纳米科技及其在地学上应用

汤 倩，张 燕，王 钜

有色金属华东地质勘查局-地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏 南京 510027

1 概述

纳米科学技术（nano scale science and technology）作为新兴的学科[1]，在人类社会进入世纪之交的关键转变年代，在世界范围兴起，发展迅速，前景诱人，国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体，又逐渐认识到原子，分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元，原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年，著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德·费曼说：“如果有一天可以按人的意志安排一个原子，将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒，并把它作为基本构成单元，适当排列成一维的量子线，二维的量子面，三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性，所以有着广阔的应用前景。钱学森指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。”[3]

1.1 基本概念

纳米（Nanometer）又称毫微米，是一种长度单位。1纳米等于10-9m（十亿分之一米）。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜（TEM）能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会（JSPE）和国际生产工程研究学会（CIRP）联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技（Nanost）是一门在0.1nm～100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域（宏观和微观之间的连接区域）进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术，电真空技术，扫描隧道显微镜及加工技术，等离子体技术和核分析等各种技术领域，是一门综合性的新兴科学技术。

1.2 纳米科技的发展历史

纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段，探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。

1）孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年，胶体化学诞生之日，对粒径约（1～100）nm的胶体粒子开始研究，但由于受研究手段限制，发展缓慢；

2）探索研究阶段。30年后，1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开，同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术，在经过30年的曲折道路，终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6]；

（3）应用阶段。1993年，开始进入蓬勃的发展时期，20世纪末获得许多成果，达到预期目标可能还要经历10～20年的努力。

1.3 纳米固体的基本特征

纳米固体的重要特征，决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6]：

1）表面与界面效应。纳米微粒尺寸小，表面积大，所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm，将迅速增加表面原子的比例，当粒径降到1nm时，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多，使得这些原子易与其它原子相结合而稳定，具有很高化学活性，表面吸附能力强，扩散系数增大，塑性和韧性都大大提高；

表1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系

2）小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，电，光，磁，声，热力学等特征均会出现小尺寸效应；

3）宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义；

4）量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能，磁能，热能，静电能，超导态或光子能量的凝聚能时，就导致纳米微粒磁，热，声，光，电以及超导电性与宏观特征显著不同，称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。

表面界面效应，小尺寸效应，宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征，它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。

2 纳米科学研究的分析手段

具有原子分辨率的扫描隧道显微镜（STM），高分辨透射电镜（HRTEM），和原子力显微镜（AFM）等手段[7-9]能直接观察出纳米固体，纳米微粒，和纳米结构特征。

1）扫描隧道显微镜（STM）

扫描隧道显微镜（STM）具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ，如金属硫化物研究。

2）高分辩透射电镜（HRTEM）

高分辩透射电镜（HRTEM）空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分，形貌，结构的综合研究。如金属硫化物，硅酸盐矿物，矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。

3）原子力显微镜（AFM）

以扫描隧道显微镜（STM）为基础发展起来的原子力显微镜（AFM）

能探测针尖和样品之间的相互作用力，达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像，又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物，胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积，以及天然纳米微粒形状。

3 纳米科技理论在地学上的应用

纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学，纳米矿床学和纳米矿物学。

3.1 纳米地球化学

纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布，分配，集中，分散，迁移规律，以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动，探测石油，天然气，金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式：传统观念认为，温度越高，化学活性越大，元素的迁移能力越强，反之活性就越小，越不容易迁移。为此，作为化学性质很不活泼的金，在较低温度下，理应活性很小，溶解度偏低，很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑，就不难理解了。纳米科技理论认为，当物质的粒度达到纳米级时，由于颗粒极其细小，表面积很大，例如SiO2，其粒径从36nm减少到7nm时，其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面，使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多，吸附能力增强，熔点变低，物化性质发生改变。成岩成矿温度低，因而使元素具有低温活性。粒度越小，活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素，活性性质不活泼的元素，分散元素和在水中溶解度极低的元素，在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。

3.2 纳米矿床学

相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移，富集过程有了新的认识。传统理论认为，矿物质的运移以温差，压力差或浓度差为前提条件，而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体，而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合，在一定的温度条件下迁移到一定部位，经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为：源岩中的原子态金只要达到纳米级，其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散，迁移合富集成矿。目前为止，地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论，现在看来，很有可能是纳米级的金自身扩散，迁移，吸附的结果。这种聚集成矿作用，在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。

3.3 纳米矿物学

目前，由于科技的限制，人类对矿物学的认识，往往注重宏观矿物单体，聚合体的形态及有关特性，注重微观矿物成分及原子排列的情况，而对纳米矿物微粒，纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中，把矿物看成理想的晶体点阵，但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学，矿床学，构造地质学，地球化学等地质学科。

所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体，具有纳米尺寸的结构：

1）沸石，其内通道直径为13nm～113nm；

2）条纹长石、月光石、日光石，其晶间距为2nm；

3）膨润土、高岭土、海泡石，其层间距离为2nm等；

4）鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨，形成网状结构，其孔径直径为10 nm～100nm[13]。

目前，已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如：海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术，目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如，普通金的沸点为2966℃，而纳米相金则在700℃～800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。

4 结论

纳米科技的研究是国际当前的研究热点，它使人类在改造自然方面进入了一个新层次，即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM，STM，AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用，一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生，使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶，这将促进地质科学飞速发展。

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