纳米材料及其应用前景

纳米材料包含纳米粒子与纳米固体材料两层次，由于其具有特殊的尺寸和结构，导致了纳米材料拥有独特的表面效应、小尺寸效应和最子尺寸效应等特性，并且在化工产品、环保、医药、微电子、陶瓷等领域有广阔的市场前景。     

纳米地质学:地学领域革命性挑战

纳米科技是研究0.1~100nm粒级范围内物质特性的科学,纳米颗粒处于纳米尺度,具有表面与界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应等特殊的物化性质。纳米科技涉及地球科学的诸多领域,并在矿物学、岩石学、地球化学、构造地质学、能源地质学和矿床学等领域取得了重要进展。本文在总结、归纳前人的研究并结合作者最新研究结果的基础上,进一步提出了纳米地质学的概念:以纳米科学与地球科学为依托,以纳米技术与地学研究方法为手段,以固体地球物质为研究对象,对各种地质体中已知或有待探知的纳米颗粒和纳米孔隙进行深入研究,从而揭示地质过程中纳米效应与地质现象的关系及其规律的科学;系统地分析了纳米科技与地质学结合产生的各分支学科:纳米矿物学、纳米岩石学、纳米地球化学、纳米构造地质学、纳米能源地质学、纳米矿床学、纳米地震地质学和纳米环境地质学等;全面阐述了纳米地质学及纳米成藏成矿领域重大和前沿科学问题,并探讨了其发展趋势,由此指出,纳米地质学的兴起和发展将必然带来地学领域革命性的挑战。     

不同种类纳米零价铁的毒性比较研究

纳米零价铁是一种高效的环境修复材料,可以处理多种污染物;然而,纳米粒子的尺寸效应可能导致其在自然界中存在潜在毒性风险。选择几种常用包覆型、负载型和裸露的纳米铁,通过大肠杆菌的耐受性实验,比较3种纳米铁的毒性。研究表明,负载型纳米铁的分散性最好,而裸露纳米铁最差。3种纳米铁虽然对大肠杆菌都表现出毒性,但是负载型纳米铁的毒性最小。通过毒性减缓的机理分析,说明纳米铁改性后阻止了纳米颗粒与细菌的直接接触,这是空间位阻效应的作用。研究结果进一步证实了在使用纳米材料前应充分评估潜在毒性和环境效应的重要性。     

岩石中纳米粒子层的观察厘定及其地质意义

纳米粒子具有个体极小(≤ 100nm), 大小均一, 多元物质和功能繁多的特点。岩石剪切滑移面纳米粒子层最早发现于美国圣安德列斯断裂带的花岗质糜棱岩中, 后相继在国内外一些地区的不同岩类中观察到。在剪切滑动作用下, 具有圆度和球度的纳米粒子可被变异, 并形成层状结构和各种构造型式。对岩石中纳米粒子层的成因有着不同的观点, 我们倾向于剪切摩擦的主导作用, 纳米粒子层可称谓摩擦-粘性薄层带。纳米级尺度粒子的力学、物理和化学效应是多种的、新奇的, 因此, 岩石纳米粒子层的研究有着重要的理论和实践意义。目前有关方面的研究工作, 国内外都处在起步阶段。      

合成磷灰石的去氟机理研究

用固相反应法和sol-gel法合成了不同类型的磷灰石（AP），并采用TEM、XRD、IR、BET比表面积法及静、动态吸附等方法研究了不同AP的比表面积、结晶度、晶胞参数、结晶尺寸、晶格缺陷度、Ca/P摩尔比和煅烧温度等与吸氟能力的关系，结果表明：结晶度高、晶粒大的AP有较小的吸氟量，属表面单分子层化学络合吸附机理；酸活化的AP有较大的吸氟量，属溶解-沉淀与沉淀物表面纳米尺寸效应吸附的复合去氟机理；具纳米尺寸的HAP在常温、常压、无二次污染、小于11mg/L的低含氟浓度废水中且不酸化情况下有较大吸氟量，属纳米尺寸效应吸附机理。     

