认识纳米

刘静怡

中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所

“纳米”，是最近几年非常热门的一个概念。我们现在随处可见各种商品贴上“纳米”的标签：“纳米”材料、“纳米”油漆、“纳米”添加剂，不胜枚举。那么，“纳米”究竟是什么呢？

1 几个相关概念

“纳米”，其实是一个长度单位，1纳米等于1米的十亿分之一。也就是说，1米等于1000毫米，1毫米等于1000微米，1微米又等于1000纳米。举个形象的例子，我们说人的卵子直径大约有0.15毫米，也就是等于15万个纳米的长度。

纳米材料从定义上讲，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间（在三维空间中只要有一维在该范围内就符合定义，也就是长、宽、高只要有一项小于100纳米，我们就叫它纳米材料）。那么为什么这么小的“纳米”，制成各种材料就这么神奇呢？科学家们将其归结于“纳米效应”。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于它们的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

在这里，解释一下以下几个概念：

PM10：是指大气中粒径小于10微米的颗粒物的总和。

PM2.5：是指大气中粒径小于2.5微米的颗粒物的总和。

纳米颗粒：是指粒径小于100纳米，也就是0.1微米的颗粒物的总和。

从上面我们可以总结出，以上三种颗粒物是逐级包含的关系，而不是说PM10就是粒径10微米左右，PM2.5就是2.5微米左右。下面的图也许可以比较形象的说明这种关系。

图 三种颗粒物的关系图

这里，笔者臆造了“PM0.1”这个名词，因为纳米颗粒我们一般指的是所有符合定义的颗粒物，不特指大气颗粒物；而“PM”（也就是“颗粒物”的英文缩写）这个名词是环境学家们在研究大气环境时定义的特指大气颗粒物的。由于当时研究仪器设备能力所限，科学家们研究大气颗粒物也是逐渐由大及小的。近几年PM2.5进入公众的眼帘，也有2.5微米颗粒物检测设备逐渐成熟可靠和科学家们十几年的潜心研究的原因。我们发现大气污染对人的健康会产生影响，特别是污染越严重，肺部疾病和心血管疾病的发病率就有更高的趋势。这种关联关系在PM10研究时期得到了验证，而进步到PM2.5研究阶段后，发现关联关系更加明显。我们认为颗粒物群对心肺的影响，可能主要是跟它们表面产生自由基的能力等因素有关系，自由基可以简单理解为氧化能力突出的化学物质。而颗粒物产生自由基的能力，又极可能跟它们的表面积总和有关系。打个比方，装在杯子里的水，蒸发得就没有洒开的水快，因为洒开的水接触空气的面积更大。同样质量的一些颗粒物，粒径越小，它们的表面积总和就越大。简单的理解，好比一个正方体，横竖水平切上三刀，变成八块后，表面积的和就变成了两倍，就是这个道理。

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

（1）纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒。

（2）纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。

（3）纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。

（4）纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。

2 纳米材料的用途

纳米材料的用途非常广泛，例如天然纳米材料的应用、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米半导体材料等等，并且在医疗、纺织业、机械工业应用也非常普遍。

（1）天然纳米材料。海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，出生后的幼小海龟却要游到英国附近的海域觅食才能长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年。正是海龟头部内的纳米磁性材料为它们准确无误地导航，使它们能够进行几万千米的长途跋涉。

生物学家也发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。

（2） 纳米磁性材料。在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。

（3）纳米陶瓷材料。传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

（4）纳米传感器。纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。

3 细颗粒物的危害及防护

这两年因为严重的雾霾引起全社会关注的PM2.5，其中也含有大量的纳米颗粒。

笔者认为，空气中同等质量的纳米颗粒，对健康的影响会比大颗粒更大，也就是说，包含在PM10里的PM2.5，通过研究发现，虽然它们的总质量可能比不上2.5～10微米这一区间的颗粒物，但是由于总的表面积可能更大，而导致在影响人体健康方面起的作用更大。所以也许今后将出现“PM0.1”这个学术名词，来特指大气中粒径小于0.1微米的颗粒物，因为我们有理由怀疑，0.1微米以下的颗粒物群的表面积和要大于0.1～2.5微米颗粒物群。近些年来，纳米颗粒，也就是0.1微米级的颗粒物对人体健康的效应影响已经引起了科研界的兴趣。

颗粒物对健康的影响，我们认为已经是比较确定的事情。近几年，北方地区大范围长时间的雾霾天气，是公众对大气污染关注度持续上升。雾霾天气时，越来越多的人意识到需要提高个人防护意识，保护身体健康，戴上了各式各样的口罩。但是，笔者发现，大街上可以见到的口罩，大多数并不能真正的防止雾霾对身体的侵害。

雾霾，严格意义上应该分成“雾”和“霾”来理解。雾和霾的区别十分大。霾的意思是灰霾（烟霞），空气中的灰尘、硫酸、硝酸等非水成物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。当水汽凝结加剧、空气湿度增大时，霾就会转化为雾。霾与雾的区别在于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的(如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到100%就可能出现饱和）。二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得阴沉灰暗。

北京监测的雾霾主要是细颗粒物（PM2.5），这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。所以我们戴口罩防雾霾，主要就要防止PM2.5进入体内。下面介绍一些常见的口罩和正确的使用。

医用口罩：我们在医院能看见大夫护士戴的口罩。这种口罩主要可以阻挡我们说话时喷出的飞沫，防止细菌病毒等的传播，是流感等经飞沫传染的流行病的有效预防措施，但是对于大气污染物可以说完全没有防护能力。

棉纱口罩：除了可以预防飞沫流行病外，可以阻挡较大的沙尘颗粒以及保暖，但是作为预防大气污染侵害身体也是完全没有作用的。

活性炭口罩：活性炭口罩外观上跟医用口罩有点像。但是因为内部填充了活性炭材料，所以是黑色的，比较厚。活性炭可以吸附许多有机、无机毒物和部分粉尘，所以雾霾天气时佩戴有一定的防护效果。特别是北京地区的雾霾很大原因上是因为燃煤引起，煤烟中的烟尘和二氧化硫等燃烧残留物可以部分被活性炭口罩隔离。如果没有更好的选择，可以佩戴它。

N90、N95、N99口罩：普遍用于工业防护中。N90、N95或N99的字样可以在产品表面找到，意思分别是可以阻隔90%、95%或99%的颗粒物。这种口罩有静电纺丝制成，可以有效吸附颗粒物，并且与我们的脸型贴合紧密，过滤性能在几种口罩中最好，特别是N99口罩。但是同时，过滤效果好的副作用是舒适性差，有轻微的窒息感，也就是喘气比较费力。不过，在重污染的天气里，保护健康还是更重要一些。推荐使用N95口罩，可以兼顾安全性和舒适性。

上述几种口罩，除了棉纱口罩可以通过洗涤多次使用外，其余口罩在使用一段时间后都应该丢弃并更换新的。