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納米材料工業(yè)發(fā)展也講可持續(xù)


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標(biāo)簽納米材料
納米技術(shù)是時(shí)下最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一,它甚至被視為尖端技術(shù)的代名詞。不過(guò)隨著研究的不斷深入,科學(xué)家也開(kāi)始關(guān)注納米材料可能帶來(lái)的負(fù)面影響。去年,科學(xué)家就納米安全問(wèn)題展開(kāi)了討論,現(xiàn)在,科學(xué)家又開(kāi)始研究起了納米廢物的污染問(wèn)題。這項(xiàng)研究的啟動(dòng)將使正要起飛的納米材料工業(yè)可以走上可持續(xù)發(fā)展的道路。
  
    調(diào)查納米廢物對(duì)環(huán)境潛在影響的研究人員來(lái)自美國(guó)喬治亞理工學(xué)院和賴(lài)斯大學(xué)生物與環(huán)境納米技術(shù)中心(CBEN)?茖W(xué)家希望弄清楚納米材料廢物在自然界中如何流動(dòng)和它的最終去向,此外科學(xué)家還要評(píng)估納米材料是否會(huì)像普通污染物一樣對(duì)環(huán)境造成影響。在這些研究基礎(chǔ)之上,科學(xué)家試圖找出一種納米材料的處理方法,以使它對(duì)自然界的影響降到最低。

    喬治亞理工學(xué)院的約翰•福特納3月16日在圣地亞哥美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)第229次全國(guó)會(huì)議上對(duì)他們的研究結(jié)果進(jìn)行了報(bào)告。福特納同時(shí)也是賴(lài)斯大學(xué)的在讀博士,他說(shuō):“把一種物質(zhì)視為潛在的污染物,并將研究瞄向如何減小它的環(huán)境污染并使相關(guān)工業(yè)進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展,這還是個(gè)新事物。這件事做得完全正確,要知道,一盎司的污染需要花費(fèi)一磅來(lái)治理(藥衡制中1磅為12盎司)。”

    研究人員選擇了富勒烯(C60)作為研究碳類(lèi)納米材料的模型。這種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子表面由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形組成,由于其穩(wěn)定性可采用巴克明斯特•富勒發(fā)明的短程線(xiàn)圓頂結(jié)構(gòu)予以解釋?zhuān)惨虼吮幻麨榘涂嗣魉固?#8226;富勒烯,簡(jiǎn)稱(chēng)富勒烯或巴基球,由于其外形酷似足球,因而也稱(chēng)之為足球烯。

    富勒烯的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常廣,包括醫(yī)藥品、潤(rùn)滑劑、半導(dǎo)體以及能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。預(yù)計(jì)大概在兩年內(nèi)就會(huì)在全世界出現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)。

    盡管自1985年富勒烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái),科學(xué)家已經(jīng)對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究,了解得比較充分,但人類(lèi)對(duì)它釋放到環(huán)境中后可能產(chǎn)生的影響卻知之甚少,因?yàn)樗壳斑沒(méi)有正式投入工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生管理局(OSHA)現(xiàn)在的要求,應(yīng)該按照處理炭黑的方法來(lái)處理富勒烯,不過(guò)炭黑很像石墨,但其屬性與富勒烯卻相差甚遠(yuǎn)。

    福特納說(shuō):“富勒烯幾乎不溶于水,但大多數(shù)生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)都是基于水的,研究人員過(guò)去認(rèn)為富勒烯的這種特性使它無(wú)法通過(guò)水來(lái)運(yùn)輸,并認(rèn)為它會(huì)很容易吸附于土壤和其它有機(jī)物,但研究卻顯示事實(shí)并非如此。當(dāng)富勒烯與水接觸時(shí),它們會(huì)形成納米級(jí)的集合體,我們把它叫做‘納米-C60’!

    在過(guò)去的研究中,科學(xué)家已經(jīng)了解了像富勒烯這樣的結(jié)構(gòu)如何在水中聚集到一起形成更大的顆粒,而新研究則第一次揭示了影響這類(lèi)聚合顆粒大小的因素。在研究中,福特納和他的同事發(fā)明了多個(gè)新穎的成像技術(shù),研究水與有機(jī)溶劑四氫呋喃(THF)混合液中的納米-C60的物理和化學(xué)組成。研究人員使溶液樣品凝固,并使用低溫透射電子顯微鏡(cryoTEM)對(duì)其切片進(jìn)行檢查從而確定顆粒大小不同所產(chǎn)生的影響。

    研究人員利用核磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn),所形成的納米-C60顆粒的直徑是20-500納米,屬性與C60分子相同。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義重大,因?yàn)镃60是可回收的,所以富勒烯的生產(chǎn)加工也有望成為可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。此外,電子與粉末衍射試驗(yàn)顯示,納米-C60有特殊的晶狀結(jié)構(gòu),這些發(fā)現(xiàn)對(duì)過(guò)去的研究做出了補(bǔ)充。

    研究人員還發(fā)現(xiàn),改變混有C60的水的酸堿度會(huì)影響顆粒的大小。更高的堿性,比如pH值為9,就會(huì)得到比較小的顆粒;而更高的酸性,比如pH值為5,就會(huì)得到比較大的顆粒。而且,C60與水混合的速度也會(huì)影響形成顆粒的大小,較慢的混合速度會(huì)產(chǎn)生更大的顆粒。福特納說(shuō):“該研究第一次報(bào)告了通過(guò)這些參數(shù)控制的顆粒形成過(guò)程!

    研究人員還檢驗(yàn)了這些顆粒在有其它離子存在的水中的穩(wěn)定性,納米-C60顆粒由于表面帶負(fù)電可以懸浮在水中,當(dāng)加入高濃度的其它離子,比如溶入氯化鈉后,納米-C60顆粒表面就會(huì)呈現(xiàn)電中性,沉到溶液底部。

“我們的工作建立在環(huán)境工程學(xué)過(guò)去的研究之上,我們想知道納米-C60在不同自然環(huán)境條件下的集合形式!备L丶{說(shuō):“在實(shí)驗(yàn)室中,科學(xué)家一般會(huì)使用去離子化的水,但這卻不是自然條件,水中一般多少都有鹽的存在,即使在地下水中也是如此。我們發(fā)現(xiàn)在正常鹽濃度的地下水中,納米-C60顆?梢詰腋(shù)月,然而在相似的海水中,這些顆粒就會(huì)變?yōu)橹行,在?shù)小時(shí)內(nèi)下沉成為一團(tuán)!辈贿^(guò)研究人員還不完全了解這一現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。

    福特納說(shuō):“我們還只是建立了一個(gè)概念模型,還沒(méi)有把自然環(huán)境中所有不同與不確定的因素考慮進(jìn)去。我們的研究還只是在特定環(huán)境下得到的初步數(shù)據(jù)!

    能夠在納米工業(yè)處于起步階段就開(kāi)始研究其污染問(wèn)題,福特納等人可謂眼光獨(dú)到。實(shí)際上,科學(xué)家在改善人類(lèi)生活,不斷創(chuàng)造新技術(shù)的同時(shí),更有責(zé)任保護(hù)人類(lèi)免受新技術(shù)可能帶來(lái)的危害。防患未然,對(duì)可能產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行全面的評(píng)估,是保障新興產(chǎn)業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵。
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