纳米矿物及其环境效应

纳米矿物作为连接原子/分子和块体矿物材料的桥梁,在建立矿物微观反应机制和宏观现象的研究中具有重要的意义.随着纳米地质学的迅速发展,纳米矿物在地表环境中的分布、存在形式及其反应活性引起了越来越多关注.综述了天然环境中常见的纳米矿物的成因、存在方式、特殊的尺寸效应、团聚行为、生物/非生物界面反应的分子机制,及其对地表环境和元素生物地球化学循环的影响;着重介绍了具有重要环境意义的纳米矿物与其对应的大尺寸矿物颗粒在吸附行为、溶解速率、团聚状态、催化活性、界面电子传递效率等方面的差异.对于纳米矿物与其对应的宏观矿物晶体之间差异的研究,有助于全面认识矿物对各种地质过程的作用,对于推动地球科学向更加微观和深入的方向发展具有极其重要的意义.      

Frens法合成纳米金的实验探索

<正>纳米金由于量子效应和表面效应,导致其与宏观对应物在物理化学性质上有很大差异。因为纳米金的特殊性质,人工纳米金被广泛应用于医疗、生物标记、催化等领域。纳米金已被证实天然存在,在卡林型金矿中发现了以黄铁矿作为主要载体矿物的纳米金(Reich et al.,2005)。目前卡林型金矿的成因以及纳米金在成矿过程中发     

纳米地质学：量子科学走进地质学的桥梁

纳米地质学是一门研究地质学中纳米尺度现象以及纳米物质的学科,其研究的尺度为1～100 nm。纳米尺度的物质应为宏观物质存在的最小不可分割单元。由于尺度极小,纳米级的物质表现出了很好的量子特性。量子具有很多神奇的现象,如量子纠缠等,这些现象在信息传递、数据处理等方面有着得天独厚的优势。由于纳米物质的量子现象,纳米地质学目前是量子科学应用于地质学最可能的媒介。目前研究表明,天然纳米级的物质(如矿物纳米颗粒)已经在各种地质体中发现,并且一些纳米尺度的地质体已经表现出了量子现象。这些研究结果为量子科学,尤其是量子纠缠进入地质学提供了坚实的物质基础,也为利用量子特性解决地质问题提供了可能。但是,不论是量子科学在地质学中的应用,还是纳米地质学都处于研究的初期,还有许多未知的纳米物质和纳米尺度的现象等待科学家们去发现和研究,进而才能使量子科学真正进入到地质学当中。     

pH值对纳米金在伊利石表面吸附的影响

<正>探索纳米粒子在矿物表面的吸附和沉积规律对研究纳米粒子的环境影响及纳米金属矿床成因有重要意义。纳米材料全球产量到2016年估计将高达44 267 t。这些纳米材料在生产、使用和排放过程中,可能会进入大气、水体和土壤等环境要素,对环境和人类健康造成潜在危害。纳米粒子在矿物表面的吸附和沉积会直接影响纳米粒子在环境中的迁移和归趋。另一方面,自然界中存在纳米贵金属矿床。例如在卡林型金矿中,存在以黄铁矿、毒砂和黏土作为主要载体矿物的纳米金。研究纳米金属矿物与载体矿物的相互作     

二氧化钛表面键合配位体固相萃取填料的制备及其吸附性能研究

有机配位体/无机纳米复合材料作为固相萃取填料用于重金属离子分离富集是当前分析化学研究的热点课题。本文将含有N、S配位原子的氨基硫脲通过缩合反应接枝于纳米二氧化钛表面,制备了一种新型纳米Ti O2/TSC复合固相萃取填料。通过红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱和扫描电镜表征,此填料与共混法制备的聚合物包覆纳米二氧化钛复合填料相比,二氧化钛粒子(尺寸200~300 nm)分布更均匀,结构更稳定。用该填料制备的固相萃取小柱静态吸附Sb3+、Cd2+和Ba2+在30℃时饱和吸附量分别为13.9mg/g、12.9 mg/g和11.2 mg/g,在优化的实验条件下三种金属离子的吸附回收率分别达到97.94%、95.65%和94.04%,实验数据重现性高(RSD5.5%),吸附性能优于聚苯乙烯-甲基丙烯醛-氨基硫脲包覆纳米二氧化钛和纳米二氧化钛两种填料。本填料结合ICP-MS测定水样中以上三种离子的检出限分别为0.061μg/L、0.013μg/L和0.075μg/L。     

