前面几章中我们介绍了关于纳米的基本知识、纳米技术与应用、纳米材料等方面的知识。那么,是不是关于纳米的故事就要结束了呢?其实不然,纳米世界就像人类的世界一样,我们生活中有的,它的世界也有,实际上它就是我们的世界。它与我们生活中的很多东西都有关系。
第一节清洁卫士——纳米技术与生活环境
纳米技术不仅能给人类的生活带来很大的方便,而且在治理让人头痛的环境污染方面也是很好的帮手!纳米微粒可以通过产品工艺及其产品本身,间接地使环境受益。
我们知道,纳米材料是在改进传统材料的基础上发展起来的。如果要生产更多的纳米材料就要更多的原材料,并且生产过程还需要消耗更多的能源,或者是会对环境产生一定的影响,然而纳米材料的生产并不会给环境带来什么坏的影响。
因为,纳米材料的生产不需要原材,并且还可以替代传统材料。纳米技术不但不会给环境带来影响,而且还可以加强环境保护并促进对污染的发现和治理。
随着社会的进步和科学的发展,目前,已经有很多的纳米微粒出现,并且它们各自有不同的特殊功能,也就是说人们可以根据微粒所具有的不同功能而对它们进行利用。例如,我们可以在人类以及动物体内有针对性地输送药物,或是在农作物体内有针对性地输送杀虫剂和化肥等。有针对性地输送,能够使我们以非常小的剂量完成一些工作,或者是解决掉一些问题。依此类推,我们也能在一些领域来减少化学品和材料的用量,从而起到保护环境的作用。
例如,在农作物上少用农药和化肥,在工业上少用一些有毒性的材料等。那么,纳米技术到底是怎么样来保护我们的环境的呢?
首先它能进行环境监测。这是纳米技术发展可能对环境(室内及室外环境)产生的一个比较重要的好处。它一个方面可以降低环境监测仪器的成本并提高其敏感度,甚至有的监测仪器的敏感度会比现有的仪器精确度要高数千倍甚至数百万倍。比如,用新的蛋白质纳米技术制作而成的传感器,可以探测到浓度大约千万亿分之一的汞,而这是目前的监测仪器根本无法实现的。另一方面,人类利用氧化铕(金属元素的一种)的纳米微粒已经研发了一种敏感度极高的方法,来测量一种名为阿特拉津的除草剂在水中的含量,这种杀虫剂经常会污染地下水。
另外,许多采用新纳米技术研制成功的监测仪器已经开始使用了,这些仪器可以同时测量一系列数量众多的污染物和有毒制剂。这样,它能够快速检测出污染源,使得我们能够迅速做出治理的反应,从而把污染产生的不良后果降到最低程度,还能够减少治理成本。
其次是它能修复污染。我们不仅能利用纳米技术来进行环境监测,而且还能利用纳米技术做出各种不同的解决方案。如果能从源头上减少或预防污染,或者是有毒物质的排放,就能够做到未雨绸缪。
但是,很多时候是要进行污染后的治理工作。根据这一需求,科学家研制出了一些能治理污染的方案,但只是部分性的。比如说以金属氧化物或金属纳米微粒形成的纳米结构的催化剂,可能会减少工业废气以及汽车尾气的排放。许多贵重金属的纳米微粒都可以和汽车尾气中有毒的一氧化碳发生氧化反应,从而形成危害性较小的二氧化碳。另外,在纳米范围内,其他的一些微粒也都表现出了它们治理污染物的能力。例如,二氧化钛的纳米微粒可以吸收光能,然后与周围的有机分子发生氧化反应。因此,它在工业上很受欢迎。人类可以利用这种光催化剂的特性生产各种涂层来吸收和氧化污染物,比如汽车尾气和工业生产排放的废气。另外,我们还可以利用这些特性来开发具有自我清洁功能的表层,例如通过捕获空气中的污染物颗粒从而使玻璃和墙壁具有自我清洁功能。
但是,这些只是在地表上能够使用的方法,对于被污染的地下水有没有办法来治理呢?答案是肯定的。有一些纳米结构的材料对地下水的清洁有很大的帮助。现在我们就能在市场上买到的过滤病原体以及其他杂质的纳米多孔膜,是一种能够清洁水的纳米材料。还有一些科学家建议用铁的纳米微粒做化学还原剂,从而使受了污染的地下水得到治理。纳米微粒具有很大的表面积,那么利用它的这个特性,含有磁性铁的纳米晶体就可以被用来去除饮用水中的砷。据有关报道,这种方法对饮用水中污染物的去除能力是标准去污技术的100多倍。
