湯 倩，張 燕，王 鉅

有色金屬華東地質勘查局-地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇 南京 510027

1 概述

納米科學技術（nano scale science and technology）作為新興的學科[1]，在人類社會進入世紀之交的關鍵轉變年代，在世界范圍興起，發(fā)展迅速，前景誘人，國際競爭已經開始。人類對自然世界的認識始于宏觀物體，又逐漸認識到原子，分子等微觀粒子，然而對納米微粒卻缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本組成單元，原子的不同排列方式使自然界物種豐富多樣化。1959年，著名的物理學家諾貝爾物理學獎得主查德·費曼說：“如果有一天可以按人的意志安排一個原子，將會產生怎樣的奇跡。”納米科技則使人們能夠直接利用原子、分子制備出包含原子的納米微粒，并把它作為基本構成單元，適當排列成一維的量子線，二維的量子面，三維的納米固體。納米材料有一般固體都不具備的優(yōu)良特性，所以有著廣闊的應用前景。錢學森指出：“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發(fā)展的重點，會是一次技術革命，從而將引起21世紀又一次產業(yè)革命?！盵3]

1.1 基本概念

納米（Nanometer）又稱毫微米，是一種長度單位。1納米等于10-9m（十億分之一米）。上田良二教授于1984年從測試的角度給納米微粒下了一個定義：用電子顯微鏡（TEM）能看到的微粒稱為納米微粒[4]。納米技術是1974年在東京由日本精密工程學會（JSPE）和國際生產工程研究學會（CIRP）聯合主持的會議上由日本東京科學大學機械工程教授谷口紀男提出的[5]。納米科技（Nanost）是一門在0.1nm～100nm范圍內對物質和生命進行研究應用的科學。這是一種介觀區(qū)域（宏觀和微觀之間的連接區(qū)域）進行開發(fā)研究的新技術。它使人類認識和改造物質世界的手段和能力延伸到分子和原子。納米科技涉及到物理學、數學、化學、生物學、機械學、信息科學、材料科學、微電子學等眾多學科以及計算機技術，電真空技術，掃描隧道顯微鏡及加工技術，等離子體技術和核分析等各種技術領域，是一門綜合性的新興科學技術。

1.2 納米科技的發(fā)展歷史

納米科技是20世紀科技領域重要突破它的發(fā)展經歷了孕育萌芽階段，探索研究階段和應用開發(fā)階段3個時期。

1）孕育萌芽階段。費曼設想在原子和分子水平上操縱和控制物質。1860年，膠體化學誕生之日，對粒徑約（1～100）nm的膠體粒子開始研究，但由于受研究手段限制，發(fā)展緩慢；

2）探索研究階段。30年后，1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩召開，同年《納米生物學》和《納米科技》專業(yè)刊物相繼問世。這標志著一門嶄新的科學技術-納米科學技術，在經過30年的曲折道路，終于誕生了。費曼的美妙設想成為現實了[6]；

（3）應用階段。1993年，開始進入蓬勃的發(fā)展時期，20世紀末獲得許多成果，達到預期目標可能還要經歷10～20年的努力。

1.3 納米固體的基本特征

納米固體的重要特征，決定了納米科技具有劃時代意義。這些特性有如下4個方面[6]：

1）表面與界面效應。納米微粒尺寸小，表面積大，所以位于表面的原子比例相對增多。尺寸與表面原子數的關系見表1。當物質粒徑小于10nm，將迅速增加表面原子的比例，當粒徑降到1nm時，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于表面原子數增多，使得這些原子易與其它原子相結合而穩(wěn)定，具有很高化學活性，表面吸附能力強，擴散系數增大，塑性和韌性都大大提高；

表1 納米微粒尺寸與表面原子數的關系

2）小尺寸效應。當納米微粒的尺寸與光波的波長相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，電，光，磁，聲，熱力學等特征均會出現小尺寸效應；

3）宏觀量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及應用都有重要的意義；

4）量子尺寸效應。量子尺寸效應是指當粒子尺寸下降到最低值時，費米能級附近的電子能級變?yōu)殡x散能級的現象。而當顆粒中所含原子數隨著尺寸減小而降低時，費米能級附近的電子能級將由準連續(xù)態(tài)分裂為分立能級。當能級間距大于靜磁能，磁能，熱能，靜電能，超導態(tài)或光子能量的凝聚能時，就導致納米微粒磁，熱，聲，光，電以及超導電性與宏觀特征顯著不同，稱為“量子尺寸效應”。例如導電的金屬在超細微粒時可以是絕緣的。

表面界面效應，小尺寸效應，宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應是納米微粒與納米固體的基本特征，它使納米微粒和納米固體呈現出許多不同的物化性質。

2 納米科學研究的分析手段

具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡（STM），高分辨透射電鏡（HRTEM），和原子力顯微鏡（AFM）等手段[7-9]能直接觀察出納米固體，納米微粒，和納米結構特征。

1）掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡（STM）具有原子級的空間分辨率。主要描繪表面三維的原子結構圖。主要用于導電納米礦物原子級的空間分辨率研究 ，如金屬硫化物研究。

2）高分辯透射電鏡（HRTEM）

高分辯透射電鏡（HRTEM）空間分辨率可達0.1nm～0.2nm。主要用于各種礦物納米級的成分，形貌，結構的綜合研究。如金屬硫化物，硅酸鹽礦物，礦物中的出溶物以及膠體礦物研究。

