新材料——对于人类和环境的双刃剑
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• “Nanotechnology is all about looking to the future--solving new challenges with new science.”到2014年，全球利用纳米技术生 产的产品总价值预计达到2.6万亿美元，是2004年的200倍。 ——发展趋势无可阻挡 • 而纳米技术工艺的发展远远超过了对其产品毒性的研究和风险 评价进展，这是一种不好的趋势。作为一项大规模前沿技术， 不注意负面效应后果会很严重。 ——人群对其负面效应知之甚少 白头海雕几近灭绝是因为鸟类体内含DDT会导致产软壳蛋而不 能孵化，这类生物放大效应结果在纳米领域远未发现； 又如用于药物的安全性。治疗癌症的结果是否能够控制 《I’m Legend》
其他领域应用举例
• 纳米服装——在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳 米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除 臭和抗紫外线辐射的内衣和服装 • 家电纳米塑料——纳米材料制成的、多功能塑料，具有抗菌、 除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用 • 纳米陶瓷——消除瓷间孔隙实现硬化和韧化，增加陶瓷整体强 度和延展性 • 纳米药物靶向性与缓释作用——给药物安上“眼睛”，使药效 缓慢扩散，保护正常细胞组织
纳米材料的环境问题
未知的体内迁移规律
• 通过小鼠呼吸系统吸入直径为35nm的碳粒子1天后便出现在其 大脑中处理嗅觉的区域——嗅球,并可在大脑中不断迁移。 • 分子量高达60万的水溶性多羟基单壁碳纳米管（SWNTols）能 非常容易、迅速地在小鼠的各种组织和脏器之间穿梭，而且通 过尿液排泄。如此奇特的现象，现有的生物学或生理学知识无 法解释这种现象。
(Barbara Karn, Todd Kuiken, and Martha Otto. Nanotechnology and In situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks. Environmental Health Perspectives, Online June 23, 2009)
问题思考
• • • • • 高分子建筑材料——难降解 塑钢材料——高能源成本 新型陶瓷——高剂量辐射 DDT、转基因作物 氟氯烃
• 利益驱使下的科技创新容易让人急功近利而不顾后果，这不是 真正的科学态度。 • 人类在发展的同时必须注意到，自己不应该是在想方设法找出 更快毁灭自我的办法。 • 结论：避免重蹈覆辙，使新材料正负效应研究趋近同步，保证 国家利益、企业利益与人类发展利益相协调
纳米材料的环境问题
生物安全暨毒理学领域
• 生活中原本充斥着诸多纳米颗粒 ——烟囱、汽车排放废气、垃圾燃烧烟雾、沙尘、涂料产品涂 层释放，引发疾病 • 由工业生产所产生的人造纳米颗粒也将随着纳米科技的迅速发 展，使人类及其生存环境在其中暴露的可能大大增加 研究（1）纳米颗粒整体生物效应 （2）与细胞、生物大分子相互作用
纳米材料安全性研究方案
• 中国科学院高能物理研究所最早开始研究 • 2004年6月成立中国第一个“纳米生物效应与纳米安全性实验室” • 国家自然科学基金委“十五重大项目”设立了“碳纳米材料的 细胞分子毒理学研究”课题 • 2006年7月，国家科技部启动973计划，支持“人造纳米材料的 纳米安全性与解决方案探索”项目 • 成果有待检验
纳米材料的环境问题
制造业与能源领域
• 制造过程中对材料纯度的严格要求、较低容差与较低产出导致 的环境负担比传统制造业大，从而造成较大的生态足迹——每 单位重量环境影响可能比传统材料高100倍，潜在抵消了利用 小规模纳米材料带来的一些环境效益 • 在水体中分散速度快，工业排放及污染修复投加难以控制回收
环境领域拓展研究
• 纳米尺度物质在空气、水和土壤中存在状态、传输、转化和与 其它物质相互作用的规律； • 环境（空气、水和土壤）中纳米尺度物质的探测和表征方法； • 优化环境的治理和修复技术； • 纳米污染物通过环境和食物链传递和相互影响规律
掌握其正负效应的基础上，使纳米材料的优势 得到充分利用
问题思考
未来安全发展计划
• 建立纳米尺度毒物数据库 • 生产源头防泄漏 • 减少或抑制毒性的处理技术——通过一定的化学修饰或物理处 理来消除某些纳米材料的负效应，同时保持其有益的纳米特性 （纳米铁表面包被的聚乙二醇可以有效的阻止血清蛋白对纳米铁 的吸附进而减少富含单核巨噬细胞的脏器如肝脏、脾脏和肺脏 对纳米铁的吸收） • 纳米材料回收、处理技术 • 环境应用避免二次污染
OUTLINE
