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第10章 清洁卫士——纳米技术与生活环境

前面几章中我们介绍了关于纳米的基本知识、纳米技术与应用、纳米材料等方面的知识。那么,是不是关于纳米的故事就要结束了呢?其实不然,纳米世界就像人类的世界一样,我们生活中有的,它的世界也有,实际上它就是我们的世界。它与我们生活中的很多东西都有关系。

纳米技术不仅能给人类的生活带来很大的方便,而且在治理让人头痛的环境污染方面也是很好的帮手!纳米微粒可以通过产品工艺及其产品本身,间接地使环境受益。我们知道,纳米材料是在改进传统材料的基础上发展起来的。如果要生产更多的纳米材料就要更多的原材料,并且生产过程还需要消耗更多的能源,或者是会对环境产生一定的危害,然而纳米材料的生产并不会给环境带来什么坏的影响。因为,纳米材料的生产不需要原材,并且还可以替代传统材料。纳米技术不但不会给环境带来影响,而且还可以加强环境保护并促进对污染的发现和治理。

随着社会的进步和科学的发展,目前,已经有很多的纳米微粒出现,并且它们各自有不同的特殊功能,也就是说人们可以根据微粒所具有的不同功能而对它们进行利用。例如,我们可以在人类以及动物体内有针对性地输送药物,或是在农作物体内有针对性地输送杀虫剂和化肥等。有针对性地输送,能够使我们以非常小的剂量完成一些工作,或者是解决掉一些问题。依此类推,我们也能在一些领域来减少化学品和材料的用量,从而起到保护环境的作用。例如,在农作物上少用农药和化肥,在工业上少用一些有毒性的材料等。那么,纳米技术到底是怎么样来保护我们的环境的呢?

首先它能进行环境监测。这是纳米技术发展可能对环境(室内及室外环境)产生的一个比较重要的好处。它一个方面可以降低环境监测仪器的成本并提高其敏感度,甚至有的监测仪器的敏感度会比现有的仪器精确度要高数千倍甚至数百万倍。比如,用新的蛋白质纳米技术制作而成的传感器可以探测到浓度大约千万亿分之一的汞,而这是目前的监测仪器根本无法实现的。另一方面,人类利用氧化铕(金属元素的一种)的纳米微粒已经研发了一种敏感度极高的方法,来测量一种名为阿特拉津的除草剂在水中的含量,这种杀虫剂经常会污染地下水。

另外,许多采用新纳米技术研制成功的监测仪器已经开始使用了,这些仪器可以同时测量一系列数量众多的污染物和有毒制剂。这样,它能够快速检测出污染源,使得我们能够迅速做出治理的反应,从而把污染产生的不良后果降到最低程度,还能够减少治理成本!

其次是它能修复污染。我们不仅能利用纳米技术来进行环境监测,而且还能利用纳米技术做出各种不同的解决方案。如果能从源头上减少或预防污染,或者是有毒物质的排放,就能够做到未雨绸缪。但是,很多时候是要进行污染后的治理工作。根据这一需求,科学家研制出了一些能治理污染的方案,但是,只是部分性的。比如说以金属氧化物或金属纳米微粒形成的纳米结构的催化剂,可能会减少工业废气以及汽车尾气的排放。许多贵重金属的纳米微粒都可以和汽车尾气中有毒的一氧化碳发生氧化反应,从而形成危害性较小的二氧化碳。另外,在纳米范围内,其他的一些微粒也都表现出了它们治理污染物的能力。例如,二氧化钛的纳米微粒可以吸收光能,然后与周围的有机分子发生氧化反应。因此,它在工业上很受欢迎。人类可以利用这种光催化剂的特性生产各种涂层来吸收和氧化污染物,比如汽车尾气和工业生产排放的废气。另外,我们还可以利用这些特性来开发具有自我清洁功能的表层,例如通过捕获空气中的污染物颗粒从而使玻璃和墙壁具有自我清洁功能。

但是,这些只是在地表上能够使用的方法,对于被污染的地下水有没有办法来治理呢?答案是肯定的。有一些纳米结构的材料对地下水的清洁有很大的帮助。现在我们就能在市场上买到的过滤病原体以及其他杂质的纳米多孔膜,是一种能够清洁水的纳米材料。还有一些科学家建议用铁的纳米微粒做化学还原剂,从而使受了污染的地下水得到治理。纳米微粒具有很大的表面积,那么利用它的这个特性,含有磁性铁的纳米晶体就可以被用来去除饮用水中的砷。据有关报道,这种方法对饮用水中污染物的去除能力是标准去污技术的100多倍。

还有一个创新性的方法,即在氧化铁微粒的表面覆盖一层特定分子的涂层,这些分子能够有选择地与污染物的分子或离子相结合。然后在被释放到水里以后,这些涂层中的微粒就可以把污染物吸附到一起,因此我们可以利用一个磁场来聚集回收这些物质。

纳米技术不仅对我们生活的环境有改善的作用,而且对我们生活中所需要的能源也有改进的作用。它能够改变能源的生产、储存和消耗方式。一些纳米技术可以提高能源利用效率并减少二氧化碳的排放量,这主要包括生产燃料电池需要的纳米结构的催化剂、改进锂离子电池的电极材料、改进光电池中的纳米多孔硅和二氧化钛等。另外,在住房的窗玻璃上覆盖一层纳米光选择性的涂层可以减少能源消耗,同时还可以改善室内的空气质量。

所以说,纳米技术在节约资源方面还是具有很大潜力的。在生产阶段,纳米技术不像传统的生产过程那样需要很多的原始材料,并且不会对环境产生什么影响,这样就可以更有效地利用原材料,节约了成本和资源。另外,利用强度高、重量轻的纳米材料,还可以延长塑料等传统材料的寿命,并实现交通及其他领域的能源节约。例如,碳纳米管是一种分子级的碳圆柱,它具有的特性是原有的碳所不具有的,它有很高的强度、独特的导电性以及非常高效的导热性。因此,这种材料在电子学、光学和其他材料科学领域具有广阔的用途。另外,由于它的这些特性,它还有可能会被广泛应用到普通的消费产品中。

纳米技术给我们生活带来的这些好处,很快就被人们所接受和利用。但是,它毕竟是一个全新的领域,我们还需要在这个领域中继续探索、前进。它到底能给我们带来多大的利益,还是一个待解的谜。我们需要从整体对它进行评估。例如,许多纳米结构的材料虽然在使用过程中能够节约能源,但它们的生产过程却有可能耗费很多能源。

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