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环境纳米科技研究面临的机遇和挑战
张立德
（中国科学院固体物理研究所，安徽合肥２３００３１）
纳米科技已经取得了举世公认的成绩，人们普遍认为纳米技术充满了活力，是对２１世纪社会、经济和人们生活最有影响力的技术之一。纳米技术发展的势头向各个领域渗透的能力，不亚于１９世纪的电力技术和２０世纪的微电子技术。当前，人类面临的最大挑战是环境问题，高科技的发展带动了社会的进步和经济的繁荣。进入２１世纪，人类社会创造的财富和财富增长的速度是过去历史上任何时期无法比拟的。但是，随着工业高速发展，能源和资源的消耗也是空前的，报废产品和有毒有害物质的排放给环境带来了历史上从来没有过的严重污染。环境安全已给人类敲响了警钟，人们不得不重新思考经济社会发展和环境的和谐，新技术的发展和环境的协调，能源和资源的利用和环境生态的和谐等问题。权威人士普遍认为必须从环境安全的高度重新评价先进技术的价值，以前评价一项技术对社会的贡献主要以创造财富，带动各个领域的发展进行考量，应该说这是无可厚非的，但是在今天财富创造的体系评价中必须增加环境安全风险的评价，对新兴的纳米技术应该纳入这一评价体系，对历史上曾经为社会创造巨大财富的技术也不例外。１９３８年滴滴涕的发明曾经给农业杀虫、除草和家庭消灭蚊蝇、寄生虫等做出了巨大贡献，为此其发明者于１９４８年获得了诺贝尔奖，但是由于对环境安全有重大影响，残留的多氯联苯等有机物至今仍然是环境急需解决的重要问题之一，它对全球生态的影响还在延续。２０世纪６０年代开始国际有关组织做出决定全面禁止使用滴滴涕和六六六，也正是从环境安全的角度对这个曾经对人类社会经济作出贡献的科学技术发明不得不叫停，禁止继续使用。今天，我们必须重新考量纳米技术在创造财富、实现各个领域
的技术升级和开发新产品等领域创造的价值和所做的贡献。环境纳米科技的研究将把纳米科技的发展引向更深层次和健康发展的轨道，当前正处在转折的关键时期，对今后如何发展环境纳米科技，如何发展纳米材料谈点粗浅的看法。１认知上的转折
１．１
从科学的高度正确认识环境污染物的起因
环境中纳米尺度的污染物是污染物中刚刚引起人们关注的一类污染物，这类污染物已在地球上早就存在，历史久远，由于它的尺度小很难用常规手段识别发现，长时间以来并没有引起人们的注意。随着纳米尺度概念的出现，人们才把这类污染物从宏观尺度（微米、毫米等）分离开来，近年来，随着人工纳米颗粒材料研究的深入，人们发现纳米尺度的物质对人类健康可能会产生些副作用，这类研究的目的是为了正确地应用纳米材料，避免安全风险，尽管是实验室研究的为数不多的科研结果，有些方面还没有定论，研究有待于继续深入，但是这些结果已提醒人们要加强人工纳米颗粒材料负面效应的研究，然而这些初步的实验结果的影响已经大大超过了人工纳米材料的范围，人们更关心现实存在的纳米尺度污染物。随着人类工业的发展，环境中纳米尺度的污染物所占的比例也逐年增加，与人类和生物圈接触的机会更多，这引起了世界各国科学家极大地重视。这里，我们必须指出，这类污染物的起因不是纳米技术产生的，而是自然界和人类活动不自觉地制造出来的，主要来源有两个方面，一是产生于自然界本身，如火山爆发、森林大火、沙尘暴以及危及人类健康的病毒等，都会向环境释放纳米尺度的污染物，这是因为地球的陆地海洋自身就存在大量的纳米尺度物质；二是，人类的工业活
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动、农业活动和其他的活动有意无意地释放了纳米尺度的污染物，而且逐年增加，如烧煤烧油的热电厂、冶炼、化工、水泥等建筑材料的制造业、化肥农药的使用、麦秸燃烧、垃圾焚烧、电焊等都向环境中释放了纳米尺度的有机和无机的污染物，专家们估计通过原材料的燃烧释放的纳米尺度污染物可达１０％～２０％，如把范围再拓宽一些，如抽烟的烟雾、燃烧的蜡烛、燃放的鞭炮实际上也在向环境中释放纳米污染物，虽然释放量比工业活动少得多，但是也应该提醒人们认识到，每个人都可能在日常生活中无意识地释放纳米尺度污染物，因此为了减少纳米尺度污染物的环境安全风险，政府、各个生产部门甚至每个人都有责任。因此，目前环境中污染物并非由纳米技术本身引起的，纳米技术发展仅有２０多年的历史，制造的纳米产品，无论在数量还是价值上还很少，目前还没有造成环境安全的风险，但是就像约束人类其他活动一样，从现在开始也必须对纳米材料进行环境安全风险评估，如果对环境存在的污染物与人工纳米材料不加区别的混为一谈，这是认识上的误区．也不利于纳米技术的发展。
图１人类活动造或的空气和河流的污染
１．２纳米技术为环境安全提供新技术
纳米材料是纳米技术中的一个重要组成部分，纳米材料又包括三维纳米体材料、二维纳米薄膜、一维纳米材料和准零维纳米颗粒材料，还包括由零维、一维、二维纳米材
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料构筑的宏观尺度纳米结构，也包括多孔纳米结构，其中可能对环境带来安全风险的仅仅是零维纳米颗粒和一维纳米线、纳米管等纳米单元，这仅仅是纳米材料中的一小部分，在这部分材料中，也仅仅裸露在空气中的纳米颗粒是重点防范的对象，而纳米材料在生物医药、食品、个人护理和水处理、土壤处理领域中的应用是环境纳米科技研究的重点。在这些领域研究纳米材料的负面效应，目的是更有效地应用纳米材料和纳米技术，总的说来纳米技术和纳米材料在环境安全领域是机遇大于挑战，纳米技术可以帮助人们认识环境中过去从来没有认识的污染物；利用纳米技术可以探测过去采用常规手段无法探测的纳米尺度污染物；纳米技术可以处理常规手段无法处理的纳米尺度污染物。当然，我们采用纳米材料和纳米技术探测纳米污染物时，必须发展新技术防止对环境带来的不利影响。这里我们还想提醒一下，不要谈纳米“色变”，任何技术都是“双刃剑”，纳米技术也不例外，它的负面效应是完全可以克服的。
１．３研究纳米材料负面效应有利于深入认识和
正确使用纳米材料
（１）研究纳米的负面效应是认识纳米科技内涵的重要组成部分
２０年来，人们对纳米材料正面效应的研究取得了丰硕的成果，在纳米体系中诞生许多新的知识，丰富了人们对纳米科学内涵的认识，但是对纳米材料可能存在的负面效应一直未作重点进行研究，这方面的知识创新与前者形成了很大的反差，对纳米材料向各个领域渗透可能产生的环境风险缺乏足够的认识，当前我们必须对纳米材料认知的观念上有一个转折，研究纳米材料负面效应是全面认识纳米材料科学内涵不可缺少的重要方面。
关于纳米材料可能产生的毒副作用的国际学术交流会从２００４年开始每年举行一次，人们对纳米粉体产业的防护问题也提出了质疑。２００５年３月１日，英国《自然》杂志刊登了英国科学家的呼吁，要求对纳米粉体产业的工艺流程进行严格检查．指出了全封闭生产纳米材料的必要性。这是当前摆在纳米产业面前最富有挑战性的问题。２００５年德国的ｌｎｇｒｉｄＢｅｃｋ－Ｓｐｅｉｅｒ等在《自由基生物学
和医学》上发表了论文，报道了碳纳米颗粒和纳米碳管对人体产生的负面作用，指出当纳米碳颗粒的尺度达到５～１０ｎｍ后，将刺激人体内具有免疫功能的巨噬细胞内的磷酰化酶，使前列腺素等产物异常增加，这是造成人体器官炎症的起因，甚至影响人体的免疫功能。ＤＭＢｒｏｗｎ等也研究了氧化钛、Ｐｓ和纳米碳管等纳米颗粒的负面效应，指出了几纳米到几十纳米的颗粒对人体蛋氨酸中硫键有极强的氧化作用，这将导致亚砜的出现，这说明纳米颗粒庞大的比表面、高的氧化电位将对生物体内的半胱氨酸和蛋氨酸有伤害作用。