3）原子力顯微鏡（AFM）

以掃描隧道顯微鏡（STM）為基礎發(fā)展起來的原子力顯微鏡（AFM）

能探測針尖和樣品之間的相互作用力，達到納米級的空間分辨率。為了獲得絕緣材料原子圖像，又出現了原子力顯微鏡。AFM主要是用于非導電納米礦物原子級的空間分辨率研究。如硅酸鹽礦物，膠體礦物等研究。在納米材料方面主要是觀察納米材料物質等在礦物物質表面的吸附和沉積，以及天然納米微粒形狀。

3 納米科技理論在地學上的應用

納米科技與地學的結合形成了以下3種學科納米地球化學，納米礦床學和納米礦物學。

3.1 納米地球化學

納米地球化學就是研究地球中納米微粒分布，分配，集中，分散，遷移規(guī)律，以及由納米微粒的分布及組合特征反映斷裂活動，探測石油，天然氣，金屬礦床等。納米物質使元素具有新的地球化學活性和新的成巖成礦模式：傳統觀念認為，溫度越高，化學活性越大，元素的遷移能力越強，反之活性就越小，越不容易遷移。為此，作為化學性質很不活潑的金，在較低溫度下，理應活性很小，溶解度偏低，很難遷移成礦。事實上卻與納米金的地球化學行為相矛盾。但如果從納米科技理論的角度考慮，就不難理解了。納米科技理論認為，當物質的粒度達到納米級時，由于顆粒極其細小，表面積很大，例如SiO2，其粒徑從36nm減少到7nm時，其比表面積由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面積使大量的原子處在表面，使元素的化學反應速度和擴散速度增加很多，吸附能力增強，熔點變低，物化性質發(fā)生改變。成巖成礦溫度低，因而使元素具有低溫活性。粒度越小，活性越大。這使納米級的物質具有成分相同的可見顆粒所沒有的特性。產生新的地球化學活性和新的成巖成礦模式。對稀有元素，活性性質不活潑的元素，分散元素和在水中溶解度極低的元素，在低溫條件下成巖成礦作用有了不同的解釋思路。

3.2 納米礦床學

相同成分的納米微粒不同的物化性特性已使地質學家對礦床學理論中有關礦質運移，富集過程有了新的認識。傳統理論認為，礦物質的運移以溫差，壓力差或濃度差為前提條件，而對礦物質的運移和富集又限定其必須有一定的礦化劑為載體，而未意識到同種物質如果其粒度不同則其物化性質的差別非常巨大。傳統成礦理論一直認為金礦的形成是由于其離子與一定絡合劑結合，在一定的溫度條件下遷移到一定部位，經過各種化學反應生成自然金而聚集成礦。納米科學技術理論認為：源巖中的原子態(tài)金只要達到納米級，其本身首先就由于極大的自擴散系數和吸附性而擴散，遷移合富集成礦。目前為止，地學界一直對砂金為何能在低溫條件下甚至使常溫態(tài)下能夠形成“狗頭金”的事實沒有定論，現在看來，很有可能是納米級的金自身擴散，遷移，吸附的結果。這種聚集成礦作用，在內生金屬成礦作用過程中可能也同樣起著不可低估的作用[11]。

3.3 納米礦物學

目前，由于科技的限制，人類對礦物學的認識，往往注重宏觀礦物單體，聚合體的形態(tài)及有關特性，注重微觀礦物成分及原子排列的情況，而對納米礦物微粒，納米礦物結構缺乏深入細致的研究。在傳統礦物學研究中，把礦物看成理想的晶體點陣，但在納米礦物學中則著重研究納米礦物微粒和礦物結構特征以及與此有關的巖石學，礦床學，構造地質學，地球化學等地質學科。

所謂的納米礦物就是指晶體粒度細小至納米量級的礦物顆粒。往往是以集合體形式結合一起[12]。彭同紅、萬樸等人運用掃描電鏡發(fā)現以下幾種非金屬礦晶體，具有納米尺寸的結構：

1）沸石，其內通道直徑為13nm～113nm；

2）條紋長石、月光石、日光石，其晶間距為2nm；

3）膨潤土、高嶺土、海泡石，其層間距離為2nm等；

4）鱗片石墨經高溫膨化后形成蠕蟲石墨，形成網狀結構，其孔徑直徑為10 nm～100nm[13]。

目前，已發(fā)現的納米礦物資源主要分布在大洋底部及陸地。例如：海洋中的“黑煙囪”和陸地上的納米礦物有氧化物和硅酸鹽等。但受限于開采技術，目前僅其中層狀結構的黏土礦物并已初步進行開發(fā)利用。納米物質的巨大的比表面積、特殊的界面效應、臨界尺寸效應及高能量狀態(tài)賦其不同于普通物質的特性。例如，普通金的沸點為2966℃，而納米相金則在700℃～800℃條件下熔解、氣化[12]。其它納米相金屬也具有此特性。因而納米級礦物開發(fā)利用有著廣闊的應用前景。

4 結論

納米科技的研究是國際當前的研究熱點，它使人類在改造自然方面進入了一個新層次，即從微米級層次深入到納米級層次。也使地質學科學家的認識改造自然界進入一個新層次。HRTEM，STM，AFM等測試方法的在納米礦物學中的研究運用，一些新概念、新理論、新方法隨之孕育而生，使21世紀礦物學的研究將上一個新臺階，這將促進地質科學飛速發(fā)展。

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