彭金平（中國質(zhì)檢出版社 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社）

解讀GB/T 32269—2015《納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》

彭金平（中國質(zhì)檢出版社 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社）

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32269—2015《 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》將于2017年1月1日實施。術(shù)語和定義是標(biāo)準(zhǔn)化工作的重要內(nèi)容，納米物體的術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)是納米科技領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)。為了讓更多從事納米產(chǎn)業(yè)相關(guān)人員充分理解使用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，本文對GB/T 32269—2015中涉及的納米領(lǐng)域相關(guān)術(shù)語及詞義進(jìn)行了具體圖文示例解讀，包括“納米尺度”“量子點”的具體釋義；納米顆粒形成“團(tuán)聚體”的原因；不同維度納米物體的具體分類及舉例；“納米管”“納米棒”“納米線”的區(qū)別；“團(tuán)聚體”和“聚集體”的不同等內(nèi)容。

納米科技 納米尺度 納米物體 GB/T 32269—2015

1 引言

21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱是信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)。其中，納米科技是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。美國國家科學(xué)基金會的納米技術(shù)高級顧問米哈伊爾·羅科預(yù)言:“由于納米技術(shù)的出現(xiàn)，在今后30年中，人類文明所經(jīng)歷的變化將會比過去的整個20世紀(jì)都要多得多?！蹦壳?，就納米科技整體發(fā)展?fàn)顩r而言，歐、美、日已大力發(fā)展多年，而國內(nèi)的納米科技研究剛開始不久，無論是科研水平還是市場契合度，與歐、美、日差距都還很大?？梢哉f，納米科技的興起，對我國提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也為我國實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。

納米科技的不斷發(fā)展需要納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的不斷跟進(jìn)。在電子、能源、材料、醫(yī)藥、航空、基礎(chǔ)科研、實驗室檢測等眾多領(lǐng)域，需要納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為相關(guān)從業(yè)人員建立公共的交流平臺，從而幫助納米技術(shù)不斷產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，促進(jìn)納米科技產(chǎn)品的提質(zhì)增效。

在國際上，目前許多國家和國際組織已經(jīng)成立了專門的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)機(jī)構(gòu)制定納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而我國的納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展水平不是很樂觀。隨著納米產(chǎn)業(yè)界和納米技術(shù)研究機(jī)構(gòu)對納米技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用依據(jù)的需求不斷增多，納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化步伐也在加快，特別是對于基礎(chǔ)性系列標(biāo)準(zhǔn)，納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作者更是在積極實現(xiàn)納米基礎(chǔ)體系標(biāo)準(zhǔn)化全覆蓋，力爭最大限度地利用納米技術(shù)，確保以基礎(chǔ)完善、健全的標(biāo)準(zhǔn)體系支撐納米科技檢測、評估和發(fā)展。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定背景

隨著納米科技的迅速發(fā)展，在國際上，納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化有了長足的發(fā)展。迄今為止，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織納米技術(shù)委員會（ISO/TC 229）先后召開了十余次全體大會，完成并發(fā)布了碳納米管的表征檢測等35項標(biāo)準(zhǔn)工作項目。國際電工委員會（IEC）于2007年3月成立了國際電工委員會納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（IEC/TC 113），力爭在納米材料的電學(xué)性質(zhì)測量標(biāo)準(zhǔn)方面取得領(lǐng)先。在國內(nèi)，全國納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 279）先后成立了納米壓入技術(shù)等多個工作組，正在積極開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

為了制定統(tǒng)一規(guī)范的納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供健全完善的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系。針對納米科學(xué)的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)術(shù)語的不斷增加，納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起草工作組制定了納米技術(shù)的術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)，精確和統(tǒng)一地定義納米物體的相關(guān)概念，梳理納米物體之間以及納米物體與現(xiàn)有常規(guī)物體之間的相互關(guān)系。GB/T 32269—2015《納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片》屬于技術(shù)規(guī)范類，使用翻譯法等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 27687: 2008。該標(biāo)準(zhǔn)主要給出了在納米科技領(lǐng)域中與顆粒、聚合體相關(guān)的無歧義的詞匯和定義，旨在促進(jìn)納米產(chǎn)業(yè)相關(guān)的組織與個人之間的 交流。

3 GB/T 32269—2015中涉及的術(shù)語及定義示例解讀

術(shù)語和和定義是納米科技標(biāo)準(zhǔn)化工作的重要內(nèi)容，是納米技術(shù)快速發(fā)展和納米產(chǎn)業(yè)不斷壯大的基礎(chǔ)需求。GB/T 32269—2015主體部分涉及到納米尺度和納米物體等與顆粒相關(guān)的核心術(shù)語，描述不同維度的納米物體的特定術(shù)語，顆粒、團(tuán)聚體、聚集體等與顆粒聚合體相關(guān)的術(shù)語等內(nèi)容。

