內(nèi)容在本課程中占有相當(dāng)大的篇幅，直接講解納米材料的表征特性使學(xué)生不能深入的理解，教學(xué)內(nèi)容上有必要加入適當(dāng)課時(shí)講解較常用的表征手段的原理和分析方法，如X-射線衍射，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，紅外，拉曼等的分析手段。
2.教學(xué)手段改革
納米材料涉及的課程范圍較寬，有些章節(jié)較為抽象，學(xué)生首次接觸常會(huì)遇到知識(shí)過(guò)于抽象不便于理解的問(wèn)題，因此傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不再適應(yīng)當(dāng)前培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需要，針對(duì)這樣的問(wèn)題，應(yīng)利用多媒體數(shù)字化資源如動(dòng)畫(huà)來(lái)輔助教學(xué)，利用當(dāng)前各種模擬軟件如3DSMAX或PHOTOSHOP將抽象的納米材料的制備及生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行直觀展示模擬，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，先進(jìn)的儀器設(shè)備是科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，本學(xué)院擁有高分辨透射電子顯微鏡、熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線單晶衍射儀、電化學(xué)工作站等設(shè)備，需借助這些良好的教學(xué)科研基礎(chǔ)條件，引導(dǎo)學(xué)生參與科研活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)，為今后繼續(xù)深造和走向工作崗位打下基礎(chǔ)。
3.教學(xué)模式改革
在教學(xué)實(shí)踐中，采取“分組教學(xué)”模式，即學(xué)生以10-15人為一小組，在既定大課題方向內(nèi)，由學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)資料，選定具體研究題目，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并與導(dǎo)師探討方案的可行性。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成一種納米材料的合成制備，對(duì)性能測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，并完整獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種方式將加強(qiáng)學(xué)生從理論上學(xué)習(xí)和理解并能拓展到實(shí)際的應(yīng)用中。這種綜合性、多樣化的教學(xué)模式不僅能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論課程的理解的重視，并能極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、分析解決問(wèn)題的能力及團(tuán)隊(duì)精神。
4.考核方式的改革
納米材料課程的專業(yè)性和前瞻性都很強(qiáng)，常規(guī)的考核方式達(dá)不到反應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和掌握程度的效果，相反地，概念性的知識(shí)點(diǎn)較多，一味的要求學(xué)生通過(guò)記憶背誦的方式來(lái)達(dá)到考試要求，一方面增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，另一方面學(xué)生也難以深刻理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。卷面考試雖有必要，此外應(yīng)加入撰寫論文的考核方式。該種方式能夠督促大三學(xué)生對(duì)上學(xué)期所學(xué)的文獻(xiàn)檢索課程的掌握利用，還能在查閱文獻(xiàn)完成論文的同時(shí)，豐富與納米材料課程相關(guān)的前沿知識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生論文寫作的思路和方法，對(duì)大四的畢業(yè)論文的規(guī)范寫作提前得到了鍛煉，為今后的科研工作打下基礎(chǔ)。
結(jié)語(yǔ)
納米材料涉及范圍廣，發(fā)展日新月異，通過(guò)開(kāi)展教學(xué)與實(shí)踐及科研相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)精神。在以后的教學(xué)實(shí)踐中將進(jìn)一步加強(qiáng)改革創(chuàng)新，為學(xué)生的全面發(fā)展和綜合素質(zhì)的提高不懈努力。
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目前，國(guó)際醫(yī)學(xué)行業(yè)面臨新的決策，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。納米生物醫(yī)學(xué)就是從動(dòng)植物中提取必要的物質(zhì)，然后在納米尺度組合，最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國(guó)中醫(yī)的想法，隨著健康科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)藥物的要求越來(lái)越高。控制藥物釋放減少副作用，提高藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技術(shù)。納米粒子可使藥物在人體內(nèi)方便傳輸。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織，尤其是以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱為"定向?qū)?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過(guò)磁場(chǎng)導(dǎo)航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動(dòng)，因此可以用檢查和治療身體各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，避免身體健康部位受損，可以大大減小藥物的毒副作用，因而深受人們的歡迎。
2在涂料方面的應(yīng)用；
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，再給涂料中添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能，如；有超硬、耐磨，抗氧化、耐熱、阻燃、耐腐蝕、變色等。在涂料中加入納米材料，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保結(jié)作用。