还有一个创新性的方法,即在氧化铁微粒的表面覆盖一层特定分子的涂层,这些分子能够有选择地与污染物的分子或离子相结合。然后在被释放到水里以后,这些涂层中的微粒就可以把污染物吸附到一起,因此我们可以利用一个磁场来聚集回收这些物质。
纳米技术不仅对我们生活的环境有改善的作用,而且对我们生活中所需要的能源也有改进的作用。它能够改变能源的生产、储存和消耗方式。一些纳米技术可以提高能源利用效率并减少二氧化碳的排放量,这主要包括生产燃料电池需要的纳米结构的催化剂、改进锂离子电池的电极材料、改进光电池中的纳米多孔硅和二氧化钛等。另外,在住房的窗玻璃上覆盖一层纳米光选择性的涂层可以减少能源消耗,同时还可以改善室内的空气质量。
所以说,纳米技术在节约资源方面还是具有很大潜力的。在生产阶段,纳米技术不像传统的生产过程那样需要很多的原始材料,并且不会对环境产生什么影响,这样就可以更有效地利用原材料,节约了成本和资源。另外,利用强度高、重量轻的纳米材料,还可以延长塑料等传统材料的寿命,并实现交通及其他领域的能源节约。例如,碳纳米管是一种分子级的碳圆柱,它具有的特性是原有的碳所不具有的,它有很高的强度、独特的导电性以及非常高效的导热性。因此,这种材料在电子学、光学和其他材料科学领域具有广阔的用途。另外,由于它的这些特性,它还有可能会被广泛应用到普通的消费产品中。
纳米技术给我们生活带来的这些好处,很快就被人们所接受和利用。但是,它毕竟是一个全新的领域,我们还需要在这个领域中继续探索、前进。它到底能给我们带来多大的利益,还是一个待解的谜。我们需要从整体对它进行评估。例如,许多纳米结构的材料虽然在使用过程中能够节约能源,但它们的生产过程却有可能耗费很多能源。
第二节隐形杀手——纳米细菌
我们听说过细菌,但是你听说过纳米细菌吗?它和我们说的细菌是同一类的吗?它是天然的还是人工合成的呢?其实,纳米细菌就是众多细菌中的一种,只是它的体积非常小,它通过滤菌膜的下限尺寸只有0.1~0.4微米。纳米细菌是革兰阴性菌,属于蛋白细菌类,呈球状或球杆状,细胞壁厚,无荚膜与鞭毛结构,直径只有0.2~0.5纳米。只有通过电子显微镜和其他的高分辨率的显微镜,如原子显微镜才能发现它的存在。它的个头很小,但是它的生命力很顽强,在高温、强酸等条件下仍能存活。不过,纳米细菌不能用普通微生物培养液进行培养,需要用细胞培养基培养。
生物学家通过对纳米细菌的研究发现,健康人类血清中的纳米细菌以复合碳酸钙为主要成分,它不包含DNA或RNA。因此,推断它不是以生物方式生成的。关于这个说法,之前也有人做过相关的研究,但是没有给出纳米细菌的化学构成。然而,此次的研究结果提出了一个纳米细菌生长的化学模型。通过观察,纳米细菌在PH值7.4的生理性钙磷浓度中能形成羟磷灰石碳酸盐结晶,并且会产生坚硬的钙化外壳,覆盖在菌体的周围。因此,人们能通过改变碳酸钙沉淀所需的基质,去控制纳米细菌生长的速度和形状。另外,科学家还发现,羟磷灰石只在特定状态下,比如与抑制晶体生长蛋白质混合时,才聚集在纳米细菌周围,说明羟磷灰石并非纳米细菌生长所必需。这也使得纳米细菌的生长变得扑朔迷离起来。
纳米细菌能感染细胞,发生细胞内外钙化,并且还具有明显的促成核作用,同时它会分泌一些细胞毒素及细胞因子(如内毒素、脂糖、白细胞介素等),从而引起被感染细胞的死亡。另外,纳米细菌比较难分裂、染色和固定,并且没有尿激酶和碱性磷酸酶活性。如果把它放在室内有大量射线进行照射的条件中,l6小时之后,就能抑制它的生长。
另外,纳米细菌还与一些疾病有关系。近年来它被认为与肾结石、胆囊结石、动脉粥样硬化等病理性钙化疾病的发生有一定的关系。
为什么会有这样的说法呢?它和这些疾病到底有怎样的关系呢?