3.1 納米尺度和納米物體

GB/T 32269—2015 中2.1提到“納米尺度”是“處于1nm～100nm尺寸范圍”。那么，一般而言，納米尺度通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)中引入的下限1nm實際上是為了避免將單個原子或原子團(tuán)簇誤認(rèn)為是納米物體或納米結(jié)構(gòu)單元。原子團(tuán)簇是指僅包含幾個到幾百個原子或尺寸小于1nm粒子的原子集合體。納米實際上是一種長度單位，1納米僅為10億分之一米，大約等于10個氫原子并列排布的長度。形象地描述，人的一根頭發(fā)絲的直徑大約為60000nm～80000nm。標(biāo)準(zhǔn)中2.2規(guī)定“一維、二維或三維外部尺寸處于納米尺度的物體”稱為“納米物體”。例如，在日常生活中，室外的花粉是納米物體，室內(nèi)的灰塵是納米物體，甚至病毒（圖1）也是納米物體。納米技術(shù)是指在納米尺度研究納米物體，通過直接操縱和安排原子、分子制造特定功能納米材料的技術(shù)。這里值得注意的是，對于單純的某一種納米物體，如果其沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，就不能稱為納米技術(shù)。比如，香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末，雖然尺寸達(dá)到了納米尺度（圖2），但是，由于沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，這些還不可稱為納米技術(shù)。

圖1 納米物體示例（病毒）

圖2 納米尺度

3.2 描述納米物體的特定術(shù)語

GB/T 32269—2015規(guī)定了不同維度納米物體的術(shù)語，下面對這些術(shù)語進(jìn)行圖文示例解讀。

1. 零維納米物體

標(biāo)準(zhǔn)中4.1規(guī)定x軸，y軸，z軸“三個維度的外部尺寸都在納米尺度的納米物體”稱為納米顆粒（nanoparticle）（圖3），這類空間三維尺度均在納米尺度的材料屬于零維納米物體。納米顆粒是肉眼和一般光學(xué)顯微鏡看不見的微小粒子，尺寸大于原子團(tuán)簇。通常納米顆粒小于紅血球的千分之一，是細(xì)菌的幾十分之一，與病毒大小相當(dāng)。日本上田良二教授曾說，用透射電子顯微鏡（TEM）能看到的微粒是納米顆粒。

圖3 納米顆粒

2. 一維納米物體

標(biāo)準(zhǔn)中4.3規(guī)定“兩個維度外部尺寸相近且處于納米尺度，剩余一個維度外部尺寸明顯大于其他兩個維度尺寸的納米物體”稱為納米纖維（nanofibre）（圖4）?！凹{米纖維”可以是柔性的，也可以是剛性的。這里的“剛性”和“柔性”是相對的。“剛性”是指納米纖維材料抵抗變形的能力，外力一定時，變形越小的材料剛性越大；變形一定時，所加外力越小的材料剛性越小?！叭嵝浴笔侵覆牧享憫?yīng)變形的能力，外力一定時，變形越大的材料柔性越大；變形一定時，所加外力越大的材料柔性越小。另外，標(biāo)準(zhǔn)中提到的其中一個維度的“最長的外部尺寸”可不在納米尺度。對于納米纖維來說，中空的納米纖維稱為“納米管”；實心的納米纖維稱為“納米棒”；導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米纖維稱為“納米線”；還有一些帶狀形貌的納米纖維稱為“納米帶”。

圖4 納米纖維

納米管（nanotube）（圖5）、納米棒（nanorod）（圖6）、納米線（nanowire）（圖7）、納米帶（nanobelt）（圖8）這類空間二維尺度處于納米尺度的材料屬于一維納米物體。這類納米物體的徑向尺寸在納米尺度，而長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸，長徑比（長度∶直徑）在十幾到上千、上萬范圍。

圖5 納米管

圖6 納米棒

圖7 納米線

圖8 納米帶

納米管（比如碳納米管）可以看作是由單層或多層石墨按照一定的規(guī)則卷繞而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)。其中，由石墨原子單層繞同軸纏繞而成的為單壁碳納米管（圖9）；由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物為多壁碳納米管（圖10），其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠(yuǎn)大于其直徑。無論是單壁碳納米管還是多壁碳納米管都具有很高的長徑比，一般為100～1000，最高可達(dá)1000～10000。

