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在纳米科学研究领域,多伦多大学的Geoffrey Ozin教授探讨萦绕在研究人员头脑中的科学问题。
今年是1992年Advanced Materials(先进材料)刊登文章Nanochemistry – Synthesis in Diminishing Dimensions(纳米化学——在小尺度上的合成)的第20年纪念日。当年,我为这个仍处于初级阶段的领域描绘了一幅美好的发展图景,而当我回顾这个图景如何一步步成为现实的时候,我感到异常欣慰。与之相关的是,我在撰文时公开表示:构建纳米材料有两种思路——“自上而下”纳米物理学和“自下而上”的纳米化学,并且比较了这两种途径的不同:
“相对于纳米物理学来说,纳米化学逐渐成为凝聚态化学的分支学科,它强调‘合成’而不是通过工程的方法制备在一维、二维或是三维结构上具有纳米尺度的微小材料。现如今,纳米尺度的物质引起了人们广泛的关注,这主要是基于该物质新颖的材料特性,而这种特性主要是其小尺寸限域效应导致的。纳米化学家一般通过考虑将原子通过‘自下而上’的方式实施纳米材料的构建;而纳米物理学家则倾向于运用块体材料‘自上而下’地进行操作。大体上说,在温和而可控条件下,通过‘一次一个原子’而非‘操控块材’的方式构造和组建纳米物质,应该可以实现原子量级上材料形貌和尺度的调控,且重复性极好。比较这两种不同方式的卡通图,已在示例中标明。纳米尺度的物质可以通过有机、无机或者是金属有机物质构成。如果对这些物质的结构进行设计,就可以得到在电子、光学、磁学、传导学、光化学、电化学、催化学和力学等诸多方面具有独特性质的材料。可以预见的是,在不久的将来,量子电子学、非线性光学、光电子学、化学选择性传感、信息存储于处理等很多领域的发展都将得益于纳米物质的合成与构建。”
问题
纳米化学的出现真的可以作为一门新兴的学科领域吗?它将受到足够的重视还是仅仅作为材料化学的分支?应用不同的尺寸和形状特性合成纳米级物质的行为在增加吗?纳米材料基础的科学知识能够使纳米化学应用在信息技术、生物技术和纳米技术领域吗?
纳米化学是一门新兴领域吗?
以下一些指标和信息可以帮我们认识到纳米化学是否达到了这种状态。在Google(谷歌)搜索中,关于纳米化学的关键词可搜索到超过300,000条的信息,其中包括自然科学,工程学,生物学和医学等学科。纳米材料“漂亮的”显微照片已通过纳米化学遍布网络,纳米化学已经进入维基百科的页面,它被认为是纳米科学新的分支学科(纳米材料尺寸范围在1-1000nm)。在世界各地的大学、工业界及政府科研实验室里,著名的科学家均在研究纳米化学技术。纳米化学的研究中心、机构和网站已在世界各地建立,一些著名的国际奖项授予了纳米化学的研究者,这包括Nobel, Millenium, Bower, Albert Einstein, Kavli, Wolf, Kyoto, King Faisal, Lemelson 和Feynman等。发表纳米化学相关论文的期刊已经出现,并呈增长趋势。有关纳米化学本科和研究生的教材也开始出现;纳米化学的课程出现在世界各地的大学中;每年都有数亿美元投资在纳米化学领域,这推动了相关基础研究与应用研究;纳米化学在纳米科学和纳米技术领域的突破屡次被报道在科学期刊杂志上;人们开始意识到纳米化学为生活带来的好处;世界各地的国际纳米技术研究战略已经开始,此外纳米材料对人体健康与环境的影响也已步入日程。
基于以上信息,我认为纳米化学属于一门新兴领域,并且我们期望依靠纳米化学给我们带来更加美好的生活。
人们对化学法制作大小形貌可控的纳米材料是否还感兴趣?
对于纳米化学界而言,最大的挑战在于如何控制纳米材料的大小、形状,或者单晶的纳米粒子。其中,人们对采用物理和化学法获得不同大小、形貌的的纳米材料,尤其是获得结晶度、结构可控的材料尤为感兴趣。迄今为止,人们已经实现了元素周期表中大部分元素纳米材料的可控合成,甚至可以通过制备空心的、方形的、卷曲的、线形的纳米材料来控制材料的化学性能。同时在控制纳米材料的缺陷和掺杂方面也取得了巨大突破,制备出了自组装团簇、超晶格纳米链、方块纳米棒异质结等多种分级材料,建立了一个名符其实的纳米材料元素周期表。
现在,人们依旧在不断探索化学法制造纳米材料的方法,未来的纳米科技将更加丰富多彩。
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