在建材產(chǎn)品如玻璃中加入適宜的納米材料，可達(dá)到減少光的透射和熱估遞效果，產(chǎn)生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的顏色不同，這樣可以通過(guò)復(fù)合控制涂料的顏色，克服碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅限粒徑而變，而具有隨角度變色的效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米Tio2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面色彩多樣化。
3在化工方面的應(yīng)用；
化工業(yè)影響到人類生活的方方面面，如果在化工業(yè)中采用納米技術(shù)，將更顯示出獨(dú)特畦力。在橡膠塑料等化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Sio2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。最近又開(kāi)發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)光中的紫外線，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無(wú)二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。4其他生活方面的應(yīng)用：
納米技術(shù)正在悄悄地滲透到老百姓衣、食、住、行各個(gè)領(lǐng)域?；w布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦容易產(chǎn)生靜電，因而在生產(chǎn)時(shí)加入少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現(xiàn)象。不久前，關(guān)于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應(yīng)用了納米技術(shù)。納米材料可使衣物防靜電、變色、貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機(jī)等一些電器時(shí)間長(zhǎng)了容易產(chǎn)生細(xì)菌，而采用了納米材料，新設(shè)計(jì)的冰箱、洗衣機(jī)既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線對(duì)人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線對(duì)人體有害的部分，市場(chǎng)上的許多化妝品正是因?yàn)榧尤肓思{米微粒而具備了防紫外線的功能。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時(shí)間不長(zhǎng)墻壁就會(huì)變的班駁陸離，納米技術(shù)應(yīng)用之后，涂料的技術(shù)指標(biāo)大大提高，外墻涂料的耐洗刷性提高很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱為黑色家電，這是因?yàn)榧译娡獗聿牧现斜仨毤尤胩己谶M(jìn)行靜電屏蔽。如今可以通過(guò)控制納米微粒的種類，進(jìn)而可控制涂料的顏色，使黑色家電變成彩色家電。
總之，在未來(lái)生活中，納米技術(shù)將帶給我們無(wú)限的舒心與時(shí)尚，使人類的生存的條件更加優(yōu)越。
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論文關(guān)鍵詞：納米尺寸；性能
關(guān)鍵詞: 納米材料化學(xué)雙語(yǔ)探索與實(shí)踐
2001年8月,教育部印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》,明確提出了關(guān)于加強(qiáng)“雙語(yǔ)教學(xué)”的要求;2004年8月,教育部又頒布了《普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評(píng)估方案》,明確地將雙語(yǔ)授課課程比例列入高校工作水平的考核指標(biāo)。開(kāi)展雙語(yǔ)課教學(xué),可以培養(yǎng)并激發(fā)學(xué)生對(duì)英語(yǔ)的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力,改變學(xué)生學(xué)習(xí)外語(yǔ)而不能應(yīng)用外語(yǔ)的弊端[1],是加快復(fù)合型國(guó)際化人才培養(yǎng)的重要舉措。
鑒于此,我校在本科生教學(xué)中開(kāi)展了多門專業(yè)課程的雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐,“納米材料化學(xué)”選修課是貫徹教育部相關(guān)文件精神的積極嘗試。
1.教學(xué)前的準(zhǔn)備
(1)雙語(yǔ)教材的選擇問(wèn)題
納米材料的研究是目前材料科學(xué)最活躍的學(xué)術(shù)領(lǐng)域之一,其研究成果日新月異。為了拓寬學(xué)生專業(yè)知識(shí)面和培養(yǎng)學(xué)生科研思維,教材內(nèi)容應(yīng)有足夠的知識(shí)寬廣性和學(xué)術(shù)新穎性,因此我們選擇了Nanomaterials Chemistry:Recent Development and New DirectionsI[2](Wiley,2007)。這是一本全英文教材,它取材于近年來(lái)在各類國(guó)際知名期刊發(fā)表的科研論文,涵蓋了納米材料化學(xué)領(lǐng)域最新最前沿的研究成果?？紤]到學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)基礎(chǔ)較為薄弱,為了幫助他們克服畏懼情緒、樹(shù)立學(xué)習(xí)英文教材的信心,根據(jù)英文原版教材的章節(jié)內(nèi)容,我們推薦了一些中文參考書(shū),如《納米材料化學(xué)》(汪信,化學(xué)工業(yè)出版社,2006)、《表面活性劑與納米技術(shù)》(李玲,化學(xué)工業(yè)出版社,2004)、《納米材料的制備與應(yīng)用技術(shù)》(李群,化學(xué)工業(yè)出版社,2008)和《納米材料理化特性與應(yīng)用》(倪星元,化學(xué)工業(yè)出版社,2006)等。
(2)教學(xué)內(nèi)容的安排
鑒于“納米材料化學(xué)”定位為選修課,課時(shí)量少,不可能在該領(lǐng)域各個(gè)分支上進(jìn)行深入探討,教學(xué)內(nèi)容必須有所取舍、有所側(cè)重。在教學(xué)過(guò)程中,我們重點(diǎn)介紹了該書(shū)前四章,內(nèi)容包括納米材料科學(xué)概述、各種類型的納米材料的通用化學(xué)制備方法、納米材料的物理化學(xué)特性和納米材料的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域等;而對(duì)該書(shū)的后續(xù)章節(jié)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚?將Peptide Nanomaterials和Dendrimers And Their Use As Nanoscale Sensors兩章揉合到納米材料制備、組裝甚至表面改性中,將Surface Plasmon Resonances in Nanostructured Materials一章中重點(diǎn)內(nèi)容穿納米材料獨(dú)特的光學(xué)特性一節(jié)中,而將Applications Of Nanostructured Hybrid Materials For Supercapacitors歸并到了納米材料的電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域一節(jié)中,剩下的章節(jié)專業(yè)性較強(qiáng)、難度較大,可以作為學(xué)有余力的學(xué)生的課外科技讀物。
