纳米技术 21世纪新产品诞生的源
一、神奇的介观世界
直到80年代，科学家们才惊奇地发现，在宏观与微观之间的纳米体系（介观）中，许多我们认为理所应当的性质都完全变了模样：在介观状态时，金属银竟会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；10-25nm的铁磁金属微粒，其矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。
进一步的研究证实，由于纳米材料尺寸小，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程短，电子的局域性和相干性增强。尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，量子尺寸效应十分显著，这便使纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。
随着物质粒径的减小，比表面积大大增加。粒径5nm的颗粒，表面占50％，粒径2nm时，表面的体积百分数增加到80％。庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，使纳米材料具有极强的吸附能力。这使得纳米粒子对于无论是促使物质腐败的氧原子、氧自由基，还是产生其他异味的烷烃类分子等，均具有极强的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能；还使纳米材料具有作为催化剂的基本条件。
二、巨大的应用价值
早在1959年，美国物理学家理查得范曼大胆地提出了一个设想：“如果有一天可以按照人的意志安排-个个原子的话，将会产生怎样的奇迹？”终于，在1989年，美国IBM公司的科学家实现了用单个原子排列写出IBM的商标，日本科学家用单个原子排列了汉字“原子”的字型。到了这时候，科学家们的热情也由最初的探索纳米颗粒制备方法和其不同于常规材料的特殊性能，转向了如何利用它的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料、设计纳米组装体系和纳米结构材料，并应用到各个领域中去。
让我们看看在轻工领域纳米材料的应用吧。
把金属的纳米颗粒放人常规的陶瓷中，可大大改善材料的力学性质；纳米Si203和SiO2粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性；放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性质；既不影响透明度又提高了高温冲击韧性；美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上；纳米氧化铝的悬浮液被用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光；纳米微粒加入油墨中可改善油墨的流动性，美国已出现了纳米微粒生产颜料的专利。
目前，由于需要树脂加碳黑来进行静电屏蔽，一般彩电等家用电器只能是黑色，被称为是黑色家电。日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽作用的纳米涂料，可以通过控制纳米微粒的种类来控制涂料的颜色。
金属纳米微粒为解决化纤制品静电问题提供了一条新途径。日本和德国已开发出了相应的产品。在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌作用，把银纳米微粒加人到袜子中去，可以清除脚臭味；医用纱布中放人纳米Ag粒子有消毒杀菌作用。
三、产品创新的好思路
具有如此广泛应用价值的纳米技术得到各国的一致肯定，纷纷投人巨资进行开发。人们普遍认为，纳米技术将是21世纪新产品诞生的源泉，纳米技术会引起新一轮的产业革命，必将推动生产力的发展，改善人类生活环境。
对传统材料的制造，如在陶瓷、塑料、玻璃等制造中运用纳米技术，使其性能根据需要进行不同程度的改善，并得到合理的性能／价格比，是纳米技术应用领域的一个重要方面。英国制定了一个很庞大的纳米材料发展计划，重点制备纳米氧化铝+纳米氧化锆，纳米氧化铝+纳米氧化硅，纳米氧化铝+纳米氮化硅等新型纳米复合陶瓷。美国、日本也投入了相当大的力量在将纳米材料添加到电子陶瓷研究方面。我国在1995年就开始了纳米添加到传统材料中改进功能的研究工作，有的已获得中试研究成果，总体研究水平处于国际前列。
让许多企业更感兴趣的是，通过纳米技术对传统产品改性并不见得非常昂贵，往往价格只是略有上升，但性能却要好得多。这意味着这样的产品更具有市场竞争力。
上述信息对于我国许多苦于无好项目、无好产品的企业来说，无疑是一大好消息。据了解，已有不少企业发现了这个很有市场前景的发展空间，正积极采取行动。更有一些敏感的企业已将一些成熟产品推向了市场：不少国产的无菌冰箱上用了纳米材料制成的抗菌塑料；深圳一家公司推出了包括了无菌餐具、无菌扑克牌在内的一系列纳米材料制作的产品；合肥纳米保健食品公司生产的纳米硒产品已通过鉴定......。