认识纳米材料的负面效应给企业一个重要启示是必须把纳米材料安全性评价提到重要日程，必须重新审查纳米材料生产线的各个工艺环节是否符合安全要求，是否有纳米材料的泄露问题，在包装以及生产操作的各个环节都必须制定严格的规章制度。
这里谈到纳米材料的负面效应是可以避免的，也是可以克服的。在应用纳米材料时，要注意可能产生纳米负面效应的尺度范围，不是尺度越小越好。如果一定要利用小尺度的纳米材料，必须做表面处理，避免在生物体内应用产生毒副作用。我们发展纳米技术就是要抑制和控制纳米材料的负面效应，发挥纳米材料的正面效应，使纳米产品更加安全稳定。
（２）纳米材料正面效应和负面效应是相互依赖和相互制约的两个方面，在研究中均处于同等重要的地位
过去的十多年来，特别是２００１年美国批准执行ＮＮＩ计划（纳米科技启动计划）以来，掀起了研究和应用纳米科技的热潮，主要集中研究包括纳米材料在内的纳米科技产生的正面效应，研究了纳米材料奇异物性的起因、纳米材料和性能的关系、纳米效应与优异性能的内在联系以及如何应用纳米材料奇特的物性等，却忽视了对纳米材料负面效应的认识和研究，特别是对纳米材料负面效应可能给应用带来的问题研究甚少。最近，纳米材料应用过程中对环境和生物体的各个器官的影响、安全性的评价已经提到了议事日程。２００３～２００４年，在很多著名的国际会议上都讨论了纳米材料安全性的评价问题，人们提出了残留在水中的悬浮纳米颗粒如纳米
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氧化钛对人体有没有伤害？作为药物载体的纳米四氧化三铁对人体的皮肤和其他器官有没有伤害？对具有抗菌功能的银纳米颗粒对人体的皮肤有没有影响？几个纳米的硫化镉等的纳米标记材料植入生物体内有没有毒副作用？从环境安全风险角度来考量，人们对纳米粉体材料可能对环境的危害知道的甚少，这必然给纳米材料的应用带来环境安全的风险。２００４年１０月，美国环保局副局长吉尔曼正式宣布组织１２所大学，拨款４００万美元，开展纳米材料对环境和人可能造成危害的研究，欧洲和日本等发达国家也正在考虑立项，我国２００６年在“９７３”项目中开展了这方面研究，这是一个良好的开端。
（３）环境安全是发展纳米科技的驱动力之一
以应用需求为导向，发展纳米材料制备和应用技术促进产品升级一直是发展纳米科技的必由之路，今后仍需继续坚持，环境安全与产品性能优化均属于应用需求的范畴，都有牵引纳米技术发展的作用，这种新的认识将引领我们以新的思路发展纳米技术。既做到产品性能优化又有利于环保，这就意味着我们研发的纳米技术既能最大限度发挥正面的纳米效应，同时也能控制和抑制纳米负面效应的发生，只有这样才能提高纳米技术应用的有效性。从这个意义上来说，我们在开发纳米制造和应用技术的同时，也要考虑纳米材料的回收技术，减少和抑制纳米材料毒性的处理技术，以及报废纳米材料产品的处理技术，这些技术是减少环境安全风险，应该着力发展的新纳米技术。２
环境纳米科技面临的新研究课题
（１）着手建立纳米尺度有毒化学物质的数据库，进一步明确划分纳米尺度有毒化学物质的范围，以利于重点防范这些物质在生产和应用过程中对环境安全造成的危害
有些物质已明确是有毒性的，但是在材料体系设计、器件构筑和各个领域应用有时是不可缺少的，如Ａｓ，Ｈｇ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｃｒ，Ｐｂ和多种有机物质，如奈，菲，卤代芳香族化合物。二十年前，美国国会已正式通过６５０种化学物质作为公众必须了解的紧急文件早已发布。无疑，这涉及到的６５０种有毒化学物质达到纳米尺度后，毒性的变化目前并不清楚，但是，这些有毒化学物质的纳米
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材料在生产和应用中对环境安全带来的风险必须进行重点研究，以利制定防范措施。摆在我们面前更重要的问题是，原来没有毒性的化学物质到了纳米尺度后是否对环境安全带来新的风险。尺度、形貌对毒性的影响、纳米材料与其他物质相互作用、无机有机复合、无机纳米材料表面有机修饰、纳米粒子与其他物质相互协同作用对毒性的影响、外界环境如温场、光场、ｐＨ值对暴露在环境中的纳米粒子可能带来的安全风险，至今研究甚少，基本处于空白状态。
（２）纳米改性升级产品中由于纳米材料的存在引起环境安全风险的研究，刚刚引起人们的注意
过去的十年，纳米材料，特别是纳米粉体材料在传统产品升级和高科技领域的应用中获得了很大成绩，对科技和产业的进步起到了积极的推动作用，不管遇到什么样的困难，我们必须坚定地沿着这条路走下去。目前，从环境安全的角度，我们也必须对纳米改性的产品，特别是与环境关系密切的产品进行环境安全风险的评估，提高上述产品使用和进入市场的门槛。通过产品标准的制定，把应用纳米材料可能产生环境安全风险降低到可允许的范围内，这包括报废的有纳米材料内涵的电子光学器件、电池、家用电器、塑料制品、橡胶制品、日用化妆品、抗菌抑菌保鲜包装材料和纺织品等。这里最值得注意的是化工产品，如农药、化肥、杀虫剂，因为这些产品与农业关系密切。纳米材料改性后产品功能升级，提高了使用效率，但是无机纳米粒子和有机修饰的纳米粒子以及纳米尺度的有机金属离子的络合物却直接暴露在空气、水和土壤中，这将对环境安全带来风险。如不及时处理，经过长期的累计效应，不但给生态环境带来严重影响，而且还可以通过生物圈、食物链，直接影响人类的健康，因此对这类纳米改性产品的评估，建立有利于环境安全的标准十分重要，有关这方面的研究应该迅速提到议事日程。虽然目前人工的纳米粉体材料给人类的环境安全带来严重影响，但是从现在开始把纳米技术研究并入环境安全的轨道，有利于纳米科技健康地发展。
（３）减少不可再生能源中应用纳米材料可能引起的环境污染
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近年来，为了节省资源和能源，人们对提高石油和煤的燃烧效率作出了很大努力。其中，纳米材料在应用的潮流中，扮演了重要角色，如纳米氧化铈提高了汽油和柴油燃烧效率，在降低ＳＯ２、ＣＯ和ＣＨ烃的排放，发挥了重要作用；纳米氧化铈和过渡族金属硫化物提高煤燃烧效率，减少硫的排放也有好的效果。但是，这些纳米材料也随之暴露在大气和废渣中；为了治理汽车尾气，应用了多种贵金属和过渡族金属纳米材料，这些催化剂也直接暴露在大气中。如何评估这些纳米材料的环境安全风险，也是亟待解决的问题：这些纳米材料尺度小，仅有几十纳米，它们可能随风传输，甚至悬浮在大气层顶部，很难沉淀下来，即使与大气中其他悬浮化学物质相互作用形成较大的团聚体，在重力的作用下沉积下来，也会残留在水和土壤中，它们都是强氧化剂，如何评价它们对环境安全带来的风险，如何利用这些残留的纳米材料作有利于环境安全的处理，都是富有挑战性的研究课题，涉及的学科面宽，也没有较多的科研数据供我们参考。虽然这类暴露在环境中，可能散落在空气中的量，还是微乎其微，远远在环境安全剂量之下，还没有对环境安全构成损害，但是随着人工纳米材料裸露使用机会的增加，避免环境安全风险，从现在开始着手这方面研究十分必要。
（４）以环境安全为导向，以循环经济为准则，对纳米材料进行分级处理