关于纳米地球科学的一些思考

纳米科技是认识和利用纳米物质(至少一个维度具有"纳米尺寸",通常1～100纳米)的学科范畴。在学术界、政府和工业界的多重推动下,纳米科技的重要性已经凸显。2003年美国NSF/DOC提出21世纪四大科技(即纳米科技、     

纳米粒子的熔点与粒径的关系

推导纳米粒子的熔点与其粒径的定量关系, 并从热力学的角度阐明纳米粒子烧结过程的实质及烧结温度与粒径的关系.利用热力学及表面化学的有关理论, 虚拟固相和液相之间的相变过程, 根据相平衡条件, 将纳米粒子的熔点与粒径联系起来, 并以金属铅(Pb) 为例进行计算.结果表明, 纳米粒子粒径越小, 比表面自由能越高, 其化学势则比相同条件下的块状固体高很多, 导致其熔点和烧结温度大大低于同样材质的块状固体.以金属Pb为例, 通过熔点和粒径之间的定量关系计算的结果与实验结果吻合.因此纳米粒子的熔点和烧结温度与其粒径有关, 即粒子越小, 熔点和烧结温度越低.      

无机纳米颗粒在土壤中的环境效应与影响因素

纳米技术的快速发展以及纳米材料的广泛应用,使得以纳米颗粒形式存在的天然矿物及人工纳米颗粒归趋于土壤环境并在土壤中大量累积。其中无机纳米颗粒进入土壤生态系统后会改变土壤孔隙度及渗透系数,并可能与有机质等结合或相互作用从而影响土壤理化性质。无机纳米颗粒还可直接或间接作用于土壤动物及微生物,其中抑制效应为主,利用其尺寸效应和高反应性与微生物细胞以及信号转导小分子作用影响其生物活性或营养成分等,对微生物产生毒性或改变群落结构。同时,纳米颗粒特性、土壤理化参数(pH值、离子强度、含水量和矿物质、有机质含量等)及微生物群落等因素同样会影响无机纳米颗粒在土壤中的环境效应。本文系统阐述了无机纳米颗粒进入土壤生态系统后产生的环境效应,归纳无机纳米颗粒在土壤中生态效应的影响因素,并对纳米颗粒的生态效应研究提出了问题与展望。     

不同围岩强度下大直径嵌岩钻孔灌注桩 承载力尺寸效应的数值模拟

利用数值模拟的方法,通过模拟20种不同工况得到不同岩体和不同直径的大直径嵌岩钻孔灌注桩的桩侧和桩端阻力尺寸效应系数,分析开挖引起的天兴洲大桥直径达3.4 m嵌岩钻孔灌注桩极限承载力尺寸效应问题。结果表明,（1）围岩强度越小,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时,围岩在开挖过程中破坏明显,尺寸效应显著;当围岩强度大于10 MPa 时,围岩破坏不明显,尺寸效应明显减弱;（2）相同围岩强度下,桩径越大,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小,相比桩侧阻力,桩端阻力尺寸效应更明显,尺寸效应系数略小。（3）极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系。     