不难预见，纳米技术将会被越来越多的企业所接受，引起新一轮产品创新革命。
受到各国关注的新科技
日本在1974年底最早将"纳米这个尺度术语用到技术上,但是，以“纳米”命名的材料则出现在80年代，它作为一种材料的定义，把纳米颗粒限制在1一lOOnm范围。
事实上，人们对这一尺度范围纳米微粒在60年代初期由日本科学家首先在实验室制备成功，60年代的稍晚些时候德国科学家也在实验室获得纳米微粒。直到80年代，人们才意识到，其实在自然界早就有纳米微粒存在。科学家们发现，由几千个原子组成的纳米微粒，不同于宏观大分子，也不同于单个的原子和分子，它具有许多新的特性，是人类从未探索过的非宏观非微观的萨尔兰大学的格莱特教授以及美国阿贡实验室的席格尔相继以纳米微粒作为结构单元成功地合成了纳米块体材料。令人振奋的是，他们得到的纳米氟化钙离子晶体和纳米二氧化钛陶瓷材料在室温下表现出了良好的韧性甚至在1800C经受弯曲时而不产生裂纹。这一突破性的进展，使那些为陶瓷增韧奋斗了近一个世纪的材料科学家看到了希望。英国著名材料科学家卡恩在《自然》杂志上撰文说：纳米陶瓷是陶瓷脆性的战略途径。1989年有文献又提出了纳米结构材料的新概念，它包括零维、二维和三维材料。在这个时期，国际上把1一lOOnm的技术加工的公差作为纳米技术的标准。1990年在美国巴尔的摩召开的第一届纳米科技会议上统一了概念，正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式刊物。从此，这些术语广泛应用在国际学术会议、研讨会和协议书中,人类对于这种介于原子、分子和宏观物质之间的纳米技术研究成为国际科技的一大热点。
从那时起，纳米技术的发展引起世界国际组织的极大关注，其中，欧盟委员会在1995年的一项研究报告中预测：国际纳米技术市场价值10年内将达到400亿英镑(约900亿美元)。纳米技术也受到世界各国的重视，特别是美国、日本、德国和英国等发达国家和地区，都不惜巨资进行研究开发。以谋求在国际竞争中处于主导地位。我国1997年评选的十大新闻中, “我国科学家成功地用纳米材料制成了计算机元件”就占了其中的一条。
纳米技术也引起我国政府科学界及社会各界的重视和关注。80年代末,我国政府把纳米技术列入国家“攀登计划”和国家“重大攻关项目”，并委托科学院等一些科研机构、大专院校通过召开纳米技术专门会议，制定计划、部署方案、调拨资金等大规模进行纳米技术研制工作。我国从90年代初开始申请纳米材料的专利，90年代中期形成了高潮。目前有关纳米材料的专利有几十个，大部分都集中在研究所和大学。1997年以来，我国纳米材料的应用出现可喜势头，大的集团公司已经开始介入纳米材料和纳米技术的开发。据不完全统计，全国已有7条纳米材料的生产线已经投入或正在开发之中。目前，纳米材料还被列入S-863计划范围，纳米材料在研究和应用领域里的开发正蓬勃展开。
纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用
随着我国工业的飞速发展，环境污染问题日益突出，一些洗涤剂厂、食品厂、化工厂、造纸厂的有机物废水排放受到环境保护法规的制约，面临严峻考验。
目前国内常用的有机物废水处理技术难以达到有效的治理：物理吸附法、混凝法等非破坏性的处理技术，只是将有机物从液相转移到固相，如何解决二次污染问题，使吸附剂、混凝剂再生是一难题。而化学、生化等处理技术虽是破坏性的，但除净度低，废水中的有机物的含量仍远远高于国家废水的排放标准。
与上述方法相比，纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势?无二次污染，除净度高。它的制造成功无疑为该项目的研究注人了生机。此纳米材料具有以下优点：
具有巨大的比表面积，因而具有与废水中有机物更充分的接触，可将有机物最大限度地吸附在它的表面；
具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。
采用这种表面活性很强的纳米二氧化钛作为光催化剂，可望利用更经济的太阳辐射源来替代紫外汞灯电源。该技术以其特有的广泛的适用性、较强的降解效率，日益引起各国环境科学和材料科学工作者的日益关注。
据报道，日本石产业公司与一家大型工厂率先开发利用二氧化钛的光催化作用建立了一个新型的废水处理系统，用于降低废水中的COD和BOD。国内浙江农大等单位利用二氧化钛的光催化活性降解久效磷农药废水。中科院一研究所采用纳米二氧化钛粉末，利用太阳光进行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸纳水溶液的实验获得成功，在多云——阴天的条件下，光照12小时，浓度为0.5mmol／1的苯酚已降解为零，浓度为lmmol／1的十二烷基苯磺酸钠也基本降解。初步表明，这是一项极有前途的实用性水处理技术。