第一是把源头关，在生产应用纳米材料的各个工业环节防止纳米材料的泄露，发展监控纳米材料泄露的技术和装置，制定标准，确定安全风险的最低含量，制定安全操作条例和产品保存及运输的方式，提倡造粒和液态保存，这些措施至今尚未到位，也是纳米材料制造业今后拟解决关键问题之一。第二，对虽然有毒但价值高的纳米材料发展回收、再利用和再处理的技术，这些研究工作十分重要，但至今尚未起步。第三，对不能回收的纳米材料，必须发展对环境友好的绿色处理技术，努力做到不给环境安全带来二次污染，这些工作还有待于进一步开展。第四，应用纳米材料对环境进行修复治理时，在发展增强纳米效应技术的同时，必须确保这些技术不会给环境带来二次污染，虽然这种要求给发展纳米技术带来新的难度，
但是这是下一阶段纳米材料应该重点发展的关键技术之一，关于这一方面研究迫在眉睫。
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环境纳米科技研究的新动向
（１）以绿色加工技术和生产技术为导向，发展环境友好的纳米材料制造技术
应用纳米材料的优越性主要表现在节省资源和性能的提升。纳米材料的活性和增强的催化效应可以在室温甚至低温下提高催化效率，起到了常规催化剂很难发挥的优越性，在节省能源上取得了明显效果。从这个意义上来说，纳米材料的制造业必须加快发展，生产纳米材料和应用纳米材料今后还有很宽广的发展空间。但是从环境安全高度对纳米材料制造加工技术又有新的要求，那就是要最大程度地减小对环境安全的风险。今后一段时间，纳米制造加工技术的创新将聚焦在以下几个方面：①减少废弃物，在每个工艺环节防止纳米材料暴露和释放到空气中，发展报废纳米改性产品的后续处理技术；②选择环境友好的原始材料制备纳米材料，发展原始材料绿色的处理技术；③要把节省资源和能源作为列入绿色纳米制造业的评价体系；④要以循环再利用为导向，发展纳米制造业。
图２纳米粉体生产线操作人员的有效防护
（２）以绿色再生能源为导向，发展绿色纳米材料应用技术
能源和环境是两个关系密切相互依赖的领域，目前，不可再生能源的利用是污染环境的主要源头之一，如煤、石油等粗放能源已经给环境带来了人类历史从来没有过的环境问题。再生能源特别是绿色能源，如太阳能、氢能、风能是今后优先发展的能源领域，把不可燃烧的气体转化为可燃的气体也是能源领域有潜力的研究课题。在推进上述领域研究方面，纳米材料和纳米技术也将发挥关键的作用，如纳米半导体材料对提高太
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阳能电池光电转化效率和电子输运效率有很大的潜力，纳米材料的储氢和释放效应也明显优于传统材料，新型纳米结构催化体系可以把二氧化碳变成可燃的烷烃燃料，纳米材料优越的储热功能和高的热容因子为太阳热能的利用提供了新的机遇。从环境安全高度考虑，发展纳米材料应用技术必须用“绿色”进行约束，不能给环境安全带来风险，设计纳米催化体系应尽量选择对环境友好的纳米材料，如果从功能考虑必须使用有毒的和可能对环境安全产生风险的纳米材料也必须采取有效处理技术，最大限度地减少环境安全的风险，可以通过制定产品标准进行约束，还要注意发展对这类产品报废处理的绿色技术，防止纳米材料可能产生的负面效应。
（３）以痕量快速探测为导向，利用纳米材料和纳米结构发展对有害气体探测技术和简易便携的监控设备
①筛选纳米材料，构筑纳米结构，研发用于快速痕量（编者注：痕量是指物质含量在百万分之一以下）检测有毒有害有机污染物如多氯联苯、二恶英等的纳米技术。②利用增强的纳米效应，如表面吸收、氧化还原、表面拉曼和等离子共振等效应，发展便携实时快速检测和监控设备。③建立污染评价体系和远程数据采集体系。
（４）以环境修复和治理为导向，选择和设计纳米材料体系，防止修复和治理的二次污染
①研究并选择有效进行土壤治理和水处理的纳米材料和纳米结构体系。②研究纳米材料在土壤中传输、迁移的规律以及与土壤中一些有机无机物相互作用的规律，发展相关的评价体系；发展治理和修复地下水的纳米材料和应用技术，判断纳米材料的修复能力，搞清纳米材料修复失效的起因和条件，如何处理失效纳米颗粒；确定用于修复地下水纳米颗粒投放的时间和地点，这里一个重要的关键问题是搞清纳米粒子在水中迁移距离，防止用于修复地下水的纳米粒子进入饮用水区。③发展修复治理的监控技术，有效降低风险，研究纳米材料及其废弃物对生物体（包括动物和植物）的不利影响，发展有效处理技术，把安全风险降低到最低限度和可允许的范围。
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４环境纳米科技研究的新机遇
４．１为纳米科学知识创新提供了新机遇
（１）加强纳米材料负面效应的研究
①对已确定有毒的纳米材料重点研究尺度、形貌、表面积对毒性的影响，研究纳米效应与毒性的相关性；研究单质、化合物和复合物纳米颗粒毒性的差别；研究毒性的表现形式，发展既能控制毒性又能发挥纳米效应的技术，提高纳米材料应用的有效性。②研究基本无毒的化学物质达到纳米尺度后是否存在新的安全风险，研究降低风险、发挥纳米效应的处理技术。③研究富勒烯家族（纳米碳管，C６０等）应用的风险，以利扬长避短，实现纳米碳管的应用价值。④研究自然界存在的纳米材料和人工纳米材料引起环境安全风险的差别。⑤自然界纳米材料在发展绿色环境纳米技术中的作用。
（２）纳米材料在环境中存在的状态、输运和沉降规律的应用基础研究
搞清纳米材料在空气、土壤和水中的存在状态、输运和沉降规律对理解和认识纳米材料可能给环境带来的安全风险很重要，在这方面我们知道的很少，研究刚刚提到议事日程。这些问题的研究将为纳米材料应用减少环境污染提供十分重要的知识基础，也为纳米材料用于环境探测、监控、修复和治理提供科学依据。在这方面拟研究的关键问题包括①纳米颗粒在空气中存在的状态和移动的规律；②纳米颗粒与大气中其他物质包括有机无机悬浮物相互作用的规律：③大气环境变化和重力对纳米颗粒团聚和沉降的影响：④纳米颗粒与水蒸气交互作用的规律。在土壤中和水中纳米颗粒存在的状态和传输的规律已在其他部分进行了描述。
（３）纳米材料通过生物圈和食物链对环境安全和人类健康影响的风险评估
这是一个既复杂又重要的研究课题，它涉及的研究领域多，覆盖面宽，周期长，创新难度大。它涉及人类、动物、植物和土壤、水等生态环境之间的相互依赖关系。如土壤和水中残存的纳米颗粒，除了直接影响人类以外，如何通过生物圈和食物链间接影响人类的健康。水中和土壤中的纳米粒子可以直接进入植物体内，残留在根、茎、枝叶和果实内，纳米颗粒在植物体内输运的规
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律、存在的状态，与生物体内其他物质相互作用以及哪些部位容易富集等都是值得研究的科研问题。动物食用了这些植物后，又把纳米颗粒带入动物体内，人类食用农作物和某些动物后，有可能把纳米粒子带入体内，这种通过食物链把残存在土壤水中的纳米颗粒间接带入人体内的过程是一个潜在的积累过程，不同种类纳米材料在人体各个器官存在的状态是否有差别，如何探测和识别，它们将对人类健康带来什么样的风险，也是应
图３纳米尺度污染物通过食物链的传递
（４）用于个人护理纳米材料产品可能产生负面效应的研究，包括皮肤和脏器的损伤机理
近年来纳米材料应用的一个重要领域是个人护理，如化妆品、防晒霜、外敷药和各种洗涤剂中都有纳米材料的内涵，这些产品与人体的皮肤直接接触，纳米颗粒比人类的毛孔小几百到一千倍，能否通过毛孔进入体内？有些纳米粒子虽然经过有机物修饰，但是在外界环境的影响下，纳米颗粒表面的有机物降解后，无机纳米颗粒将残留在皮肤表面，能否对皮肤造成伤害，对于具有强氧化功能的纳米材料更增加了应用安全的风险，对这些问题并未作系统的研究，也缺乏有效安全评估措施。厂家宣传应用纳米材料，提升个人防护用品功能的同时，也必须指出已采取了防范应用安全的技术措施，在制订产品标准时，应增加产品应用安全的具体指标。
