纳米化学和纳米技术在化学中的重要性剖析

纳米化学和纳米技术在化学中的重要性纳米化学就是在纳米水平上研究化学，主要研究原子以上、100nm以下的纳米世界中的各种化学问题的科学，是研究纳米体系的化学制备、化学性质及应用的科学。

纳米化学的发展历程

20世纪90年代以来，一场以信息技术、生物技术、能源技术和纳米技术为代表的科技革命正在全球兴起。其中，于20世纪80至90年代在世界范围内逐渐形成的纳米科学技术((NST，是人们普遍关注的最具代表性的热点领域。纳米科学技术是以现代先进科学技术为基础的多学科技术，它的深入发展又引发出纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米技术、纳米工艺等等一系列新的科学技术，纳米化学是其中极其重要的一门，可以说是纳米科学技术的基础骨干学科。纳米化学作为化学的一个崭新的分支学科，为化学的发展带来了新的机遇和挑战。

目前，人们对纳米科学技术的研究范围认识尚不完全统一，大多数学者认为，是基本颗粒在1一100nm尺度范围内，研究和应用原子、分子现象，并由此发展起来的多学科的，基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术[1-3]。纳米化学作为纳米科学技术的一个分支学科，正在发展之中，因此，还没有一个严格的定义，有学者提出，纳米化学是研究原子以上、100nm以下的纳米世界中的各种化学问题的科学[4]。这是一个令化学家们感

到欢欣鼓舞的新领域。

1959年，美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理学奖获得者理查德。费因曼(Richard Phillips Feynman曾经说过:"There' s Plenty of Room at the Bottom"，提出逐级缩小装置，以致最后由人类直接按需要排布原子和分子，制造产品的设想，为后来纳米科技的发展指出了一条新思路。1963年，LJyeba等发展了气体冷凝法制备纳米粒子，并对金属纳米颗粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究[5]。1977年麻省理工学院的德雷克思勒受理查德。费因曼思想的启发，首创纳米(nanotechnology)一词，随后在访问斯坦福大学时成立了NST (Nano scale Science and Technology)研究小组，成为纳米科技的先行者。1981年，IBM公司苏黎世的G . Binning和H . Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)}6}，其横向分辨率可达0. lnm,纵向分辨率优于O.Olnm，进入到原子尺寸层次，使人们第一次直接观察到原子，观察到原子在物质表面上的排列形式。STM为我们揭示了一个可见的原子、分子世界[}l，为纳米科技的发展提供了前所未有的观察手段和操作工具，大大提高了人类认识和改造微观世界的能力，是20世纪末的重大科技成就之一，是1986年诺贝尔物理学奖的获奖项目。1984年在德国柏林召开了第二届国际超微粒子和等离子簇会议，使超微粒子技术成为世界性的热点。1984年，德国萨尔大学的格莱特首先研制出纳米微粒，并由它压制烧结得到一种新型凝聚态固体一纳米固体。1990年被认为是NST正式

诞生之年[‘]，其标志是:(1)1990年7月在美国巴尔的摩召开

了第一届国际NST会议;(2)专业国际刊物“Nan-otechnology" }口“Nanobiology”已经或即将出版;(3日本和英国等少数科技

先进国家制定了发展NST的国家计划，美国自然科学基金会将NST作为优先支持的项目;C4)冠以纳米(Vlano)的新名词、新概

念不断出现，例如nanoelectronics, nanochemistiy, nanoscopy, nanobiology,nanostructured substances nanometer machining等等;美国IBM公司的艾戈勒领导的研究小组，用一

个一个的氛原子在镍表面上排出了“IBM'，字样，首次实现了人类直接操纵原子这一伟大创举[“]。NST的诞生，是多学科交叉融和的结果，代表了当代科学技术发展的一个基本特征，纳米化学作为NST的基础学科也随之诞生了，其基本的任务就是如何合成和制备具有特定功能的纳米物质，这也正是化学的特长和优势。

纳米粒子的尺度一般在1一1 OOnm之间，大于原子簇而小

于微粉，既非典型的微观体系，也非典型的宏观体系，是处于微观与宏观交界的过渡区域的介观体系，是物质的新层次。作为物质由原子、分子向大块物质转变的新相，具有许多既不同于微观粒子，又不同于宏观物体的特性。

纳米材料在化学中的应用

当纳米微粒的尺寸与光波的波长，传导电子德布罗意波长相当时，声、光、电磁、热力学等特性均呈现新的小尺寸效应。例

如，对光的吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移。纳米金属微粒对可见光的反射率极低(如纳米微粒的铂的反射率仅为100>，几乎都呈黑色。由于粒径小，纳米金属的熔点大大低于块状金属，直径l Onm的Fe,Au和A1的熔点分别由块状的1 808K, 1 337K、和933K降到306K,300K和291K0纳米尺度的强磁性颗粒((Fe-Co合金，氮化铁等)，当颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，20nm的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的1 000倍，可用于提高磁盘存储密度，制磁性信用卡，磁性钥匙等。由于纳米颗粒表面积大、表面有效活性中心多,所以是一种极好的催化材料,可制成各种纳米粒子催化剂。许多专家认为,用纳米催化剂提高催化反应速度、活性、选择性等研究将是未来催化科学的重大研究课题。将普通铁、钴、镍、钯、铂等金属及其化合物的催化剂制成纳米微粒,则可大大改善催化效果。粒径为30nm的镍可把加氢和脱氢反应速度提高15倍。在甲醛氧化制甲醇反应中,使用纳米氧化硅,选择性可提高5倍。利用纳米铂催化剂,放在氧化钛载体上,通过光照,由甲醇水溶液制氢,产率能提高几十倍。纳米钛酸钴(CoTiO3)是一种非常好的石油脱硫催化剂,以55～70nm钛酸钴作为催化活体,多孔硅胶或Al2O3陶瓷作为载体的催化剂,其催化脱硫的效率极高,石油脱硫后的残存硫含量小

于0.01%。

在催化剂中加入纳米粒子也可以大大提高催化效率和选择性,控制反应速度,甚至原来不能进行的反应也能进行。目前已将