纳米材料产生及发展趋势 纳米材料在环境及其他领域的应用 纳米材料的环境问题 现有安全性研究方案及未来计划 材料领域类似问题相关思考
纳米材料
• 三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们 作为基本单元构成的材料 • 尺寸接近电子相干长度、光波长 • 相对巨大的比表面积 ——熔点、磁性、导热、导电、光学、生物学的特殊性
未知的纳米颗粒种类与毒性关系
• 纳米氧化锌与通常的微米氧化锌的生物毒性相比，几乎没有差 别
纳米材料的环境问题
• 未知领域的人体研究综合——大气中纳米颗粒生物效应 • 发现尺寸在7～100nm的颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉 积率；尺寸越小，越难以被巨噬细胞清除，且容易向肺组织以 外的组织器官转移，超细颗粒物可穿过血脑屏障。 •同种材料不同结构毒性不同； •体外环境与活体实验不能简 单类比
纳米材料在环境领域的应用
The material has the potential not only to reduce the overall costs of cleaning up large-scale contaminated sites but also to reduce cleanup time
纳米材料发展趋势
• 比肩于19世纪的电力技术和20世纪的微电子技术 • 各国政府都在大力加强对纳米科技的投入，人们已经意识到， 发达国家如果现在不发展纳米科技，必将沦为第三世界国家。 ——国际纯粹与应用化学会（IUPAC） • 纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会 是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。 ——钱学森 • 极高的期望与关注度背后是大片的负面效应研究空白
新材料： 对于人类与环境的双刃剑
——以纳米材料为例
材料之于人类的两面性
• 信息 材料 能源 ——现代文明的三大支柱 • 以材料为标志的时代划分 ——人类赖以生存和发展的物质基础，生产力水平的标志 • 当今材料分类 ——电子、建筑、能源、生物材料等，作用巨大
HOWEVER
• 难降解、高能源成本、放射性危害等问题凸显 • 新技术的发展和环境的协调，能源资源利用和环境生态的和谐 • 需要从环境安全的高度重新评价先进技术的价值
(Guang jia etal. Cytotoxicity of Carbon Nanomaterials: Single-Wall Nanotube, Multi-Wall Nanotube, and Fullerene. ES&T,2005,39)
纳米材料安全性研究方案
• 2006年，美国政府和私人机构投资约40亿美元用于纳米技术， 其中有10％用于研究纳米物质潜在的危害，而这其中的大部分 用来研究纳米物质的一般毒性和对环境的影响。 • 欧盟第五框架协议就启动“NANOSAFE”计划投入32.3万欧元， 随后启动“NANOSAFE2”计划，快速增加到700万欧元对相关 方面进行研究。在这些研究中，纳米干粉颗粒的危害评估被认 为是最至关重要的领域。 • 从2007年启动的欧盟第七框架协议（2007—2013年）中，界面 和尺寸相关的现象，包括对人体的安全性，健康和环境（以及 度量学、术语和标准）被推荐为最主要的研究课题。
纳米材料发展
• 20世纪80年代中期首先研制成功纳米金属材料 • 后相继问世包括纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米磁性材料和 纳米生物医学材料等，种类迅速增加 • 遍及涂料、染料、电子、医药、国防、服装、化妆品、日用品、 生物医药、农业、航天航空等各行各业 • 三维纳米体，二维纳米膜，一维纳米线，准零维纳米颗粒
纳米材料的环境问题
Leabharlann Baidu
未知的致病机理 未知的体内迁移规律 未知的尺度与毒性关系 未知的纳米颗粒种类与毒性关系
纳米材料的环境问题
未知的致病机理
• 研究者将仅0.1mg碳纳米管通过气管注入大鼠体内，90天后病理 学检查发现，这些碳纳米纤维均进入肺泡，并引起肺部肉芽肿 （类似肺结核前期的病理变化）的形成，并且其与常规的粉尘 如石棉致肺损伤不同，没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。 这预示碳纳米管的毒性不同于常规物质，它具有新的致肺损伤 机制。
纳米材料的环境问题
未知的尺度与毒性关系
• 大鼠在含有粒径为20nm的聚四氟乙烯颗粒的空气中暴露15min， 大多数实验大鼠在随后4小时内死亡，而另一组生活在含120nm 颗粒的空气中的大鼠则安然无恙。 • 一般的微米铜粉的半致死剂量大于每千克体重5g，所以被认为 是无毒的。但研究发现，微量纳米铜粉对小鼠的脾、肾、胃均 造成了严重伤害。