纳米氧化硅充填红黏土团粒内孔隙的收缩响应

红黏土易失水收缩开裂,不仅降低了其整体强度,还为雨水入渗提供了通道,加剧了其承载能力的弱化。因此,如何抑制红黏土收缩,成为解决问题的关键。纳米氧化硅颗粒尺寸极其细小,隶属纳米范畴。充分发挥纳米氧化硅的尺寸优势,以期纳米氧化硅微粒能够进入红黏土团粒内,抵抗红黏土的失水收缩行为。为此,选用不同干质量掺入比（纳米氧化硅:红黏土分别为0:100、2:100、3.5:100、5:100、6.5:100）,将纳米氧化硅混入红黏土后压实成型（干密度1.44 g/cm3和1.46 g/cm3）。比较压实红黏土-纳米氧化硅混合物的收缩特性与孔隙分布情况。试验发现,纳米氧化硅可以抑制红黏土的收缩行为;而且随着掺入量增加,其缩限值也逐渐提高。红黏土-纳米氧化硅混合物的表观形貌照片显示,纳米氧化硅掺量大于5%时,红黏土团粒内孔隙赋存有大量纳米氧化硅颗粒。同时,孔隙分布曲线还表明,分布于孔径0.03 ?m的孔隙明显减少,说明纳米氧化硅主要充填孔径大于0.03 ?m的孔隙。纳米氧化硅改善红黏土的收缩性属于物理方法,有别于石灰处治等化学方式,更具有环境友好的潜在优势。     

考虑围压对岩石强度尺寸效应影响的统计模型

根据岩石材料内部所含缺陷分布具有随机性的特点,基于Weibull分布,采用Mohr-Coulomb准则来表示岩石细观单元的计算强度,建立了考虑围压影响的岩石强度尺寸效应统计模型。利用该模型探讨了均质度和围压对强度尺寸效应的影响,结果表明:不均匀性是强度离散性和存在尺寸效应的根本原因,材料越均匀,强度值的离散性越低,而尺寸效应也越不明显;围压会影响材料强度对试样尺寸变化的敏感性;围压越大,材料强度增大,与尺寸效应有关的材料强度所占比例减小,材料强度尺寸效应变得不明显。     

纤蛇纹石石棉的纳米效应与生物活性

本文首次从纳米材料与纳米效应角度出发讨论了纤蛇纹石石棉的形态、表面结构、表面性质与生物活性的关系。结果表明,纤蛇纹石石棉属自然界产出的一种特殊的一维纳米丝状矿物,在形态、结构和表现性质等方面表现出纳米材料所具有一般特性,其中,形态上一寸及高表面化学活性构成了它的生物活性特征。纤蛇纹石石棉纤维对动物的危害,既具有一般纤维的危害性,又具有非晶质ＳｉＯ２的危害性。由于纤维的小尺寸效应和高表面活性而使生物     

基于改进投影覆盖法结构面粗糙度尺寸效应分析

研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面（2 m×2 m）尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:（1）形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;（2）对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;（3）不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。     

高岭石性质的尺寸效应

高岭石性质的尺寸效应陈国玺翁克难肖万生（中国科学院广州地球化学研究所，广州５１０６４０）关键词高岭石粒度纳米尺寸性质高岭石的层间距为０．７３ｎｍ。天然高岭石中虽然单颗粒片状晶体的粒径为２μｍ左右，但大部分组成叠片状集合体，几组叠片又可集合在一起组成更...     

华南武功山地区韧性剪切带的纳米尺度测量研究

在华南加里东造山带中段区域构造调查和中法合作研究的基础上, 对武功山地区从新元古代到中生代的韧性板劈理带、逆冲断层带、挤压片理带和拉伸构造带等多种构造类型的变形带, 就其超微观纳米粒子结构和动力薄膜进行了扫描电镜(SEM) 测量和新的探讨。 上述4类韧性剪切带的表层高应变域ab、ac组构面上均发现纳米粒子, 颗粒直径一般为50~90nm, 并因研磨滚动而形成磨粒(grinding grains)。 由纳米粒、纳米线和纳米层构成一套纳米微线理、面理和组构系统, 与宏观的线理和面理平行一致, 还可见到完好的超微SC面理和优选方位的纳米级应力矿物。 韧性剪切的所谓静态摩擦, 实际上是纳米界限层以微弱摩擦力推进滑移量(slippage)形成的平滑运动, 这种平滑运动是纳米级单体和复体磨粒滚动滑移所致。 本文从上述几方面揭示了韧性剪切带中纳米粒子存在的普遍性; 纳米结构与显微构造的可比性; 韧性剪切滑移机理的特殊性。 最后, 以区内韧性剪切带在地壳浅构造位异常发育的特点, 从一个方面讨论华南加里东构造带在系统动力学行为上的时间滞后性。