(3)備課指導(dǎo)思想
我們立足于英文原版教材,輔以中文參考書(shū),按照中文教材的風(fēng)格和我們慣用的思維方式對(duì)雙語(yǔ)課教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了二次梳理和組織?！凹{米材料化學(xué)”雙語(yǔ)課的課程性質(zhì)是材料類的專業(yè)選修課而不是英語(yǔ)輔導(dǎo)課,具有其本身的專業(yè)性和知識(shí)的系統(tǒng)性[3],我們不能僅僅考慮術(shù)語(yǔ)的英文表達(dá)和語(yǔ)法結(jié)構(gòu),而應(yīng)著重考慮教學(xué)內(nèi)容的組織、學(xué)科知識(shí)和研究方法的傳授,以及學(xué)生專業(yè)知識(shí)體系的拓展。
總之,雙語(yǔ)教學(xué)的目的就是培養(yǎng)學(xué)生善于利用英語(yǔ)作為獲取納米材料化學(xué)專業(yè)知識(shí)的工具。
2.課程的教學(xué)實(shí)施
(1)開(kāi)課時(shí)間的選擇
從專業(yè)知識(shí)的角度來(lái)講,材料科學(xué)導(dǎo)論、有機(jī)化學(xué)、材料物理性能和材料測(cè)試技術(shù)等學(xué)科知識(shí)是研究納米材料化學(xué)的基礎(chǔ),從而上述課程是納米材料化學(xué)的先修課程。另外,為了保證教學(xué)效果,學(xué)生必須具備一定的英語(yǔ)詞匯量和英文聽(tīng)說(shuō)能力。我們選擇在大四上學(xué)期開(kāi)設(shè)這門選修課。此時(shí)學(xué)生經(jīng)過(guò)前三年的專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí),基本構(gòu)建起了專業(yè)知識(shí)體系,積累了足夠的英語(yǔ)詞匯,也達(dá)到了一定的英語(yǔ)綜合水平,這時(shí)候開(kāi)展雙語(yǔ)教學(xué)容易收到良好的效果。
(2)教學(xué)手段的運(yùn)用
納米材料體系具有各異的形態(tài)和絢爛的色彩,而多媒體教學(xué)平臺(tái)能以圖片、視頻甚至是音頻來(lái)靈活直觀地展示這個(gè)令人嘆為觀止的神秘世界。雙語(yǔ)課多媒體課件制作的難點(diǎn)在于如何掌握好課件中英文語(yǔ)言的比例。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),若采用全英文課件,學(xué)生因?qū)I(yè)英語(yǔ)詞匯基礎(chǔ)較為薄弱,很難正確理解授課內(nèi)容,容易產(chǎn)生畏懼心理。若始終采用中英文對(duì)照課件,課件將顯得累贅臃腫,而且中英文的交替出現(xiàn)易使學(xué)生疲于在中英文句子中尋找對(duì)應(yīng)詞語(yǔ)的翻譯,專業(yè)課演變成了翻譯課,這樣也就偏離了教學(xué)初衷?；谏鲜鲈?在內(nèi)容較為簡(jiǎn)單的教學(xué)初始階段,我們采取中英文對(duì)照課件,以便學(xué)生盡快掌握基本的專業(yè)詞匯。隨著教學(xué)的進(jìn)一步深入,我們逐步減少課件中的中文語(yǔ)言比例,僅在出現(xiàn)新的專業(yè)術(shù)語(yǔ)時(shí)附加中文注釋。不過(guò),多媒體教學(xué)不能完全取代傳統(tǒng)的板書(shū),比如納米材料化學(xué)中涉及很多有機(jī)化學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ),由于幻燈片容量的限制,在多媒體課件上只能以甲乙丙丁、某醇某酸等命名法來(lái)展示,而通過(guò)板書(shū)可詳細(xì)寫出該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)式,能更直觀地向?qū)W生展示了該物質(zhì)的組成方式,有益于學(xué)生理解反應(yīng)過(guò)程、了解納米材料制備原理。在課堂上現(xiàn)場(chǎng)回答學(xué)生提出的問(wèn)題時(shí),或在講解分析學(xué)生的作業(yè)情況時(shí),我們也需要采用板書(shū)的教學(xué)方式,以便更好地跟學(xué)生溝通。在教學(xué)過(guò)程中將板書(shū)與多媒體教學(xué)相結(jié)合,二者相得益彰。
(3)課件內(nèi)容的組織
考慮到授課對(duì)象是大四學(xué)生,有些學(xué)生畢業(yè)后要參加工作,而有些學(xué)生則要繼續(xù)深造,那么授課內(nèi)容就應(yīng)二者兼顧。在授課過(guò)程中,一方面我們介紹納米材料化學(xué)在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,將學(xué)生的視野從傳統(tǒng)的陶瓷、水泥、玻璃產(chǎn)業(yè)拓展到新興的納米材料產(chǎn)業(yè),讓學(xué)生對(duì)即將從事的工作領(lǐng)域有更全面的認(rèn)識(shí),另一方面我們也介紹納米材料化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和新興方向,以及國(guó)內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)及其特色,培養(yǎng)學(xué)生在海量的科技文獻(xiàn)中迅速捕捉到前沿科研動(dòng)態(tài)的能力,為他們?cè)趫?bào)考研究生時(shí)選擇科研方向提供一些有價(jià)值的參考信息。
(4)教學(xué)語(yǔ)言的使用
如果采用全英語(yǔ)講授,學(xué)生會(huì)因?qū)I(yè)英語(yǔ)能力較薄弱而一味關(guān)注英文表達(dá),從而忽略課程本身要傳達(dá)的專業(yè)知識(shí),使得教學(xué)變成單純的專業(yè)英語(yǔ)課程;但如果僅在多媒體課件上使用英語(yǔ),而全采用中文教學(xué),則基本沒(méi)有英語(yǔ)氛圍,難以培養(yǎng)學(xué)生用英文思考專業(yè)知識(shí)的能力,失去雙語(yǔ)課教學(xué)的意義?？梢?jiàn),我們應(yīng)該在課堂上把握好使用中英文的尺度。在課程剛開(kāi)始,學(xué)生對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)還很陌生時(shí),我們應(yīng)以中文授課為主,有意識(shí)地向?qū)W生灌輸專業(yè)詞匯的構(gòu)詞方法,比如納米材料中涉及的一些化學(xué)專業(yè)詞匯,甲、乙、丙、丁等數(shù)字的詞前綴表達(dá)方法,醇、醛、酮、胺、烷烴等詞后綴的表達(dá)方式。由于專業(yè)詞匯的詞根重復(fù)頻率較高,通過(guò)構(gòu)詞法的學(xué)習(xí),學(xué)生能在較短時(shí)間內(nèi)掌握基本的專業(yè)詞匯,具備初步的專業(yè)文獻(xiàn)的英文閱讀理解能力。到了教學(xué)中后期,學(xué)生已經(jīng)積累了一定量的專業(yè)英語(yǔ)詞匯后,我們逐漸加大英文授課比例,用英語(yǔ)表述專業(yè)知識(shí)、解析專業(yè)詞匯,只在重點(diǎn)和難點(diǎn)的教學(xué)時(shí)輔以中文解釋,授課時(shí)應(yīng)控制語(yǔ)速,做到有張有弛,給學(xué)生留有思考的時(shí)間[4]。