纳米材料在环境领域的应用
• 碳纳米管对POPs和重金属离子均表现出极高的吸附容量 • 半导体纳米光催化材料（如TiO2、ZnS 等）可用于光催化去除 有机污染物；纳米零价铁可消除有机和无机污染物 • 磁性纳米材料可通过外加磁场方便地将吸附了污染物的磁性材 料从水中分离回收 纳米CoTiO3——石油脱硫催化剂 纳米Zr0.5Ce0.5O2——汽车尾气净化催化剂 纳米Fe2O3——清洁助燃剂 航空领域纳米材料润滑剂
其他领域应用举例
• 纳米服装——在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳 米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除 臭和抗紫外线辐射的内衣和服装 • 家电纳米塑料——纳米材料制成的、多功能塑料，具有抗菌、 除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用 • 纳米陶瓷——消除瓷间孔隙实现硬化和韧化，增加陶瓷整体强 度和延展性 • 纳米药物靶向性与缓释作用——给药物安上“眼睛”，使药效 缓慢扩散，保护正常细胞组织
纳米材料的环境问题
未知的体内迁移规律
• 通过小鼠呼吸系统吸入直径为35nm的碳粒子1天后便出现在其 大脑中处理嗅觉的区域——嗅球,并可在大脑中不断迁移。 • 分子量高达60万的水溶性多羟基单壁碳纳米管（SWNTols）能 非常容易、迅速地在小鼠的各种组织和脏器之间穿梭，而且通 过尿液排泄。如此奇特的现象，现有的生物学或生理学知识无 法解释这种现象。
(Barbara Karn, Todd Kuiken, and Martha Otto. Nanotechnology and In situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks. Environmental Health Perspectives, Online June 23, 2009)
问题思考
• • • • • 高分子建筑材料——难降解 塑钢材料——高能源成本 新型陶瓷——高剂量辐射 DDT、转基因作物 氟氯烃
• 利益驱使下的科技创新容易让人急功近利而不顾后果，这不是 真正的科学态度。 • 人类在发展的同时必须注意到，自己不应该是在想方设法找出 更快毁灭自我的办法。 • 结论：避免重蹈覆辙，使新材料正负效应研究趋近同步，保证 国家利益、企业利益与人类发展利益相协调
纳米材料的环境问题
生物安全暨毒理学领域
• 生活中原本充斥着诸多纳米颗粒 ——烟囱、汽车排放废气、垃圾燃烧烟雾、沙尘、涂料产品涂 层释放，引发疾病 • 由工业生产所产生的人造纳米颗粒也将随着纳米科技的迅速发 展，使人类及其生存环境在其中暴露的可能大大增加 研究（1）纳米颗粒整体生物效应 （2）与细胞、生物大分子相互作用
纳米材料安全性研究方案
• 中国科学院高能物理研究所最早开始研究 • 2004年6月成立中国第一个“纳米生物效应与纳米安全性实验室” • 国家自然科学基金委“十五重大项目”设立了“碳纳米材料的 细胞分子毒理学研究”课题 • 2006年7月，国家科技部启动973计划，支持“人造纳米材料的 纳米安全性与解决方案探索”项目 • 成果有待检验
纳米材料的环境问题
制造业与能源领域
• 制造过程中对材料纯度的严格要求、较低容差与较低产出导致 的环境负担比传统制造业大，从而造成较大的生态足迹——每 单位重量环境影响可能比传统材料高100倍，潜在抵消了利用 小规模纳米材料带来的一些环境效益 • 在水体中分散速度快，工业排放及污染修复投加难以控制回收
环境领域拓展研究
• 纳米尺度物质在空气、水和土壤中存在状态、传输、转化和与 其它物质相互作用的规律； • 环境（空气、水和土壤）中纳米尺度物质的探测和表征方法； • 优化环境的治理和修复技术； • 纳米污染物通过环境和食物链传递和相互影响规律
掌握其正负效应的基础上，使纳米材料的优势 得到充分利用
问题思考
未来安全发展计划
• 建立纳米尺度毒物数据库 • 生产源头防泄漏 • 减少或抑制毒性的处理技术——通过一定的化学修饰或物理处 理来消除某些纳米材料的负效应，同时保持其有益的纳米特性 （纳米铁表面包被的聚乙二醇可以有效的阻止血清蛋白对纳米铁 的吸附进而减少富含单核巨噬细胞的脏器如肝脏、脾脏和肺脏 对纳米铁的吸收） • 纳米材料回收、处理技术 • 环境应用避免二次污染
OUTLINE
纳米材料产生及发展趋势 纳米材料在环境及其他领域的应用 纳米材料的环境问题 现有安全性研究方案及未来计划 材料领域类似问题相关思考
纳米材料
• 三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们 作为基本单元构成的材料 • 尺寸接近电子相干长度、光波长 • 相对巨大的比表面积 ——熔点、磁性、导热、导电、光学、生物学的特殊性
未知的纳米颗粒种类与毒性关系