４．２环境安全为纳米技术用于环境探测提供了
创新空间
持续有毒物（ＰＯＰｓ）快速痕量检测是环境安全的重要需求，常规技术对含氯的有机污染物的痕量快速检测缺乏有效性，而纳米材
料在解决上述问题存在明显的优势，这是因为①纳米材料和纳米结构具有高比表面积、高活性、强吸附等特性，结合表面生化修饰技术，可望对ＰＯＰｓ实现高选择性吸附和快速富集；利用纳米材料有利于电子交换的特性和增强的氧化还原效应，可以利用电化学手段对Ｐ０Ｐｓ进行广谱测量，也可以通过表面生化修饰对某种污染物进行高选择性探测。②纳米结构与吸附物发生物理或化学作用后，导致其光、电性能发生变化，并有增强光学响应和光化学响应，依据这一原理可以发展用于快速痕量检测Ｐ０Ｐｓ的纳米技术。③规格化的纳米结构与有机物相互作用，将出现增强纳米效应，进而使二者相互作用的光或电信号增强，这种放大作用源于纳米材料的优越特性，利用这种特性可以开发新型的快速痕量检测的器件。④利用纳米材料强吸附效应有利于实现采样和测量一体化，可以进行原位在线取样和测量，实现快速检测。综上所述，纳米材料在持续有毒物快速痕量检测上可能取到主旋律的作用，是传统材料无法代替的。
图４采用半胱胺和戊二醛通过自组装技术改良的抗
ＴＣＤＤ单克隆抗体，实现对二
英的选择吸附
４．３纳米材料为治理和修复污染环境提供新途径
含卤族元素的有机物，如氯代甲烷，氯代乙烷，三氯乙烯，滴滴涕，六六六，多氯联苯等是最难降解的有机污染物，长期存在水和土壤中，可以通过生物圈、食物链对人体造成伤害，传统技术对这种污染物的治理无能为力，而纳米材料由于高表面和高活性具备了降解这类污染物的能力，实验室已取得令人振奋的结果。１２０μｇ／Ｌ零价铁纳米
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颗粒（６０ｎｍ，５０ｍ２／ｇ）在几十个小时内能清除含氯的有机污染物，效率高达９７％；掺Ｎ的纳米ＴｉＯ２，在可见光的帮助下，可以有效清除水和土壤中的难降解的苯酚、二氯苯酚和五氯苯酚、多孔氧化硅凝胶与金属卟啉的组合体能有效地降解环境中四氯化碳和四氯乙烯，实验表明仅用６～７小时几乎将含氯的有机物清除干净；分别用氨基／羟基／羧基接枝的纳米聚苯胺可以清除残留在水中的金属离子Ｃｕ２＋，Ａｇ＋，Ｆｅ３＋；纳米零价铁能靶向吸附，有效捕获Ａｓ和亚Ａｓ盐等有毒物质；介孔ＳｉＯ２和纳米ＴｉＯ２的组合体能有效地吸附有毒的Ｈｇ蒸气，再经ＴｉＯ２光催化作用，将有毒的Ｈｇ蒸气转化为固态的Ｈｇ的氧化物，并有利于有毒物质的回收；多孔的ＳｉＯ２比表面高达每克几百平方米，通过纳米强吸附效应，可以有效地吸附排放的Ｃｄ和Ｐｂ等有毒的重金属，很可能成为治理有毒重金属的首选材料。
图５零价铁纳米颗粒的制备和对Ｃ６Ｈ６ＣＩ６的有效降解
４．４为发展绿色环境技术提供了技术材料支持
长期以来Ｐｂ、Ｓｎ焊料在电子和微电子行业占有重要的地位，这种焊料存在环境安全的风险。利用纳米技术研发的纳米无Ｐｂ聚合物，如聚苯胺，利用熔点低和导电性，可以取代含Ｐｂ焊料，这种取代Ｐｂ焊料的纳米产品属于绿色纳米技术的范畴；在柴油发动机中，设计和制造含有高比表面纳米ＣｅＯ２涂层的部件可以减少ＳＯ２和ＣＨ化合物废气的排放，可以提高燃烧的效率，降低了环境安全的风险；Ｐｔ作为重要的催化材料，在燃料电池和其他化工领域应用广泛，但Ｐｔ资源有
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限，可以在过渡族金属表面涂上一层纳米Ｐｔ既节省了材料，又提高了催化效率；经纳米技术处理的蒙脱土多孔纳米结构与化肥和农药组合在一起，通过纳米孔的强吸附作用（物理吸附和化学吸附），可以抑制化肥农药的流失，节省化肥农药的使用量，降低对江河湖海的污染。
（本文转载自《自然杂志》２００８年第３０卷第２期Ｐ６７－７３）
作者简介
张立德男，１９３９年２月出生，辽宁营口人。１９６４年７月毕业于北京大学物理系。１９６８年３月中科院金属所研究生毕业。１９８０￣１９８１年在德国马普学会金属研究所进修。１９８１年回国后筹建中国科学院固体
物理研究所。１９９１￣２０００年任中国科学院固体物理研究所所长。现为中科院固体物理研究所资深研究员、博士生导师、所学位委员会主任。国家重点基础研究发展规划项目（９７３）“纳米材料和纳米结构”首席科学家、国家纳米科技协调指导委员会成员、国家攀登预选项目“纳米材料科学”首席科学家、Ｓ８６３新材料和技术主题战略规划专家、中国颗粒学会超微粒子专业委员会主任、中国科学院纳米科技中心学术委员会副主任、中国仪表功能材料学会名誉副理事长、中国材料研究学会理事、安徽省学位委员会委员。
１９８７年，张立德研究员率先在国内开展纳米材料研究，创建了中科院固体所纳米材料与纳米结构研究室和纳米材料应用发展中心，主要从事纳米材料与纳米结构的研究。在纳米材料的科研计划立项、科学研究，以及其技术创新与产业化方面作出了重要贡献。发展了多种合成准一维纳米材料及其有序阵列体系的技术，开展了一维输运性质的
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研究；关于纳米固体光学和物理性质的研究，取得了在国际上有影响的重要结果。自１９９５年以来，致力于发展纳米粉体产业以及纳米材料和技术在传统产业升级中的应用，先后在江苏、浙江等地建立了年产２０吨以上的生产线三条，实现了我国纳米材料产业化零的突破，为我国纳米粉体材料的进一步产业化奠定了坚实的基础。曾获得首届科学前沿中国卓越研究奖、美国汤姆森（Ｔｈｏｍｓｏｎ）２００７科学前沿－卓越研究奖（２００７）、国家自然科学奖二等奖（２００６）、石油化工系统科技进步奖一等奖（２００５）、安徽省自然科学奖一等奖、二等奖（２００２、２０００）、山东省科技进步奖二等奖（２００１）、国家技术发明奖四等奖（１９９９）等多项，并荣获全国“五一”劳动奖章（２００２）、科学出版社和化学工业出版社优秀作者（２００５）、中科院优秀科普工作者（２００５）、杰出科技作家（２００８）、“科学中国人２００７年度人物”（２００８）等称号。撰写了我国第一部纳米材料专著《纳米材料学》（１９９４年），《纳米材料和纳米结构》二部中文专著和一部英文专著（《ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＧｒｏｗｔｈｏｆＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ”，ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，２００７年》）；编著了《材料新星》、《纳米材料》、《第四次浪潮纳米冲击波》、《奇妙纳米世界》、《纳米复合材料》等书，担任了《超微粉体材料制备和应用》、《纳米材料和纳米结构——国家重点基础研究项目新进展》的主编。这些专著得到国内同行的广泛引用，其中《纳米材料学》荣获１９９５年北方十省优秀图书二等奖和１９９８年安徽省科技进步奖二等奖。目前，已获得授权发明专利１８项，实现产业化３项。近年来，在ＳＣＩ杂志上发表论文３００余篇，被引用６０００多次，有１１篇论文超过１００次。其中，ＺｎＯ纳米有序阵列的论文引用超过４００多次，２００６年度位于全国单篇引用的第５名。迄今为止，已培养了博士、硕士研究生５０多名，其中，有３名获得中科院院长特别奖，１０名获得院长优秀奖，有１篇研究生论文获得
２００８年度中科院５０篇优秀论文。