圖9 單壁碳納米管

圖10 多壁碳納米管

納米棒，一般來講是長度較短、縱向形態(tài)較直的一維圓柱狀（或其截面呈多角狀）實心納米材料。比如Au納米棒，Ag納米棒；納米線，是指長度較長，形貌表現(xiàn)為直的或彎曲的實心納米材料。比如單質(zhì)納米線，Si納米線、Ge納米線等；氧化物納米線，SnO納米線、ZnO納米線；氮化物納米線，GaN納米線、Si3N4納米線；硫化物納米線，CdS、ZnS；三元化合物納米線，如BaTiO3、PbTiO3?！凹{米棒”和“納米線”區(qū)別在于長徑比不同，長徑比小的、且長度小于1μm，納米物體的性質(zhì)取決于長度的為納米棒；長徑比大的、且長度大于1μm的為納米線。

納米帶，不同于納米管或納米線，其截面呈四邊形，寬厚比一般為幾到十幾，比如ZnO、SnO2納米帶。

3. 二維納米物體

標(biāo)準(zhǔn)中4.2規(guī)定“一個維度外部尺寸在納米尺度，其他兩個維度外部尺寸明顯大于最小尺寸納米物體”的稱為“納米片”（圖11）。這里的“最小尺寸”是指納米片的厚度，即z軸方向的尺寸；“明顯大于”是指兩個維度的尺寸比“最小尺寸”大3倍及以上的情況。比如，石墨烯納米片，是指由單層碳原子平面結(jié)構(gòu)堆垛而成的納米物體。納米片、納米膜這類在空間三維尺度中，有一個維度在納米尺度的材料屬于二維納米物體。

圖11 納米片/膜

4. 三維納米物體

標(biāo)準(zhǔn)中沒提及的另一類納米物體是三維納米物體，即納米固體材料（圖12），通常是指由尺寸小于15nm的納米顆粒在高壓下壓制成型，或再經(jīng)一定的熱處理工序，生成的致密性固體材料。納米固體材料的主要特征是有巨大的顆粒間界面（圖13），比如，5 nm納米顆粒構(gòu)成的固體材料，每立方厘米有1000多個晶界，這樣的結(jié)構(gòu)使得納米固體材料具有高韌性。

圖12 納米固體材料

圖13 顆粒間界面

5. 準(zhǔn)零維納米物體——量子點

標(biāo)準(zhǔn)中4.7規(guī)定“因電子態(tài)量子限域效應(yīng)表現(xiàn)出尺寸依賴性質(zhì)的納米顆?！狈Q為“量子點”（圖14）。量子點，又稱半導(dǎo)體納米晶，由少量原子構(gòu)成。其三個維度的尺寸都小于100nm，形貌為極小的點狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動都受到局限，所以量子限域效應(yīng)特別顯著。量子點的種類分為一元量子點，比如，碳量子點（CQDs），其顆粒尺寸為小于10nm的準(zhǔn)球型碳納米顆粒，相較于金屬量子點材料，碳量子點幾乎無毒。碳量子點具有光致發(fā)光特性，通俗來說，具有良好水溶性的碳量子點在光照下，其自身會發(fā)出明亮的熒光，并且具有很好的光學(xué)穩(wěn)定性；二元量子點，包括不含金屬的ZnO量子點、SiO2量子點和含金屬的CdS量子點、PbS量子點；三元量子點，比如CdSexTe1-x、CuInS2等。

3.3 顆粒及其集合體術(shù)語

標(biāo)準(zhǔn)中3.1和3.2規(guī)定了顆粒及其集合體相關(guān)的術(shù)語。標(biāo)準(zhǔn)條文“納米物體通常以團(tuán)塊，而非分立的形式出現(xiàn)。由于表面能的原因，這些共存納米物體之間可能發(fā)生相互作用?！蹦敲?，對于不同尺寸和形狀的納米物體，標(biāo)準(zhǔn)給出了描述術(shù)語“顆粒”和“團(tuán)聚體”（圖15）。標(biāo)準(zhǔn)中3.1參考了ISO 14644-6：2007的“顆?！倍x：“具有確定物理邊界的一小部分物質(zhì)”稱為“顆?！?，該通用顆粒定義適用于納米物體。標(biāo)準(zhǔn)中3.2給出了“團(tuán)聚體”的定義：“弱束縛顆粒的堆積體、聚集體或二者的混合體，其外表面積與其單個顆粒的表面積的總和相近。”其中，支撐團(tuán)聚體的作用力都是弱力，如范德華力或簡單的物理纏結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)中提及的團(tuán)聚體又稱為次級顆粒，而源顆粒則稱為初級顆粒。