• 纳米氧化锌与通常的微米氧化锌的生物毒性相比，几乎没有差 别
纳米材料的环境问题
• 未知领域的人体研究综合——大气中纳米颗粒生物效应 • 发现尺寸在7～100nm的颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉 积率；尺寸越小，越难以被巨噬细胞清除，且容易向肺组织以 外的组织器官转移，超细颗粒物可穿过血脑屏障。 •同种材料不同结构毒性不同； •体外环境与活体实验不能简 单类比
纳米材料在环境领域的应用
The material has the potential not only to reduce the overall costs of cleaning up large-scale contaminated sites but also to reduce cleanup time
纳米材料发展趋势
• 比肩于19世纪的电力技术和20世纪的微电子技术 • 各国政府都在大力加强对纳米科技的投入，人们已经意识到， 发达国家如果现在不发展纳米科技，必将沦为第三世界国家。 ——国际纯粹与应用化学会（IUPAC） • 纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会 是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。 ——钱学森 • 极高的期望与关注度背后是大片的负面效应研究空白
新材料： 对于人类与环境的双刃剑
——以纳米材料为例
材料之于人类的两面性
• 信息 材料 能源 ——现代文明的三大支柱 • 以材料为标志的时代划分 ——人类赖以生存和发展的物质基础，生产力水平的标志 • 当今材料分类 ——电子、建筑、能源、生物材料等，作用巨大
HOWEVER
• 难降解、高能源成本、放射性危害等问题凸显 • 新技术的发展和环境的协调，能源资源利用和环境生态的和谐 • 需要从环境安全的高度重新评价先进技术的价值
(Guang jia etal. Cytotoxicity of Carbon Nanomaterials: Single-Wall Nanotube, Multi-Wall Nanotube, and Fullerene. ES&T,2005,39)
纳米材料安全性研究方案
• 2006年，美国政府和私人机构投资约40亿美元用于纳米技术， 其中有10％用于研究纳米物质潜在的危害，而这其中的大部分 用来研究纳米物质的一般毒性和对环境的影响。 • 欧盟第五框架协议就启动“NANOSAFE”计划投入32.3万欧元， 随后启动“NANOSAFE2”计划，快速增加到700万欧元对相关 方面进行研究。在这些研究中，纳米干粉颗粒的危害评估被认 为是最至关重要的领域。 • 从2007年启动的欧盟第七框架协议（2007—2013年）中，界面 和尺寸相关的现象，包括对人体的安全性，健康和环境（以及 度量学、术语和标准）被推荐为最主要的研究课题。
纳米材料发展
• 20世纪80年代中期首先研制成功纳米金属材料 • 后相继问世包括纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米磁性材料和 纳米生物医学材料等，种类迅速增加 • 遍及涂料、染料、电子、医药、国防、服装、化妆品、日用品、 生物医药、农业、航天航空等各行各业 • 三维纳米体，二维纳米膜，一维纳米线，准零维纳米颗粒
纳米材料的环境问题
Leabharlann Baidu
未知的致病机理 未知的体内迁移规律 未知的尺度与毒性关系 未知的纳米颗粒种类与毒性关系
纳米材料的环境问题
未知的致病机理
• 研究者将仅0.1mg碳纳米管通过气管注入大鼠体内，90天后病理 学检查发现，这些碳纳米纤维均进入肺泡，并引起肺部肉芽肿 （类似肺结核前期的病理变化）的形成，并且其与常规的粉尘 如石棉致肺损伤不同，没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。 这预示碳纳米管的毒性不同于常规物质，它具有新的致肺损伤 机制。
纳米材料的环境问题
未知的尺度与毒性关系
• 大鼠在含有粒径为20nm的聚四氟乙烯颗粒的空气中暴露15min， 大多数实验大鼠在随后4小时内死亡，而另一组生活在含120nm 颗粒的空气中的大鼠则安然无恙。 • 一般的微米铜粉的半致死剂量大于每千克体重5g，所以被认为 是无毒的。但研究发现，微量纳米铜粉对小鼠的脾、肾、胃均 造成了严重伤害。
纳米材料在环境领域的应用
• 碳纳米管对POPs和重金属离子均表现出极高的吸附容量 • 半导体纳米光催化材料（如TiO2、ZnS 等）可用于光催化去除 有机污染物；纳米零价铁可消除有机和无机污染物 • 磁性纳米材料可通过外加磁场方便地将吸附了污染物的磁性材 料从水中分离回收 纳米CoTiO3——石油脱硫催化剂 纳米Zr0.5Ce0.5O2——汽车尾气净化催化剂 纳米Fe2O3——清洁助燃剂 航空领域纳米材料润滑剂