高校雙語(yǔ)課的教學(xué)方法還處在探索當(dāng)中,為了提高納米材料化學(xué)雙語(yǔ)課的教學(xué)質(zhì)量,我們講求師生互動(dòng),多與學(xué)生溝通,了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和對(duì)教學(xué)的評(píng)價(jià),根據(jù)反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容。講臺(tái)不應(yīng)是教師一個(gè)人的秀場(chǎng),教學(xué)需要學(xué)生的積極參與,一些教學(xué)環(huán)節(jié)可通過(guò)以學(xué)生為主的研討方式進(jìn)行,促使學(xué)生積極、主動(dòng)地利用搜索引擎和科技論文數(shù)據(jù)庫(kù)查閱英文文獻(xiàn),引導(dǎo)學(xué)生掌握納米材料化學(xué)研究和應(yīng)用的新動(dòng)態(tài),為他們進(jìn)入納米領(lǐng)域工作和深造打下良好的基礎(chǔ)。
納米材料化學(xué)雙語(yǔ)課更深層次的目的是營(yíng)造雙語(yǔ)氣氛,提高學(xué)生的專業(yè)外語(yǔ)水平,增強(qiáng)學(xué)生的跨文化理解力,促使學(xué)生用外語(yǔ)思考并解決納米科學(xué)領(lǐng)域問(wèn)題的能力,增強(qiáng)學(xué)生的科研素養(yǎng),為納米材料化學(xué)研究培養(yǎng)新生力量和后備軍。
參考文獻(xiàn):
[1]傅晶,黎俊波.大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)雙語(yǔ)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].化學(xué)工程與裝備,2007,7:232-233.
[2]Rao,C.N.R.Müler,A.and Cheetham,A.K.Nanomaterials Chemistry:Recent Development and New Directions[M].Berlin:Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA,2007.
[論文摘要]科技的發(fā)展，使我們對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究的越來(lái)越透徹。納米技術(shù)便由此產(chǎn)生了，主要對(duì)納米材料和納米涂料的應(yīng)用加以闡述。
一、納米的發(fā)展歷史
納米（nm）是長(zhǎng)度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對(duì)宏觀物質(zhì)來(lái)說(shuō)，納米是一個(gè)很小的單位，不如，人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000-8000nm，人體紅細(xì)胞的直徑一般為3000-5000nm，一般病毒的直徑也在幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級(jí)；對(duì)于微觀物質(zhì)如原子、分子等以前用埃來(lái)表示，1埃相當(dāng)于1個(gè)氫原子的直徑，1納米是10埃。一般認(rèn)為納米材料應(yīng)該包括兩個(gè)基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時(shí)具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學(xué)特性。
1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德。費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后實(shí)現(xiàn)根據(jù)人類意愿逐個(gè)排列原子、制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米科技最早的夢(mèng)想。1991年，美國(guó)科學(xué)家成功地合成了碳納米管，并發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量?jī)H為同體積鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，因此稱之為超級(jí)纖維.這一納米材料的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志人類對(duì)材料性能的發(fā)掘達(dá)到了新的高度。1999年，納米產(chǎn)品的年?duì)I業(yè)額達(dá)到500億美元。
二、納米技術(shù)在防腐中的應(yīng)用
納米涂料必須滿足兩個(gè)條件：一是有一相尺寸在1～100nm；二是因?yàn)榧{米相的存在而使涂料的性能有明顯提高或具有新功能。納米涂料性能改善主要包括：第一、施工性能的改善。利用納米粒子粒徑對(duì)流變性的影響，如納米SiO2用于建筑涂料，可防止涂料的流掛；第二、耐候性的改善。利用納米粒子對(duì)紫外線的吸收性，如利用納米TiO2、SiO2可制得耐候性建筑外墻涂料、汽車面漆等；第三、力學(xué)性能的改善。利用納米粒子與樹(shù)脂之間強(qiáng)大的界面結(jié)合力，可提高涂層的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐刮傷性等。納米功能性涂料主要有抗菌涂料、界面涂料、隱身涂料、靜電屏蔽涂料、隔熱涂料、大氣凈化涂料、電絕緣涂料、磁性涂料等。
納米技術(shù)的應(yīng)用為涂料工業(yè)的發(fā)展開(kāi)辟了一條新途徑，目前用于涂料的納米材料最多的是SiO2、TiO2、CaCO3、ZnO、Fe2O3等。由于納米粒子的比表面大、表面自由能高，粒子之間極易團(tuán)聚，納米粒子的這種特性決定了納米涂料不可能象顏料、添料與基料通過(guò)簡(jiǎn)單的混配得到。同時(shí)納米粒子種類很多，性能各異，不是每一種納米粒子和每一粒徑范圍的納米粒子制得的涂料都能達(dá)到所期望的性能和功能，需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，才有可能得到真正的納米涂料。
納米涂料雖然無(wú)毒，但由于改性技術(shù)原因，性能并不理想，加上價(jià)格太貴，難以推廣；而三聚磷酸鋁也因價(jià)格原因未能大量應(yīng)用。國(guó)外公司如美國(guó)的Halox、Sherwin－williams、Mineralpigments、德國(guó)的Hrubach、法國(guó)的SNCZ、英國(guó)的BritishPetroleum、日本的帝國(guó)化工公司均推出了一系列無(wú)毒納米防銹顏料，性能不錯(cuò)，甚至已可與鉻酸鹽相以前我國(guó)防銹顏料的開(kāi)發(fā)整體水平落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，仍然以紅丹、鉻酸鹽、鐵系顏料、磷酸鋅等傳統(tǒng)防銹顏料為主。紅丹因其污染嚴(yán)重，對(duì)人體的傷害很大，目前已被許多國(guó)家相繼淘汰和禁止使用；磷酸鋅防銹顏料雖比。我國(guó)防銹涂料業(yè)也蓬勃發(fā)展，也可以生產(chǎn)納米漆。