其實，“團(tuán)聚體”與通常所說的“聚集體”是有區(qū)別的。標(biāo)準(zhǔn)中3.3給出了“聚集體”的定義：“強(qiáng)束縛或融合在一起的顆粒構(gòu)成的新顆粒，其外表面積可能顯著小于其單個顆粒表面積的總和?！边@里值得注意的是支撐聚集體的力都是強(qiáng)作用力，如共價鍵或源于燒結(jié)或復(fù)雜的物理纏結(jié)。這與團(tuán)聚體的弱作用力是顯著的區(qū)別之一，另外，聚集體的外表面積可能顯著小于其單個顆粒表面積的總和，區(qū)別于團(tuán)聚體的外表面積近似等于其單個顆粒的表面積總和。

圖14 量子點（納米晶）（上圖）及不同直徑的量子點顏色（下圖）

圖15 納米顆粒團(tuán)聚體

這里要解釋的是納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚現(xiàn)象與納米顆粒小尺寸效應(yīng)和表面與納米顆粒的界面效應(yīng)有關(guān)。由于顆粒尺寸到了納米尺度，顆粒表面占有的原子或基團(tuán)數(shù)會急劇增加，顆粒表面積增大，表面能增加。這種納米尺度顆粒之間表面氫鍵、范德華力及其他化學(xué)鍵作用，使顆粒之間互相黏附聚集而以團(tuán)聚體的形式存在。比如，納米金剛石，其表面存在大量的基團(tuán)使表面積累了大量的正電荷或負(fù)電荷，這些帶電粒子極不穩(wěn)定，為了趨于穩(wěn)定，它們互相吸引，顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚。納米金剛石表面原子或離子數(shù)的比例提高，使其表面活性增加，顆粒之間吸引力增大。另外，納米金剛石表面雜質(zhì)的存在也易引起粒子團(tuán)聚，該過程的主要作用力是靜電庫侖力。納米顆粒之間的距離極短，顆粒之間的范德瓦爾斯引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒自身的重力，粒子和粒子在相互碰撞過程中也易互相吸引而聚集，從而形成“團(tuán)聚體”。

這里有必要提一下納米物體的四大效應(yīng)，即由于納米顆粒的特殊結(jié)構(gòu)引起的納米材料的特殊性能，分別是小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)是指當(dāng)顆粒分割后，尺寸小到一定程度時，其性質(zhì)發(fā)生根本性變化；量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸降低到某一值時，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗壓图{米半導(dǎo)體微粒的能隙變寬的現(xiàn)象；表面與界面效應(yīng)是指納米顆粒由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大尺寸顆粒，使納米顆粒的自由能增加，表面的原子或分子所占的比例增多，導(dǎo)致表面能高； 宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)納米顆粒的總能量小于勢壘高度時，顆粒仍能穿越這一勢壘。那么，納米顆粒易形成“團(tuán)聚體”，并且通常以團(tuán)塊狀形式出現(xiàn)的原因就是和上面提到的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)密切相關(guān)。

4 結(jié)束語

我國納米技術(shù)正在從應(yīng)用導(dǎo)向性基礎(chǔ)研究向技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化一體化研究發(fā)展，在納米制造方面的產(chǎn)學(xué)研合作日益加快，逐步構(gòu)建了納米產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。標(biāo)準(zhǔn)的制定決定了技術(shù)開發(fā)和發(fā)展的方向，因此，制定納米基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、納米產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、納米檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等構(gòu)建成熟的納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系將能有力支撐納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]GB/T 32269—2015 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義納米顆粒、納米纖維和納米片

[2]GB/T 30544.3—2015 納米科技 術(shù)語 第3部分: 碳納米物體

[3]ISO/TS 27687：2008 納米科技 納米物體的術(shù)語和定義 納米顆粒、納米纖維和納米片

[4]ISO 14644-6：2007 無菌室和相關(guān)控制環(huán)境 第6部分：詞匯

[5]GB/T 32669—2016 金納米棒聚集體結(jié)構(gòu)的消光光譜表征

[6]任紅軒. 走進(jìn)納米世界[J]. 科學(xué)世界. 2014 （6）.

[7]姜山，張軍，等. 國內(nèi)外納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作綜述[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2007 （6）.

Analysis of “Terminology and defi nitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofi bre and nanoplate”

Peng Jinping ( Standards Press of China )

National standard of “Terminology and definitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofibre and nanoplate”(GB/T 32269—2015) will be implemented from January 1, 2017. The standard was the basis on the nanotechnology standard system in nano-fi eld. For the sake of understanding and using the foundational standard preferably, the typical examples and demonstration for terminology and defi nitions of nano-objects were interpreted in this paper, such as the detail discription of “nanoscale” and “quantum dot”,the reason for agglomerate of nanoparticles, nano-object on different dimension, the difference among “nanotube” , “nanorod” and “nanowire”, as well as the difference between “agglomerate” and “aggregate”.

nanotechnology, nanoscale, nano-objects, GB/T 32269—2015