据研究表明纳米细菌能触发细胞被吞噬,或者是细胞被非正常吞噬,从而引起细胞形成空泡,导致细胞可能发生非凋亡式的溶解。
另外,通过透射电镜扫描能够清楚地显示出,纳米细菌与肾磷灰石结石的结构单元在大小及形态学方面有很大的相似性,一般93.1%培养基中都存在着这种细菌。而且,由于纳米细菌具有独特的矿化能力,所以许多学者认为这种能力与骨骼外钙化性疾病存在着病因学关系。后来,有学者对此进行体外实验时发现纳米细菌能攻击某些纤维细胞,并发生细胞内外钙盐沉积,并且被感染的细胞还会出现核变性、核形态改变或细胞溶解等现象。纳米细菌和泌尿生殖系结石、多囊肾、多囊肝、钙化性主动脉狭窄、动脉粥样硬化、软化斑、硬皮病、关节炎、白内障、老年痴呆症、松果体钙化、肿瘤及其他一些人体内组织的病理性钙化和硬化的发生、发展有密切的关系。
那么,纳米细菌是怎样导致这些疾病产生的呢?经过相关专家的不断研究和探索,总结出以下几个方面的致病原因。首先是人体内存在着大量纳米细菌感染;其次是人体自身难以将纳米细菌彻底清除;再次是基因和环境因素增强了纳米细菌的致病性。纳米细菌并不和其他的菌种一样,在很久以前就存在,它是近20年来新发现的一个菌种,它具有直径小和矿化能力强的特点,并且它还能粘附、侵入、损伤肾集合系统的上皮细胞,形成细小的钙磷结石。
由于纳米细菌具有独特的生理特征,目前对它的研究比较少。
而它在许多疾病的发生、发展过程中起着重要的作用。并且,其中的大部分疾病还是人类健康的主要杀手,肾结石是其中最常见的疾病与多发病。因此,要想解决这些病症,必须先要弄清楚纳米细菌的主要致病原因。由于还没有更多、更深层次的探索,所以这还需要人类在纳米细菌上做更多的研究。我们相信在不久的将来,人们一定能够确定纳米细菌的病因。因为只有这样,才能为这些疾病的预防与治疗提供新的、简单有效的方法。
第三节能屈能伸——纳米塑料
塑料是我们接触最多的物质,我们平时穿的鞋子,用的餐具以及使用的脸盆等许多都是用塑料制造而成的。但是,这些塑料都不耐用,容易破碎以及变型等,并且还不耐高温和火热。不过,在纳米技术出现以后你就不用再为它的这些缺点烦恼了。新型的纳米塑料将为我们解决这些烦恼,让平凡的塑料变成金刚之躯。
那么,到底纳米塑料是什么东西呢?为什么会有这样特殊的功能呢?它其实就是一种高强度、不老化的新型塑料,又被称为是工程塑料。它的硬度比钢还硬,密度却只有钢的1/4,这也就是说它的重量比较轻。
纳米塑料是21世纪最理想的工程材料,它的功能和结构十分适合工程需要,它可以被用来造船、制造汽车、制作战争武器、宇航材料以及建筑机械等,也可以用于微电子产业的元器件的封装材料。因此,它能够代替钢材、铝合金等金属材料。
那么,纳米塑料是怎么来的呢?其实,它只是在传统的塑料中添加了一种天然纳米材料所构成的,那么这种天然的纳米是什么呢?
它就是“蒙脱土”,主要成分是蒙脱石,由两层Si-O四面体和一层Al-O八面体,组成的层状硅酸盐晶体,层内含油阳离子,如钠离子、镁离子、钙离子等,将这种天然的纳米材料分散到聚合物中,就能形成新型的塑料——纳米塑料。
纳米塑料的物理性能非常优越,它的强度高、耐热性好、比重较低,与传统的塑料相比具有非常优良的性能。另外,由于纳米粒子的尺寸比可见光波的还要小,因此纳米塑料又能显示出良好的透明度和光泽度。在纳米塑料中,由于氧气的透气率较低,所以它又具有良好的阻燃性。因此它能应用于高性能管材、汽车以及机械零部件、电子、电气部件等方面,也是用于啤酒灌装、肉类和奶酪制品的包装材料。
由此我们能够全面了解到纳米塑料的优越性能和广泛应用。它的出现是新科技取代传统工业的标志,不仅使原材料的性能和结构发生了变化,提高了产品的强度和耐用性,还增加了抗菌、防尘、防静电等新的功能,为现代人的生活带来了极大的方便。