我國(guó)自主生產(chǎn)的產(chǎn)品目前已通過(guò)國(guó)家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心、鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站、機(jī)械科學(xué)院武漢材料保護(hù)研究所等國(guó)內(nèi)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析和檢測(cè)，同時(shí)還經(jīng)過(guò)加拿大國(guó)家涂料信息中心等國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)的技術(shù)分析，結(jié)果表明其具有目前國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品無(wú)可比擬的防銹性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，是防銹涂料領(lǐng)域劃時(shí)代產(chǎn)品，復(fù)合鐵鈦粉及其防銹漆通過(guò)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的鑒定后已在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
三、納米材料在涂料中應(yīng)用展前景預(yù)測(cè) 轉(zhuǎn)貼于
據(jù)估算，全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已達(dá)到500億美元。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家政府和大的企業(yè)紛紛啟動(dòng)了發(fā)展納米技術(shù)和納米計(jì)劃的研究計(jì)劃。美國(guó)將納米技術(shù)視為下一次工業(yè)革命的核心，2001年年初把納米技術(shù)列為國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，在納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資，從1997年的1億多美元增加到2001年近5億美元，準(zhǔn)備像微電子技術(shù)那樣在這一領(lǐng)域獨(dú)占領(lǐng)先地位。日本也設(shè)立了納米材料中心，把納米技術(shù)列入新五年科技基本計(jì)劃的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，將以納米技術(shù)為代表的新材料技術(shù)與生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境保護(hù)等并列為四大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。德國(guó)也把納米材料列入21世紀(jì)科研的戰(zhàn)略領(lǐng)域，全國(guó)有19家機(jī)構(gòu)專門建立了納米技術(shù)研究網(wǎng)。在人類進(jìn)入21世紀(jì)之際，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)社會(huì)的發(fā)展和生存環(huán)境改善及人體健康的保障都將做出更大的貢獻(xiàn)。從某種意義上說(shuō)，21世紀(jì)將是一個(gè)納米世紀(jì)。
由于表面納米技術(shù)運(yùn)用面廣、產(chǎn)業(yè)化周期短、附加值高，所形成的高新技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)品、以及對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品的改造升級(jí)，產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)前景極好。
在納米功能和結(jié)構(gòu)材料方面，將充分利用納米材料的異常光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、力學(xué)特性、敏感特性、催化與化學(xué)特性等開(kāi)發(fā)高技術(shù)新產(chǎn)品，以及對(duì)傳統(tǒng)材料改性；將重點(diǎn)突破各類納米功能和結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和表征技術(shù)。多功能的納米復(fù)合材料、高性能的納米硬質(zhì)合金等為化工、建材、輕工、冶金等行業(yè)的跨越式發(fā)展提供了廣泛的機(jī)遇。各類納米材料的產(chǎn)業(yè)化可能形成一批大型企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)，將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響；納米技術(shù)的應(yīng)用逐漸滲透到涉及國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域，將產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
納米技術(shù)在涂料行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，促使涂料更新?lián)Q代，為涂料成為真正的綠色環(huán)保產(chǎn)品開(kāi)創(chuàng)了突破性的新紀(jì)元。
納米涂料已被認(rèn)定為北京奧運(yùn)村建筑工程的專用產(chǎn)品，展示出該涂料在建筑領(lǐng)域里的應(yīng)用價(jià)值。它利用獨(dú)特的光催化技術(shù)對(duì)空氣中有毒氣體有強(qiáng)烈的分解，消除作用。對(duì)甲醛、氨氣等有害氣體有吸收和消除的功能，使室內(nèi)空氣更加清新。經(jīng)測(cè)試，對(duì)各種霉菌的殺抑率達(dá)99％以上，有長(zhǎng)期的防霉防藻效果。納米改性內(nèi)墻涂料，實(shí)際上是高級(jí)的衛(wèi)生型涂料，適合于家庭、醫(yī)院、賓館和學(xué)校的涂裝。納米改性外墻涂料，利用納米材料二元協(xié)同的荷葉雙疏機(jī)理，較低的表面張力，具有高強(qiáng)的附著力，漆膜硬度高且有韌性，優(yōu)良的自潔功能，強(qiáng)勁的抗粉塵和抗臟物的粘附能力，疏水性極佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外線能力極強(qiáng)。使用壽命達(dá)15年以上。顆粒徑細(xì)小，能深入墻體，與墻面的硅酸鹽類物質(zhì)配位反應(yīng)，使其牢牢結(jié)合成一體，附著力強(qiáng)，不起皮，不剝落，抗老化。其納米抗凍性功能涂料，除具備納米型涂料各種優(yōu)良性之外，可在10℃到25℃之內(nèi)正常施工。突破了建筑涂料要求墻體濕度在10％以下的規(guī)定，使建筑行業(yè)施工縮短了工期，提高了功效，又創(chuàng)造出高質(zhì)量。
四、結(jié)語(yǔ)
由于目前應(yīng)用納米材料對(duì)涂料進(jìn)行改性尚處在初級(jí)階段，技術(shù)、工藝還不太成熟，需要探索和改進(jìn)。但涂料的各種性能得到某些改進(jìn)的試驗(yàn)結(jié)果足以證明，納米改性涂料的市場(chǎng)前景是非常好的。
參考文獻(xiàn)：
[1]橋本和仁等［J］. 現(xiàn)代化工. 1996(8):25～28.
