纳米技术的研究进展及在化生防护中的应用

2018-01-28李江存江丁洋梁婷王悦严坤杜镇潇

科技资讯 2018年19期

李江存江丁洋梁婷王悦严坤杜镇潇

摘要：纳米技术被提出以后，世界各国纷纷重视起来，都认为其大有发展前景。因此，加大投入力度，在一些领域有了突破性的进展，并且应用到了相应的领域，尤其是纳米医学、纳米光纤、纳米碳管、纳米光催化等的发展比较突出，在化生防护中更具有其独特的潜质。纳米材料作为生物传感器的固定材料或载体，可以使生物传感器的灵敏度、检测范围、重复性得到明显增强；“纳米布”可用于研制防护服等个人防护装备；利用纳米技术制备的洗消剂，能明显改善杀毒杀菌效果，而纳米自清洁涂料则可实现自洁净功能。

关键词：纳米技术化生防护研究进展

中图分类号：R187 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（a）-0075-02

纳米技术，是指在0.1～100nm的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术[1]。纳米材料不同于传统材料，单分子的性质使其具有量子尺寸效应、表面效应，从而使纳米材料具有特异的光、热、声、力、化学和生物学性能，并且被广泛运用到了材料学、物理学、化学、医学、环境科学、生命科学、生物工程和宇航等方面。本论文主要论述纳米技术的研究进展以及在化生防护中的应用。

1 国内外纳米技术研究领域及进展

1.1 纳米医学

纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状况等科学技术。从不同程度上来说，人们将从分子水平上认识自己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，达到改善人类整个生命系统的目的。

生物医用纳米材料在医学领域被广泛用作功能性基本材料，临床上目前已经应用的有人工骨、人工齿和骨内固定材料等。纳米生物医用高分子材料也得到了很好的发展，它已逐步应用于血清消毒、免疫分析、介入性诊断、肿瘤药物靶向、作为转基因载体等。此外，纳米药物载体和纳米医学诊断也有了突破性的进展。近几年发展成熟的纳米药物载体主要有：壳聚糖、聚乳酸-羟基乙酸、固体纸质纳米粒等[2]。

在纳米医学上还存在如何得到可靠的纳米载体、更准确的靶向物质、更有效的治疗药物、更灵敏和操作更方便的传感器，以及包括载体在体内作用机制的有效测试与分析方法等一系列的问题还需要进一步研究解决。

1.2 纳米光纤

国内对光纤的高非线性的研究主要集中于对光子晶体光纤的研究，但是这项技术的研究在技术上受到国外的限制，阻碍了我们对基于光纤高非线性的应用的研究。 2017年研究人员通过调整结构参数精心设计一种多层介质薄膜来支撑聚合物纳米光纤，借助多层薄膜的光子带隙来阻止纳米光纤中光信号的泄漏。在该多层介质薄膜上，极细纳米光纤完全可以传输光信号，其传输模式为一维布洛赫表面波（BSW-1D）模式，突破了我国在这一领域的技术难关[3]。

1.3 纳米碳管

纳米碳管是一种新型的具有完整分子结构的碳材料，在结构上具有特殊的中空管状构型、良好的导电性、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的空隙、以及交互纏绕可形成纳米尺度的网络结构等优点，是作为新能源开发、极佳传导介质和制备复合材料的研究重点。

2016年美国威斯康星大学材料学家成功研制出1英寸大小碳纳米晶体管，首次在性能上超越硅晶体管和砷化镓晶体管，真正实现了纳米碳管在传导介质中的微小化，使我们认识到了纳米技术的特殊潜力[4]。纳米碳管复合材料已经渗透到电化学传感器应用、载药微球应用、印迹吸附材料应用和人工肌肉等多个方面[5]。

1.4 纳米污染治理

在纳米污水处理中，利用纳米材料的吸附能力，能将污水中悬浮物吸附并沉淀下来，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置，有效驱除水中的铁锈、泥沙以及污染物，该技术在医学领域血透中也已开始应用。利用纳米材料的催化功能，纳米TiO2能有效处理80余种有毒化合物，将这些有毒的化合物完全氧化为CO2和H2O等无害物质。此外，可以应用纳米TiO2加速城市垃圾的降解，其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。利用纳米光催化技术结合大气与环境科学进行污染气体治理，推动了我国在纳米污染治理的进程[6，7]。

1.5 其他领域及进展

纳米技术在军事上可以用来制造微型武器，能够像士兵一样执行各种军事任务，如太空中的“麻雀卫星”、空中的“蜜蜂飞机”和地面的“蚂蚁士兵”等；纳米生物学通过研究在纳米尺度上的生物过程，可以用来固定大量蛋白质，甚至是酶，从而进一步控制生化反应。此外，纳米技术在航天航空领域也应用广泛，近年已被用到发动机的陶瓷部件、纳米卫星、航天飞机表面阻热材料等方面[8]。

