中学理科教师应掌握的新型碳纳米材料及其应用

张玉勇

【内容摘要】纳米科学与纳米材料基础知识逐渐进入中学课堂，但大部分中学理科教师的纳米知识相对薄弱。本文通过对迅速发展的碳纳米材料知识的介绍，期待在中学教育中能引起广大师生对纳米知识的兴趣，使中学理科教师的职业发展得到进一步提升。

【关键词】中学理科教师 纳米教育 碳纳米材料 生物传感器

随着纳米技术的不断发展，纳米材料在各个领域的不断应用，纳米与我们生活的联系越来越紧密。在我国，“纳米”一词早已走进了中学课本，学生对这部分知识很感兴趣。然而，纳米科学是一个新的领域，大多数中学理科教师大学毕业年代较早，以前读书时学到的纳米材料与技术的知识相对较少，导致学生询问时出现窘境的情况时有发生。

我国《国家纳米科技发展纲要（2001-2010）》明确指出，要加强纳米科技人才培养，重视培养高质量人才，要从学校教育抓起。在一次面向深圳市三区六校高三理科生的调查中，针对“高中阶段，你上过几次有关纳米材料与纳米技术的理论课”这一问题，共发放问卷220份，收回有效问卷206份，回收率93.6%。调查结果如图1所示，只有近四分之一的同学上课次数在10次以上，几乎一半的同学上课次数不足5次。由此可见，中学教师向学生介绍纳米材料的次数是非常少的，远远不能满足社会发展对纳米教育的需求。因此，中学理科教师必须紧跟时代步伐，更新与纳米材料相关的知识，并将其融入到自己的教学实践中，激发学生的兴趣并培养他们的科学素养，使我们的教学始终保持旺盛的活力和足够的吸引力，在中学阶段就为高素质创新型人才的培养打下坚实的基础。

一、纳米印象

纳米是一个长度单位，1 nm=10-9 m。1nm大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的十万分之一。纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义的纳米材料是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸范围为1～100nm。在自然界中，我们能找到纳米尺寸的例子。人类工程学家发现，一个DNA分子的宽度约2.5纳米，长度最长可达1米，最小的病毒分子长度约25纳米；典型的蛋白质分子长约10纳米。我们的手指甲一秒钟大约长长一纳米。每年市场上新出现的纳米产品的数量以接近指数的速度在增长，有研究指出，2005年在美国市场上只有54种纳米产品，而到了2011年，就有1317种纳米产品可供消费者选择。纳米科技正以前所未有的速度快速进入人们的日常生活之中。

二、新型碳纳米材料

近三十年来，新型碳纳米材料已成为国际科学发展的前沿领域之一。在碳的几种同素异形体（金刚石、石墨、无定型碳、富勒烯和石墨烯）中，人们关注最多的是足球烯、碳纳米管和石墨烯。这三种碳的同素异形体因其在力学、电学等方面的优异性能而被人们寄予厚望。

1.足球烯

英国波谱学家克罗托、美国的科尔教授和研究原子簇化学的斯莫利教授在1985年发现了C60。C60是富勒烯的典型代表，是具有32个面的球状结构，由12个五边形和20个六边形组成，五边形互不连接，而是与五个六边形相接，每个六边形又与3个六边形和3个五边形间隔相接，碳原子位于顶角上。60个碳原子分布在60个全等顶点处，形成一个中空的笼子，外观酷似英式足球，所以又称足球烯。

2.碳纳米管

1991年日本的一个研究小组用理论计算的方法，预测了无限拉伸的管状结构物质的电子结构。同年，日本NFC公司电镜专家饭岛澄男博士发现了管状结构的碳原子簇，称为碳纳米管。从此，碳纳米管正式走向科研和应用的舞台，并因其奇特的性质吸引了大批的基础研究工作者进行研究。

3.石墨烯

石墨烯结构非常稳定，它是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯因为很薄，所以几乎是完全透明的。石墨烯特殊的电子结构、特异的电子性能和极好的电子运输能力，使其在高灵敏度检测领域具有独特的优势。

三、新型碳纳米材料在电化学生物传感器方面的应用

生物传感器（Biosensor），是近30年发展起来的一项新型的分析测量技术，对被分析物质具有特定的识别作用，并且能够将被分析物质的浓度转化为信号进行检测的装置。它是由具有分子识别能力的生物活性物质（如：酶、微生物、动植物组织切片、抗原或抗体、DNA等）与物理或化学换能器相结合而构成，是生物医学与电子学、工程学相互渗透结合的一种新型信息技术。

碳纳米材料由于其高的比表面积、较好的生物相容性和高表面反应活性，导致其吸附能力增强、表面活性位点增加、催化效率提高。足球烯、碳纳米管和石墨烯等被越来越多的科技工作者用来制作电化学生物传感器。碳纳米管的发现，在很大程度上丰富了碳材料的研究内容，引发了跨世纪的材料革命。

四、总结与展望

新型碳纳米材料是纳米材料的重要组成部分，蕴含着理论上的勃勃生机及实践上的无限潜力。通过对这部分内容的学习，希望对广大中学理科教师的职业发展起到一定的推动作用。提高公民的纳米科技素养，培养合格的纳米科技工作者，向全体公民普及纳米科普知识，使科技元素与我们的日常生活紧密融合，已成为广大教师义不容辞的责任。

（作者单位：广东省深圳市宝安中学）