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环境纳米科技研究面临的机遇和挑战
张立德
（中国科学院固体物理研究所，安徽合肥２３００３１）
纳米科技已经取得了举世公认的成绩，人们普遍认为纳米技术充满了活力，是对２１世纪社会、经济和人们生活最有影响力的技术之一。纳米技术发展的势头向各个领域渗透的能力，不亚于１９世纪的电力技术和２０世纪的微电子技术。当前，人类面临的最大挑战是环境问题，高科技的发展带动了社会的进步和经济的繁荣。进入２１世纪，人类社会创造的财富和财富增长的速度是过去历史上任何时期无法比拟的。但是，随着工业高速发展，能源和资源的消耗也是空前的，报废产品和有毒有害物质的排放给环境带来了历史上从来没有过的严重污染。环境安全已给人类敲响了警钟，人们不得不重新思考经济社会发展和环境的和谐，新技术的发展和环境的协调，能源和资源的利用和环境生态的和谐等问题。权威人士普遍认为必须从环境安全的高度重新评价先进技术的价值，以前评价一项技术对社会的贡献主要以创造财富，带动各个领域的发展进行考量，应该说这是无可厚非的，但是在今天财富创造的体系评价中必须增加环境安全风险的评价，对新兴的纳米技术应该纳入这一评价体系，对历史上曾经为社会创造巨大财富的技术也不例外。１９３８年滴滴涕的发明曾经给农业杀虫、除草和家庭消灭蚊蝇、寄生虫等做出了巨大贡献，为此其发明者于１９４８年获得了诺贝尔奖，但是由于对环境安全有重大影响，残留的多氯联苯等有机物至今仍然是环境急需解决的重要问题之一，它对全球生态的影响还在延续。２０世纪６０年代开始国际有关组织做出决定全面禁止使用滴滴涕和六六六，也正是从环境安全的角度对这个曾经对人类社会经济作出贡献的科学技术发明不得不叫停，禁止继续使用。今天，我们必须重新考量纳米技术在创造财富、实现各个领域
的技术升级和开发新产品等领域创造的价值和所做的贡献。环境纳米科技的研究将把纳米科技的发展引向更深层次和健康发展的轨道，当前正处在转折的关键时期，对今后如何发展环境纳米科技，如何发展纳米材料谈点粗浅的看法。１认知上的转折
１．１
从科学的高度正确认识环境污染物的起因
环境中纳米尺度的污染物是污染物中刚刚引起人们关注的一类污染物，这类污染物已在地球上早就存在，历史久远，由于它的尺度小很难用常规手段识别发现，长时间以来并没有引起人们的注意。随着纳米尺度概念的出现，人们才把这类污染物从宏观尺度（微米、毫米等）分离开来，近年来，随着人工纳米颗粒材料研究的深入，人们发现纳米尺度的物质对人类健康可能会产生些副作用，这类研究的目的是为了正确地应用纳米材料，避免安全风险，尽管是实验室研究的为数不多的科研结果，有些方面还没有定论，研究有待于继续深入，但是这些结果已提醒人们要加强人工纳米颗粒材料负面效应的研究，然而这些初步的实验结果的影响已经大大超过了人工纳米材料的范围，人们更关心现实存在的纳米尺度污染物。随着人类工业的发展，环境中纳米尺度的污染物所占的比例也逐年增加，与人类和生物圈接触的机会更多，这引起了世界各国科学家极大地重视。这里，我们必须指出，这类污染物的起因不是纳米技术产生的，而是自然界和人类活动不自觉地制造出来的，主要来源有两个方面，一是产生于自然界本身，如火山爆发、森林大火、沙尘暴以及危及人类健康的病毒等，都会向环境释放纳米尺度的污染物，这是因为地球的陆地海洋自身就存在大量的纳米尺度物质；二是，人类的工业活
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动、农业活动和其他的活动有意无意地释放了纳米尺度的污染物，而且逐年增加，如烧煤烧油的热电厂、冶炼、化工、水泥等建筑材料的制造业、化肥农药的使用、麦秸燃烧、垃圾焚烧、电焊等都向环境中释放了纳米尺度的有机和无机的污染物，专家们估计通过原材料的燃烧释放的纳米尺度污染物可达１０％～２０％，如把范围再拓宽一些，如抽烟的烟雾、燃烧的蜡烛、燃放的鞭炮实际上也在向环境中释放纳米污染物，虽然释放量比工业活动少得多，但是也应该提醒人们认识到，每个人都可能在日常生活中无意识地释放纳米尺度污染物，因此为了减少纳米尺度污染物的环境安全风险，政府、各个生产部门甚至每个人都有责任。因此，目前环境中污染物并非由纳米技术本身引起的，纳米技术发展仅有２０多年的历史，制造的纳米产品，无论在数量还是价值上还很少，目前还没有造成环境安全的风险，但是就像约束人类其他活动一样，从现在开始也必须对纳米材料进行环境安全风险评估，如果对环境存在的污染物与人工纳米材料不加区别的混为一谈，这是认识上的误区．也不利于纳米技术的发展。
图１人类活动造或的空气和河流的污染
１．２纳米技术为环境安全提供新技术
纳米材料是纳米技术中的一个重要组成部分，纳米材料又包括三维纳米体材料、二维纳米薄膜、一维纳米材料和准零维纳米颗粒材料，还包括由零维、一维、二维纳米材
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料构筑的宏观尺度纳米结构，也包括多孔纳米结构，其中可能对环境带来安全风险的仅仅是零维纳米颗粒和一维纳米线、纳米管等纳米单元，这仅仅是纳米材料中的一小部分，在这部分材料中，也仅仅裸露在空气中的纳米颗粒是重点防范的对象，而纳米材料在生物医药、食品、个人护理和水处理、土壤处理领域中的应用是环境纳米科技研究的重点。在这些领域研究纳米材料的负面效应，目的是更有效地应用纳米材料和纳米技术，总的说来纳米技术和纳米材料在环境安全领域是机遇大于挑战，纳米技术可以帮助人们认识环境中过去从来没有认识的污染物；利用纳米技术可以探测过去采用常规手段无法探测的纳米尺度污染物；纳米技术可以处理常规手段无法处理的纳米尺度污染物。当然，我们采用纳米材料和纳米技术探测纳米污染物时，必须发展新技术防止对环境带来的不利影响。这里我们还想提醒一下，不要谈纳米“色变”，任何技术都是“双刃剑”，纳米技术也不例外，它的负面效应是完全可以克服的。
１．３研究纳米材料负面效应有利于深入认识和
正确使用纳米材料
（１）研究纳米的负面效应是认识纳米科技内涵的重要组成部分
２０年来，人们对纳米材料正面效应的研究取得了丰硕的成果，在纳米体系中诞生许多新的知识，丰富了人们对纳米科学内涵的认识，但是对纳米材料可能存在的负面效应一直未作重点进行研究，这方面的知识创新与前者形成了很大的反差，对纳米材料向各个领域渗透可能产生的环境风险缺乏足够的认识，当前我们必须对纳米材料认知的观念上有一个转折，研究纳米材料负面效应是全面认识纳米材料科学内涵不可缺少的重要方面。
关于纳米材料可能产生的毒副作用的国际学术交流会从２００４年开始每年举行一次，人们对纳米粉体产业的防护问题也提出了质疑。２００５年３月１日，英国《自然》杂志刊登了英国科学家的呼吁，要求对纳米粉体产业的工艺流程进行严格检查．指出了全封闭生产纳米材料的必要性。这是当前摆在纳米产业面前最富有挑战性的问题。２００５年德国的ｌｎｇｒｉｄＢｅｃｋ－Ｓｐｅｉｅｒ等在《自由基生物学
和医学》上发表了论文，报道了碳纳米颗粒和纳米碳管对人体产生的负面作用，指出当纳米碳颗粒的尺度达到５～１０ｎｍ后，将刺激人体内具有免疫功能的巨噬细胞内的磷酰化酶，使前列腺素等产物异常增加，这是造成人体器官炎症的起因，甚至影响人体的免疫功能。ＤＭＢｒｏｗｎ等也研究了氧化钛、Ｐｓ和纳米碳管等纳米颗粒的负面效应，指出了几纳米到几十纳米的颗粒对人体蛋氨酸中硫键有极强的氧化作用，这将导致亚砜的出现，这说明纳米颗粒庞大的比表面、高的氧化电位将对生物体内的半胱氨酸和蛋氨酸有伤害作用。