【關(guān)鍵詞】納米SiO2；耐久性；強(qiáng)度
0.引言
混凝土是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主要材料，它具有承重大，易成型，原材料廣泛、等優(yōu)點(diǎn)。但混凝土的自重大、抗拉強(qiáng)度低、脆性大等缺陷限制了其在一些方面的應(yīng)用。納米材料是指顆粒尺寸在納米量級(jí)（1nm～100nm） 的超細(xì)材料，其尺寸大于原子簇而小于通常材料的微粉， 處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)度區(qū)域。納米材料由于其尺寸小且具有特殊的結(jié)構(gòu)特征，從而具有以下效應(yīng)：尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)。納米礦粉主要包括納米SiO2，納米CaCO3和納米硅粉。普通硅酸鹽水泥顆粒粒徑，水泥內(nèi)分布著10-100nm的凝膠孔，在水泥中摻入納米礦粉可以有效填充這些空隙，對(duì)于提高混凝土的抗?jié)B性和韌性起了很大作用。
1.納米混凝土力學(xué)性能的研究
研究表明SiO2（NS）的火山灰活性遠(yuǎn)高于硅粉的火山灰活性，摻入NS的漿體存在流動(dòng)性變小和凝結(jié)時(shí)間縮短的現(xiàn)象，同時(shí)NS的摻入能顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度。NS摻入到硅酸鹽水泥中，其火山灰反應(yīng)吸收了大量的Ca（OH）2進(jìn)而促進(jìn)了水泥水化，提高了水化開(kāi)始時(shí)的放熱速率，并改善了水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥更加均勻密實(shí)[1]。納米CaCO3摻入到水泥材料中后起到了物理填充效應(yīng)、水化效應(yīng)和晶核效應(yīng)，降低了水泥石內(nèi)表面積，加快熟料早期水化速度，增加水泥石密實(shí)度，降低孔隙率，進(jìn)而提高水泥石的抗壓強(qiáng)度。
黃政宇等[2]將未摻納米材料混凝土、摻納米SiO2混凝土和摻納米CaCO3混凝土三組試件做了對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明摻入納米SiO2的混凝土的抗壓強(qiáng)度提高4%，摻入納米CaCO3的混凝土養(yǎng)護(hù)28d抗壓強(qiáng)度比未摻假NC的混凝土提高了16.7%。同時(shí)他們得出摻加NS和NC的最佳量分別為0.5%和3%。試驗(yàn)還得出摻入納米材料的混凝土流動(dòng)性會(huì)降低。
郭保林、王寶民[3]對(duì)納米混凝土的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，他們認(rèn)為摻入NS能提高混凝土早期強(qiáng)度，尤以7天時(shí)最顯著，此時(shí)摻入5%的NS比摻入3%的效果明顯，后期的強(qiáng)度也與NS摻入量有關(guān)，摻入5%的NS在60天時(shí)的強(qiáng)度小于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度，并得到摻加3%的NS對(duì)混凝土后期強(qiáng)度增加明顯。
唐小萍、魏秀瑛等[4]也做了類似的研究，試驗(yàn)所用納米材料是SiO2和Al2O3，以三種不同的納米摻加量作為對(duì)比，結(jié)果表明摻入該納米混合材料后可提高混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度20%、15%、10%。
2.納米混凝土抗?jié)B性能的研究
納米SiO2可以提高混凝土抗裂、抗?jié)B、抗凍等性能。研究表明： 納米SiO2可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能，能夠封堵混凝土內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)其抗裂性，提高混凝土抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)侵蝕、抗沖磨等性能，從而提高水工混凝土的耐久性。
黃功學(xué)、謝曉鵬[5]將混凝土試件養(yǎng)護(hù)至28d，對(duì)試件一次加壓24h，用壓力機(jī)劈開(kāi)試件，測(cè)量滲水高度?；炷量?jié)B性能隨著納米SiO2摻量的增加而提高；納米SiO2摻量為1%、3%、5%時(shí)混凝土的滲水高度比普通混凝土分別降低了19%、44%、61%。他們認(rèn)為納米SiO2使混凝土中滲水通道堵塞或減少，混凝土的密實(shí)程度得到提高，降低了溶出蝕的危害。
杜應(yīng)吉等[6]也做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們將納米基混凝性劑摻入混凝土中，在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)的大孔和微孔數(shù)量均大幅下降，使混凝土的的密實(shí)度提高，從而提高混凝土（砂漿）的抗?jié)B性。數(shù)據(jù)顯示摻入納米基混凝性劑的試件比相同配比的普通混凝土試件的抗?jié)B性提高了30%。
李晗等[7]試驗(yàn)方法是將標(biāo)準(zhǔn)試件放入氯化Nacl中浸泡24h，取出試件烘干，循環(huán)10次。然后鉆取不同深度的混凝土試樣測(cè)定氯離子含量。2.5mm 深度NS 摻量0.5%，1.0%和2.0%氯離子含量分別為不摻NS 時(shí)的92.7%， 92.3%和91.9%，蘭成明等[9]也做了抗氯離子的滲透試驗(yàn)，得到了基本相同的數(shù)據(jù)。