2 纳米技术在化生防护中的应用

2.1 纳米化生传感器

传感器在化生侦查装备中有着至关重要的作用，它是构成装备的核心器件。纳米传感器与传统的传感器相比具有尺寸小、精度高等性能，在丰富了传感器理论的同时，也拓宽了传感器的应用领域。

化学传感器方面，美国圣迪亚实验室成功研制出一种表面巨大、具有完全规则纳米结构的超薄涂层，孔隙被设计成可以允许一定尺寸的分子通过。这种超薄涂层可以用作化学传感器，检测分子的灵敏度比普通的传感器材料要高出几百倍。此外，还有人在开发一种具有活性孔隙的纳米材料，孔隙可以随条件不定向变化开闭，可用作战场毒剂剂量检测装置，很大程度上解决了战场形势[9]。

纳米材料作为生物传感器的固定材料或载体，可以使生物传感器的灵敏度、检测范围、重复性得到明显增强，在生物传感器改进方面具有重要的应用价值。金纳米粒子具有表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特点，因为其表面原子配位不足，失电子现象严重，对于生物大分子有很强的吸附能力，能更加高效地固定生物大分子，因此可用于设计和研制各种具有特定功能的生物传感器。纳米金溶胶技术能使组装表面上的蛋白质和酶保持稳定的生物活性，也使其保持稳定的性质。目前较为成熟的是免疫胶体金技术。

2.2 纳米材料在个人防护装备的应用

将纳米技术应用到个体防护装备有两种途径，一种方法是将纳米颗粒添加到纤维材料中而制成面料，另一种是将纤维材料直接制成纳米纤维，然后再编织成“纳米布”，可用于研制防护服等系列个人防护装备。化生防护服通常采用第二种方法。美国开发明了用于服装的纳米纤维材料，利用这种低密度、高孔隙度和大比表面积纳米纤维材料制成的多功能防护服，具有可呼吸性，既能挡风、过滤细微粒子也对化生有毒物进行阻挡与过滤，也能允许汗液的挥发与扩散，穿着十分舒适。此外，美国还在研究纳米材料随环境变化的敏感性，利用纳米材料制成能释放生物和化学武器解毒剂的军装和面具，使士兵能在受到生物武器和化学武器污染的战场上行动自如[10]。

2.3 纳米化生洗消

洗消的对象主要包括人员、装备和工程设施。利用纳米技术制备的洗消剂，能明显改善杀毒杀菌效果，而纳米自清洁涂料则可实现自洁净功能。

利用纳米光催化技术可有效破坏有机物或微生物的结构。研究结果显示半导体光催化技术在军用毒剂消毒领域有广阔的应用前景，可用于染毒水的消毒、毒剂销毁、以国防工程为代表的一些内部和战地染毒空气的进行消毒等[11]。

纳米材料由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。利用纳米技术研制开发的纳米TiO2在紫外光照射条件下，表面结构发生变化而具有超亲水性，阻止紫外光照射，数小时或几天后又回到疏水性状态，再用紫外光照射，又表现出超亲水性。镀有纳米TiO2的表面因为其超亲水性，使油污不易附着，即使有所附着，也是和外层水膜结合，在外部风力、水冲雨淋及自身重力作用下能自动从涂层表面剥离，从而达到防污和自清洁的目的。太阳光中的紫外线足以维持纳米TiO2薄膜表面的亲水特性，从而使其表面具有长期的自洁去污效应。这一特性可广泛应用于防护装备表面涂层，使其具有自洁净功能，从而达到在战场上长时间防护的效果[12]。

3 结语

目前，纳米技术研究仍处在起步阶段，还没有获得重大的、突破性进展，还没有达到真正全面实用的水平，尤其是纳米技术在化生防护中的应用依然很少。总而言之，纳米技术在今后一定会推动防护装备向小型化、智能化、精密化和更加多功能化发展。

参考文献

[1] 沈健.纳米技术进展研究[D].中南大学，2002.

[2] 赵航，李燕，阎雪莹.医用智能化纳米技术的研究进展[J].黑龙江医药，2015（6）：1186-1189.

[3] 叶瑞优.中美合作在纳米光纤中信号传输研究领域获进展[J].军民两用产品与技术，2017（7）：22.

[4] 聂翠蓉.碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管[J].低温与特点，2016，34（5）：31-32.

[5] 尚宏周，向俊男，赵敬东，等.碳纳米管复合材料的最新研究进展[J].应用化工，2017，46（3）：570-572.

[6] 孙静.纳米光催化大气污染控制技术研究与示范应用[R].中国科学院上海硅酸盐研究所，2017-02-03.

[7] 蔡卫权，李会泉，张壹姿，等.纳米催化技术用于空气净化[J].工程学报，2004，5（4）：58-61.

[8] 蘭敏华.纳米技术的军事运用[J].科学24小时，2008（10）：33.

[9] 裴晓亮.纳米科技在军事领域的应用[J].中国航天，2002（5）：26-29.