认识纳米材料的负面效应给企业一个重要启示是必须把纳米材料安全性评价提到重要日程，必须重新审查纳米材料生产线的各个工艺环节是否符合安全要求，是否有纳米材料的泄露问题，在包装以及生产操作的各个环节都必须制定严格的规章制度。
这里谈到纳米材料的负面效应是可以避免的，也是可以克服的。在应用纳米材料时，要注意可能产生纳米负面效应的尺度范围，不是尺度越小越好。如果一定要利用小尺度的纳米材料，必须做表面处理，避免在生物体内应用产生毒副作用。我们发展纳米技术就是要抑制和控制纳米材料的负面效应，发挥纳米材料的正面效应，使纳米产品更加安全稳定。
（２）纳米材料正面效应和负面效应是相互依赖和相互制约的两个方面，在研究中均处于同等重要的地位
过去的十多年来，特别是２００１年美国批准执行ＮＮＩ计划（纳米科技启动计划）以来，掀起了研究和应用纳米科技的热潮，主要集中研究包括纳米材料在内的纳米科技产生的正面效应，研究了纳米材料奇异物性的起因、纳米材料和性能的关系、纳米效应与优异性能的内在联系以及如何应用纳米材料奇特的物性等，却忽视了对纳米材料负面效应的认识和研究，特别是对纳米材料负面效应可能给应用带来的问题研究甚少。最近，纳米材料应用过程中对环境和生物体的各个器官的影响、安全性的评价已经提到了议事日程。２００３～２００４年，在很多著名的国际会议上都讨论了纳米材料安全性的评价问题，人们提出了残留在水中的悬浮纳米颗粒如纳米
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氧化钛对人体有没有伤害？作为药物载体的纳米四氧化三铁对人体的皮肤和其他器官有没有伤害？对具有抗菌功能的银纳米颗粒对人体的皮肤有没有影响？几个纳米的硫化镉等的纳米标记材料植入生物体内有没有毒副作用？从环境安全风险角度来考量，人们对纳米粉体材料可能对环境的危害知道的甚少，这必然给纳米材料的应用带来环境安全的风险。２００４年１０月，美国环保局副局长吉尔曼正式宣布组织１２所大学，拨款４００万美元，开展纳米材料对环境和人可能造成危害的研究，欧洲和日本等发达国家也正在考虑立项，我国２００６年在“９７３”项目中开展了这方面研究，这是一个良好的开端。
（３）环境安全是发展纳米科技的驱动力之一
以应用需求为导向，发展纳米材料制备和应用技术促进产品升级一直是发展纳米科技的必由之路，今后仍需继续坚持，环境安全与产品性能优化均属于应用需求的范畴，都有牵引纳米技术发展的作用，这种新的认识将引领我们以新的思路发展纳米技术。既做到产品性能优化又有利于环保，这就意味着我们研发的纳米技术既能最大限度发挥正面的纳米效应，同时也能控制和抑制纳米负面效应的发生，只有这样才能提高纳米技术应用的有效性。从这个意义上来说，我们在开发纳米制造和应用技术的同时，也要考虑纳米材料的回收技术，减少和抑制纳米材料毒性的处理技术，以及报废纳米材料产品的处理技术，这些技术是减少环境安全风险，应该着力发展的新纳米技术。２
环境纳米科技面临的新研究课题
（１）着手建立纳米尺度有毒化学物质的数据库，进一步明确划分纳米尺度有毒化学物质的范围，以利于重点防范这些物质在生产和应用过程中对环境安全造成的危害
有些物质已明确是有毒性的，但是在材料体系设计、器件构筑和各个领域应用有时是不可缺少的，如Ａｓ，Ｈｇ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｃｒ，Ｐｂ和多种有机物质，如奈，菲，卤代芳香族化合物。二十年前，美国国会已正式通过６５０种化学物质作为公众必须了解的紧急文件早已发布。无疑，这涉及到的６５０种有毒化学物质达到纳米尺度后，毒性的变化目前并不清楚，但是，这些有毒化学物质的纳米
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材料在生产和应用中对环境安全带来的风险必须进行重点研究，以利制定防范措施。摆在我们面前更重要的问题是，原来没有毒性的化学物质到了纳米尺度后是否对环境安全带来新的风险。尺度、形貌对毒性的影响、纳米材料与其他物质相互作用、无机有机复合、无机纳米材料表面有机修饰、纳米粒子与其他物质相互协同作用对毒性的影响、外界环境如温场、光场、ｐＨ值对暴露在环境中的纳米粒子可能带来的安全风险，至今研究甚少，基本处于空白状态。
（２）纳米改性升级产品中由于纳米材料的存在引起环境安全风险的研究，刚刚引起人们的注意
过去的十年，纳米材料，特别是纳米粉体材料在传统产品升级和高科技领域的应用中获得了很大成绩，对科技和产业的进步起到了积极的推动作用，不管遇到什么样的困难，我们必须坚定地沿着这条路走下去。目前，从环境安全的角度，我们也必须对纳米改性的产品，特别是与环境关系密切的产品进行环境安全风险的评估，提高上述产品使用和进入市场的门槛。通过产品标准的制定，把应用纳米材料可能产生环境安全风险降低到可允许的范围内，这包括报废的有纳米材料内涵的电子光学器件、电池、家用电器、塑料制品、橡胶制品、日用化妆品、抗菌抑菌保鲜包装材料和纺织品等。这里最值得注意的是化工产品，如农药、化肥、杀虫剂，因为这些产品与农业关系密切。纳米材料改性后产品功能升级，提高了使用效率，但是无机纳米粒子和有机修饰的纳米粒子以及纳米尺度的有机金属离子的络合物却直接暴露在空气、水和土壤中，这将对环境安全带来风险。如不及时处理，经过长期的累计效应，不但给生态环境带来严重影响，而且还可以通过生物圈、食物链，直接影响人类的健康，因此对这类纳米改性产品的评估，建立有利于环境安全的标准十分重要，有关这方面的研究应该迅速提到议事日程。虽然目前人工的纳米粉体材料给人类的环境安全带来严重影响，但是从现在开始把纳米技术研究并入环境安全的轨道，有利于纳米科技健康地发展。
（３）减少不可再生能源中应用纳米材料可能引起的环境污染
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近年来，为了节省资源和能源，人们对提高石油和煤的燃烧效率作出了很大努力。其中，纳米材料在应用的潮流中，扮演了重要角色，如纳米氧化铈提高了汽油和柴油燃烧效率，在降低ＳＯ２、ＣＯ和ＣＨ烃的排放，发挥了重要作用；纳米氧化铈和过渡族金属硫化物提高煤燃烧效率，减少硫的排放也有好的效果。但是，这些纳米材料也随之暴露在大气和废渣中；为了治理汽车尾气，应用了多种贵金属和过渡族金属纳米材料，这些催化剂也直接暴露在大气中。如何评估这些纳米材料的环境安全风险，也是亟待解决的问题：这些纳米材料尺度小，仅有几十纳米，它们可能随风传输，甚至悬浮在大气层顶部，很难沉淀下来，即使与大气中其他悬浮化学物质相互作用形成较大的团聚体，在重力的作用下沉积下来，也会残留在水和土壤中，它们都是强氧化剂，如何评价它们对环境安全带来的风险，如何利用这些残留的纳米材料作有利于环境安全的处理，都是富有挑战性的研究课题，涉及的学科面宽，也没有较多的科研数据供我们参考。虽然这类暴露在环境中，可能散落在空气中的量，还是微乎其微，远远在环境安全剂量之下，还没有对环境安全构成损害，但是随着人工纳米材料裸露使用机会的增加，避免环境安全风险，从现在开始着手这方面研究十分必要。
（４）以环境安全为导向，以循环经济为准则，对纳米材料进行分级处理