3.納米混凝土抗凍性能的研究
在嚴(yán)寒地區(qū)凍融循環(huán)是影響混凝土耐久性的因素之一，在實(shí)際應(yīng)用中最關(guān)心的是混凝土的力學(xué)性能，因?yàn)閺?qiáng)度損失直接關(guān)系到建筑物的使用性能及安全。因此研究混凝土的抗凍性能有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
杜應(yīng)吉等[8]對(duì)于納米混凝土的抗凍性做了以下實(shí)驗(yàn)：采用M7.5的試件，用慢凍法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，凍融15次后由電子顯微鏡圖片對(duì)比發(fā)現(xiàn)摻入納米材料后極大改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，封堵了孔徑小于150nm的微孔。使得混凝土的密實(shí)度大大增強(qiáng)，從而避免了由于孔隙水結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)破壞。
仲曉琳、李順凱[9]研究納米材料對(duì)混凝土的抗凍性能試驗(yàn)采用空白樣與摻量0.75%納米材料的試樣對(duì)比，在-10℃條件下做25次凍融循環(huán)。測(cè)試結(jié)果顯示摻0.75%納米材料的混凝土，經(jīng)25次凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度損失率為3.2%，而空白樣強(qiáng)度損失率為8.6%?？梢?jiàn)，摻入0.75%的納米材料可以明顯地改善混凝土的抗凍性能。
黃功學(xué)、謝曉鵬[5]也針對(duì)納米混凝土抗凍性做了實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，混凝土動(dòng)彈性模量損失隨著納米SiO2摻量的增加而減小； 當(dāng)凍融循環(huán)150 次時(shí)，納米SiO2摻量為0、1%、3%、5% 時(shí)混凝土的動(dòng)彈性模量損失為27.3%、14.9%、7.0%、3.3%。
4.納米混凝土研究趨勢(shì)
上述已表明， 納米礦粉（納米SiO2、納米CaCO3等）的摻入對(duì)混凝土的強(qiáng)度及耐久性等性能有明顯的改善作用，但目前納米礦粉的價(jià)格很高， 這就限制了它們?cè)诨炷林械膶?shí)際應(yīng)用，需要進(jìn)一步在納米混凝土的制備技術(shù)方面研究探索以降低其成本。再有就是納米材料在水泥中難以達(dá)到均勻分散，摻入后易結(jié)團(tuán)，在一定程度上限制了混凝土強(qiáng)度的提高，因此，如何改善納米粒子的分散性，使其在混凝土中均勻的分散以更大的提高混凝土的強(qiáng)度是需要更進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
【參考文獻(xiàn)】
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[4]唐小萍，魏秀瑛等.納米Si02提高不同齡期混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2011，29（21）
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[6]杜應(yīng)吉，韓蘇建，姚汝方，李元婷.應(yīng)用納米微粉提高混凝土抗?jié)B抗凍性能的試驗(yàn)研究[J].功能材料，2004（7）.
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“棄暗投明”的新技術(shù)
宋延林笑著說(shuō)，走上“納米材料綠色制版技術(shù)”的研發(fā)之路，始自一次“意外”。
那是1995年，正在攻讀博士學(xué)位的宋延林，琢磨著自己關(guān)于信息存儲(chǔ)材料的研究工作。他不想重復(fù)別人的材料體系，于是有了一個(gè)大膽的想法：既然當(dāng)時(shí)國(guó)際上主流的信息存儲(chǔ)材料是無(wú)機(jī)材料，那么自己就挑戰(zhàn)一下有機(jī)材料。
這在當(dāng)時(shí)并不被人看好，但他與合作伙伴最終成功地將信息存儲(chǔ)點(diǎn)的尺寸從 十幾個(gè)納米縮小至1.3個(gè)納米。相關(guān)論文很快被國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊接受發(fā)表，研究成果亦被兩院院士評(píng)選為1997年“中國(guó)十大科技進(jìn)展”之一?！斑@給了我一個(gè)很大的啟發(fā)，不是國(guó)外沒(méi)有做過(guò)的事情就不能做。以前中國(guó)人總覺(jué)得引領(lǐng)科技進(jìn)步的一定是西方國(guó)家，我們只能一味追趕，似乎最好的成績(jī)也只能是縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。但事實(shí)不應(yīng)該是這樣。”
從那天開(kāi)始，宋延林就打定主意，要做與別人不一樣的東西。多年以后，靈感聚焦于“印刷技術(shù)”。
從成像原理來(lái)看，印刷技術(shù)的發(fā)展可以劃分為兩大階段：首先是“物理成像階段”， 基于物理凹凸結(jié)構(gòu)成像，譬如雕版印刷、木活字印刷、鉛字印刷。接下來(lái)是“化學(xué)成像階段”，基于化學(xué)感光成像，主要有兩種技術(shù)，一種是激光照排技術(shù)，上世紀(jì)80年代由王選院士主持研發(fā)的漢字激光照排技術(shù)，目前仍是中國(guó)印刷業(yè)的主流技術(shù)；另一種是國(guó)際上流行的計(jì)算機(jī)直接制版（CTP）技術(shù)。