第一是把源头关，在生产应用纳米材料的各个工业环节防止纳米材料的泄露，发展监控纳米材料泄露的技术和装置，制定标准，确定安全风险的最低含量，制定安全操作条例和产品保存及运输的方式，提倡造粒和液态保存，这些措施至今尚未到位，也是纳米材料制造业今后拟解决关键问题之一。第二，对虽然有毒但价值高的纳米材料发展回收、再利用和再处理的技术，这些研究工作十分重要，但至今尚未起步。第三，对不能回收的纳米材料，必须发展对环境友好的绿色处理技术，努力做到不给环境安全带来二次污染，这些工作还有待于进一步开展。第四，应用纳米材料对环境进行修复治理时，在发展增强纳米效应技术的同时，必须确保这些技术不会给环境带来二次污染，虽然这种要求给发展纳米技术带来新的难度，
但是这是下一阶段纳米材料应该重点发展的关键技术之一，关于这一方面研究迫在眉睫。
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环境纳米科技研究的新动向
（１）以绿色加工技术和生产技术为导向，发展环境友好的纳米材料制造技术
应用纳米材料的优越性主要表现在节省资源和性能的提升。纳米材料的活性和增强的催化效应可以在室温甚至低温下提高催化效率，起到了常规催化剂很难发挥的优越性，在节省能源上取得了明显效果。从这个意义上来说，纳米材料的制造业必须加快发展，生产纳米材料和应用纳米材料今后还有很宽广的发展空间。但是从环境安全高度对纳米材料制造加工技术又有新的要求，那就是要最大程度地减小对环境安全的风险。今后一段时间，纳米制造加工技术的创新将聚焦在以下几个方面：①减少废弃物，在每个工艺环节防止纳米材料暴露和释放到空气中，发展报废纳米改性产品的后续处理技术；②选择环境友好的原始材料制备纳米材料，发展原始材料绿色的处理技术；③要把节省资源和能源作为列入绿色纳米制造业的评价体系；④要以循环再利用为导向，发展纳米制造业。
图２纳米粉体生产线操作人员的有效防护
（２）以绿色再生能源为导向，发展绿色纳米材料应用技术
能源和环境是两个关系密切相互依赖的领域，目前，不可再生能源的利用是污染环境的主要源头之一，如煤、石油等粗放能源已经给环境带来了人类历史从来没有过的环境问题。再生能源特别是绿色能源，如太阳能、氢能、风能是今后优先发展的能源领域，把不可燃烧的气体转化为可燃的气体也是能源领域有潜力的研究课题。在推进上述领域研究方面，纳米材料和纳米技术也将发挥关键的作用，如纳米半导体材料对提高太
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阳能电池光电转化效率和电子输运效率有很大的潜力，纳米材料的储氢和释放效应也明显优于传统材料，新型纳米结构催化体系可以把二氧化碳变成可燃的烷烃燃料，纳米材料优越的储热功能和高的热容因子为太阳热能的利用提供了新的机遇。从环境安全高度考虑，发展纳米材料应用技术必须用“绿色”进行约束，不能给环境安全带来风险，设计纳米催化体系应尽量选择对环境友好的纳米材料，如果从功能考虑必须使用有毒的和可能对环境安全产生风险的纳米材料也必须采取有效处理技术，最大限度地减少环境安全的风险，可以通过制定产品标准进行约束，还要注意发展对这类产品报废处理的绿色技术，防止纳米材料可能产生的负面效应。
（３）以痕量快速探测为导向，利用纳米材料和纳米结构发展对有害气体探测技术和简易便携的监控设备
①筛选纳米材料，构筑纳米结构，研发用于快速痕量（编者注：痕量是指物质含量在百万分之一以下）检测有毒有害有机污染物如多氯联苯、二恶英等的纳米技术。②利用增强的纳米效应，如表面吸收、氧化还原、表面拉曼和等离子共振等效应，发展便携实时快速检测和监控设备。③建立污染评价体系和远程数据采集体系。
（４）以环境修复和治理为导向，选择和设计纳米材料体系，防止修复和治理的二次污染
①研究并选择有效进行土壤治理和水处理的纳米材料和纳米结构体系。②研究纳米材料在土壤中传输、迁移的规律以及与土壤中一些有机无机物相互作用的规律，发展相关的评价体系；发展治理和修复地下水的纳米材料和应用技术，判断纳米材料的修复能力，搞清纳米材料修复失效的起因和条件，如何处理失效纳米颗粒；确定用于修复地下水纳米颗粒投放的时间和地点，这里一个重要的关键问题是搞清纳米粒子在水中迁移距离，防止用于修复地下水的纳米粒子进入饮用水区。③发展修复治理的监控技术，有效降低风险，研究纳米材料及其废弃物对生物体（包括动物和植物）的不利影响，发展有效处理技术，把安全风险降低到最低限度和可允许的范围。
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４环境纳米科技研究的新机遇
４．１为纳米科学知识创新提供了新机遇
（１）加强纳米材料负面效应的研究
①对已确定有毒的纳米材料重点研究尺度、形貌、表面积对毒性的影响，研究纳米效应与毒性的相关性；研究单质、化合物和复合物纳米颗粒毒性的差别；研究毒性的表现形式，发展既能控制毒性又能发挥纳米效应的技术，提高纳米材料应用的有效性。②研究基本无毒的化学物质达到纳米尺度后是否存在新的安全风险，研究降低风险、发挥纳米效应的处理技术。③研究富勒烯家族（纳米碳管，C６０等）应用的风险，以利扬长避短，实现纳米碳管的应用价值。④研究自然界存在的纳米材料和人工纳米材料引起环境安全风险的差别。⑤自然界纳米材料在发展绿色环境纳米技术中的作用。
（２）纳米材料在环境中存在的状态、输运和沉降规律的应用基础研究
搞清纳米材料在空气、土壤和水中的存在状态、输运和沉降规律对理解和认识纳米材料可能给环境带来的安全风险很重要，在这方面我们知道的很少，研究刚刚提到议事日程。这些问题的研究将为纳米材料应用减少环境污染提供十分重要的知识基础，也为纳米材料用于环境探测、监控、修复和治理提供科学依据。在这方面拟研究的关键问题包括①纳米颗粒在空气中存在的状态和移动的规律；②纳米颗粒与大气中其他物质包括有机无机悬浮物相互作用的规律：③大气环境变化和重力对纳米颗粒团聚和沉降的影响：④纳米颗粒与水蒸气交互作用的规律。在土壤中和水中纳米颗粒存在的状态和传输的规律已在其他部分进行了描述。
（３）纳米材料通过生物圈和食物链对环境安全和人类健康影响的风险评估
这是一个既复杂又重要的研究课题，它涉及的研究领域多，覆盖面宽，周期长，创新难度大。它涉及人类、动物、植物和土壤、水等生态环境之间的相互依赖关系。如土壤和水中残存的纳米颗粒，除了直接影响人类以外，如何通过生物圈和食物链间接影响人类的健康。水中和土壤中的纳米粒子可以直接进入植物体内，残留在根、茎、枝叶和果实内，纳米颗粒在植物体内输运的规
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律、存在的状态，与生物体内其他物质相互作用以及哪些部位容易富集等都是值得研究的科研问题。动物食用了这些植物后，又把纳米颗粒带入动物体内，人类食用农作物和某些动物后，有可能把纳米粒子带入体内，这种通过食物链把残存在土壤水中的纳米颗粒间接带入人体内的过程是一个潜在的积累过程，不同种类纳米材料在人体各个器官存在的状态是否有差别，如何探测和识别，它们将对人类健康带来什么样的风险，也是应
图３纳米尺度污染物通过食物链的传递
（４）用于个人护理纳米材料产品可能产生负面效应的研究，包括皮肤和脏器的损伤机理
近年来纳米材料应用的一个重要领域是个人护理，如化妆品、防晒霜、外敷药和各种洗涤剂中都有纳米材料的内涵，这些产品与人体的皮肤直接接触，纳米颗粒比人类的毛孔小几百到一千倍，能否通过毛孔进入体内？有些纳米粒子虽然经过有机物修饰，但是在外界环境的影响下，纳米颗粒表面的有机物降解后，无机纳米颗粒将残留在皮肤表面，能否对皮肤造成伤害，对于具有强氧化功能的纳米材料更增加了应用安全的风险，对这些问题并未作系统的研究，也缺乏有效安全评估措施。厂家宣传应用纳米材料，提升个人防护用品功能的同时，也必须指出已采取了防范应用安全的技术措施，在制订产品标准时，应增加产品应用安全的具体指标。
４．２环境安全为纳米技术用于环境探测提供了
创新空间
持续有毒物（ＰＯＰｓ）快速痕量检测是环境安全的重要需求，常规技术对含氯的有机污染物的痕量快速检测缺乏有效性，而纳米材
料在解决上述问题存在明显的优势，这是因为①纳米材料和纳米结构具有高比表面积、高活性、强吸附等特性，结合表面生化修饰技术，可望对ＰＯＰｓ实现高选择性吸附和快速富集；利用纳米材料有利于电子交换的特性和增强的氧化还原效应，可以利用电化学手段对Ｐ０Ｐｓ进行广谱测量，也可以通过表面生化修饰对某种污染物进行高选择性探测。②纳米结构与吸附物发生物理或化学作用后，导致其光、电性能发生变化，并有增强光学响应和光化学响应，依据这一原理可以发展用于快速痕量检测Ｐ０Ｐｓ的纳米技术。③规格化的纳米结构与有机物相互作用，将出现增强纳米效应，进而使二者相互作用的光或电信号增强，这种放大作用源于纳米材料的优越特性，利用这种特性可以开发新型的快速痕量检测的器件。④利用纳米材料强吸附效应有利于实现采样和测量一体化，可以进行原位在线取样和测量，实现快速检测。综上所述，纳米材料在持续有毒物快速痕量检测上可能取到主旋律的作用，是传统材料无法代替的。
图４采用半胱胺和戊二醛通过自组装技术改良的抗
ＴＣＤＤ单克隆抗体，实现对二
英的选择吸附
４．３纳米材料为治理和修复污染环境提供新途径
含卤族元素的有机物，如氯代甲烷，氯代乙烷，三氯乙烯，滴滴涕，六六六，多氯联苯等是最难降解的有机污染物，长期存在水和土壤中，可以通过生物圈、食物链对人体造成伤害，传统技术对这种污染物的治理无能为力，而纳米材料由于高表面和高活性具备了降解这类污染物的能力，实验室已取得令人振奋的结果。１２０μｇ／Ｌ零价铁纳米
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颗粒（６０ｎｍ，５０ｍ２／ｇ）在几十个小时内能清除含氯的有机污染物，效率高达９７％；掺Ｎ的纳米ＴｉＯ２，在可见光的帮助下，可以有效清除水和土壤中的难降解的苯酚、二氯苯酚和五氯苯酚、多孔氧化硅凝胶与金属卟啉的组合体能有效地降解环境中四氯化碳和四氯乙烯，实验表明仅用６～７小时几乎将含氯的有机物清除干净；分别用氨基／羟基／羧基接枝的纳米聚苯胺可以清除残留在水中的金属离子Ｃｕ２＋，Ａｇ＋，Ｆｅ３＋；纳米零价铁能靶向吸附，有效捕获Ａｓ和亚Ａｓ盐等有毒物质；介孔ＳｉＯ２和纳米ＴｉＯ２的组合体能有效地吸附有毒的Ｈｇ蒸气，再经ＴｉＯ２光催化作用，将有毒的Ｈｇ蒸气转化为固态的Ｈｇ的氧化物，并有利于有毒物质的回收；多孔的ＳｉＯ２比表面高达每克几百平方米，通过纳米强吸附效应，可以有效地吸附排放的Ｃｄ和Ｐｂ等有毒的重金属，很可能成为治理有毒重金属的首选材料。
图５零价铁纳米颗粒的制备和对Ｃ６Ｈ６ＣＩ６的有效降解
４．４为发展绿色环境技术提供了技术材料支持
长期以来Ｐｂ、Ｓｎ焊料在电子和微电子行业占有重要的地位，这种焊料存在环境安全的风险。利用纳米技术研发的纳米无Ｐｂ聚合物，如聚苯胺，利用熔点低和导电性，可以取代含Ｐｂ焊料，这种取代Ｐｂ焊料的纳米产品属于绿色纳米技术的范畴；在柴油发动机中，设计和制造含有高比表面纳米ＣｅＯ２涂层的部件可以减少ＳＯ２和ＣＨ化合物废气的排放，可以提高燃烧的效率，降低了环境安全的风险；Ｐｔ作为重要的催化材料，在燃料电池和其他化工领域应用广泛，但Ｐｔ资源有
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限，可以在过渡族金属表面涂上一层纳米Ｐｔ既节省了材料，又提高了催化效率；经纳米技术处理的蒙脱土多孔纳米结构与化肥和农药组合在一起，通过纳米孔的强吸附作用（物理吸附和化学吸附），可以抑制化肥农药的流失，节省化肥农药的使用量，降低对江河湖海的污染。
（本文转载自《自然杂志》２００８年第３０卷第２期Ｐ６７－７３）
作者简介
张立德男，１９３９年２月出生，辽宁营口人。１９６４年７月毕业于北京大学物理系。１９６８年３月中科院金属所研究生毕业。１９８０￣１９８１年在德国马普学会金属研究所进修。１９８１年回国后筹建中国科学院固体
物理研究所。１９９１￣２０００年任中国科学院固体物理研究所所长。现为中科院固体物理研究所资深研究员、博士生导师、所学位委员会主任。国家重点基础研究发展规划项目（９７３）“纳米材料和纳米结构”首席科学家、国家纳米科技协调指导委员会成员、国家攀登预选项目“纳米材料科学”首席科学家、Ｓ８６３新材料和技术主题战略规划专家、中国颗粒学会超微粒子专业委员会主任、中国科学院纳米科技中心学术委员会副主任、中国仪表功能材料学会名誉副理事长、中国材料研究学会理事、安徽省学位委员会委员。
１９８７年，张立德研究员率先在国内开展纳米材料研究，创建了中科院固体所纳米材料与纳米结构研究室和纳米材料应用发展中心，主要从事纳米材料与纳米结构的研究。在纳米材料的科研计划立项、科学研究，以及其技术创新与产业化方面作出了重要贡献。发展了多种合成准一维纳米材料及其有序阵列体系的技术，开展了一维输运性质的
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研究；关于纳米固体光学和物理性质的研究，取得了在国际上有影响的重要结果。自１９９５年以来，致力于发展纳米粉体产业以及纳米材料和技术在传统产业升级中的应用，先后在江苏、浙江等地建立了年产２０吨以上的生产线三条，实现了我国纳米材料产业化零的突破，为我国纳米粉体材料的进一步产业化奠定了坚实的基础。曾获得首届科学前沿中国卓越研究奖、美国汤姆森（Ｔｈｏｍｓｏｎ）２００７科学前沿－卓越研究奖（２００７）、国家自然科学奖二等奖（２００６）、石油化工系统科技进步奖一等奖（２００５）、安徽省自然科学奖一等奖、二等奖（２００２、２０００）、山东省科技进步奖二等奖（２００１）、国家技术发明奖四等奖（１９９９）等多项，并荣获全国“五一”劳动奖章（２００２）、科学出版社和化学工业出版社优秀作者（２００５）、中科院优秀科普工作者（２００５）、杰出科技作家（２００８）、“科学中国人２００７年度人物”（２００８）等称号。撰写了我国第一部纳米材料专著《纳米材料学》（１９９４年），《纳米材料和纳米结构》二部中文专著和一部英文专著（《ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＧｒｏｗｔｈｏｆＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ”，ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，２００７年》）；编著了《材料新星》、《纳米材料》、《第四次浪潮纳米冲击波》、《奇妙纳米世界》、《纳米复合材料》等书，担任了《超微粉体材料制备和应用》、《纳米材料和纳米结构——国家重点基础研究项目新进展》的主编。这些专著得到国内同行的广泛引用，其中《纳米材料学》荣获１９９５年北方十省优秀图书二等奖和１９９８年安徽省科技进步奖二等奖。目前，已获得授权发明专利１８项，实现产业化３项。近年来，在ＳＣＩ杂志上发表论文３００余篇，被引用６０００多次，有１１篇论文超过１００次。其中，ＺｎＯ纳米有序阵列的论文引用超过４００多次，２００６年度位于全国单篇引用的第５名。迄今为止，已培养了博士、硕士研究生５０多名，其中，有３名获得中科院院长特别奖，１０名获得院长优秀奖，有１篇研究生论文获得
２００８年度中科院５０篇优秀论文。