但無(wú)論是激光照排技術(shù)還是CTP技術(shù)，都是感光成像的過(guò)程。激光照排的過(guò)程與膠卷曝光類似：先將計(jì)算機(jī)處理的信息通過(guò)激光掃描到感光膠片上，再通過(guò)曝光、顯影、定影得到一張底片，底片在涂有感光層的PS版上重復(fù)曝光、顯影、沖洗的過(guò)程，得到最終印版。
“事實(shí)上，高質(zhì)量的信息傳輸，應(yīng)盡可能減少信息轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。有沒(méi)有一種辦法，可以直接打印出印版，省略化學(xué)顯影過(guò)程呢？”
宋延林首先考慮的是確定印版的材料要求。對(duì)于印刷而言，印版的圖文區(qū)需要“沾油墨”，空白區(qū)則“不沾油墨”。高質(zhì)量的印刷，要求兩個(gè)區(qū)域必須形成足夠大的反差，否則很容易“糊版”。宋延林根據(jù)信息存儲(chǔ)中提高信噪比的要求和納米材料控制表面性質(zhì)的研究基礎(chǔ)，在印版表面形成特殊的納米結(jié)構(gòu)，確保圖文區(qū)和空白區(qū)有足夠的反差，且界面清晰。
不過(guò)事情遠(yuǎn)沒(méi)有大功告成，“耐印力”成為緊跟著必須面對(duì)的挑戰(zhàn)?！叭绻屵@項(xiàng)技術(shù)走向市場(chǎng)，必須確保它可以滿足常規(guī)生產(chǎn)要求。目前主流印刷版材的耐印力，比如印刷普通報(bào)紙，需要在10萬(wàn)份以上。最終我們通過(guò)納米材料的復(fù)合增強(qiáng)，使新版材的耐印力達(dá)到同一水準(zhǔn)。”
所謂“復(fù)合增強(qiáng)”，打個(gè)通俗的比方，和增強(qiáng)柏油馬路耐磨性類似：只鋪瀝青的路面極易損壞，在瀝青中摻入石子，就大大提高了耐磨性。“雖然聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作時(shí)，還要保證極其細(xì)微的納米顆粒不團(tuán)聚，特別是在南方、北方零上40℃至零下40℃的溫差下，不沉淀，不堵頭，打印出的墨滴大小要與版材表面張力、納米孔的孔徑形成定量可控的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)所有這些，背后是一系列復(fù)雜細(xì)致的研究工作。”
除此之外，由于納米材料綠色制版技術(shù)在國(guó)際上并無(wú)先例可循，因此亦沒(méi)有成熟的配套設(shè)備。為此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還要開(kāi)發(fā)針對(duì)報(bào)業(yè)、商業(yè)和票據(jù)類的設(shè)備及相應(yīng)軟件。
當(dāng)一切都從理論化為現(xiàn)實(shí)，一種全新的印刷制版技術(shù)橫空出世。宋延林一口氣描述它的操作原理：“用計(jì)算機(jī)處理好全部圖文信息，直接將印版打印出來(lái)，圖文區(qū)是親油的，空白區(qū)是親水的，兩者反差足夠大，足夠耐磨?！?/p>
新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。首先，傳統(tǒng)的化學(xué)成像過(guò)程，印版與膠片的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程都要嚴(yán)格避光，非常麻煩。而納米材料制版技術(shù)，則是基于“非感光”的全新原理，宋延林打趣說(shuō)，有領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)這是個(gè)“棄暗投明”的新技術(shù)。
其次，依賴化學(xué)成像形成的印刷產(chǎn)業(yè)鏈，有兩大無(wú)法根除的污染。
一是制版的污染。感光成像的化學(xué)沖洗過(guò)程，是將感光材料全面覆蓋在版基上，然后根據(jù)實(shí)際圖文情況，將“圖文區(qū)”保留，“空白區(qū)”侵蝕掉。如此一來(lái)，80%以上的感光材料都被浪費(fèi)，同時(shí)造成每年百萬(wàn)噸量級(jí)的廢液排放。
二是版基的污染。目前主流印刷制版技術(shù)的鋁版基制備，實(shí)際是一個(gè)電解氧化的過(guò)程，電解液里的濃酸，會(huì)腐蝕消耗鋁材，再加之曝光過(guò)程中的損耗，大量的鋁材變成污染物被浪費(fèi)，并造成嚴(yán)重的金屬離子污染。而廢酸用石灰中和后，又會(huì)形成大量廢渣。
“納米材料印刷制版技術(shù)是用計(jì)算機(jī)直接打印制版，沒(méi)有化學(xué)腐蝕過(guò)程，既不會(huì)形成廢液、廢渣污染，也不會(huì)損失鋁材。被消耗的僅僅是打印的墨水，成本優(yōu)勢(shì)明顯，有可觀的利潤(rùn)空間，且可以通過(guò)鼠標(biāo)簡(jiǎn)便操作。”宋延林說(shuō)，這是令他自豪的一點(diǎn)。
他永遠(yuǎn)都記得，有一期《時(shí)代周刊》的封面觸目驚心：一只巨大的iphone手機(jī)，連接著一座冒著黑煙的工廠，用醒目的字體探討這只“神器”為什么會(huì)選擇“made in china”（中國(guó)制造），結(jié)論有二：一靠“廉價(jià)人力”，二靠“超級(jí)污染”?！爸袊?guó)留給世界的印象，一定要改一改了！事實(shí)證明，我們可以拿出領(lǐng)先、環(huán)保的綠色解決方案?！?/p>
再見(jiàn)，試驗(yàn)室！