納米花兒開

　　當時尚男女們熱衷于買花送給心愛的戀人時，做夢都沒有想到科學家們已經“培植”出了極其微小的新式花朵。這些花非常非常小，比人的頭發絲還小數千倍；花的整體尺寸通常為幾微米，花瓣厚度僅為幾百納米。要知道，1納米等于10⁹米，1微米僅為百萬分之一米。這是一些只能在高倍電子顯微鏡下才能看得見、一般的光學顯微鏡根本無法分辨的花朵，科學家們稱之為“納米花”。
　　日常生活中，當人們種植觀花植物時，必須等上幾個禮拜或幾個月才能看到自己辛勤勞作的成果。但在實驗室里，這些比人的頭發絲微小數千倍的納米花有時在幾個小時內就能“生長”出來。培育它們的“園丁”不是園藝師，不是花農，而是化學家、材料學家，或是納米技術專家。
　　最近，筆者做了一次有關納米花的調查。結果顯示，2003年以前，幾乎沒有關于納米花的報道；2004年~2008年，納米花的相關報道逐漸增多，但每年的文獻數不超過10篇；2009年以后，有關納米花的報道快速增多，其中，2010年的報道數量超過了30篇；2011年前3個月，納米花報道數量竟達到20多篇。
　　納米藝術是近年來才出現的新生事物，是納米技術與藝術的完美結合。納米花是納米藝術的重要題材，也是納米材料的重要組成部分，直接反映了當今納米科學技術的發展水平。
　　
　　納米花有什么用
　　
　　納米花，說到底就是幾何形態似花，但細節尺寸卻為納米量級的顆粒。因此，但凡納米顆粒具有的用途，納米花也都有。
　　納米顆粒到底有什么用途呢?讓我們列舉一些比較典型的吧!
　　首先是作為納米氣敏傳感器。氣敏傳感器的主要工作原理是被檢測氣體與傳感器表面發生反應，引起傳感器表面某種性質發生變化(如電阻、電導、電壓、阻抗等)，傳感器將這種變化轉變為電信號，人們通過對電信號的分析，即可得到有關氣體濃度、成分等的相關信息。研究表明，納米氧化鋅、納米氧化錫等材料接觸酒精、汽車尾氣等氣體時，電阻都會發生顯著改變，因此這些納米顆粒可望在檢查司機酒后駕駛、環境檢測等方面，發揮重要作用。
　　第二是應用于太陽能電池板領域。瑞士國家材料科學與技術實驗室的一項研究表明，如果在太陽能面板表面黏上聚苯乙烯微球，并在微球表面“種植”密密麻麻的氧化鋅納米線，太陽能板吸收陽光的有效面積會大幅度提高，發電效率可以提高75％左右。
　　第三是在加熱、冷卻技術方面。近來，美國俄勒岡州大學的研究人員勝浩町等人研究了化學反應試劑中維生素c對納米氧化鋅形貌的影響，在銅的表面上得到了酷似斑葉馬齒莧的氧化鋅納米結構。他們聲稱，“在銅的表面覆蓋上納米尺度的磷片狀氧化鋅層可以顯著提高銅的熱傳輸特性”，這一發現“將在加熱、冷卻技術方面帶來一場新的革命”。
　　第四是光催化作用。研究發現，在光照條件下納米氧化鈦具有優良的光催化特性，可加速某些有機物的降解，在污水處理等方面具有廣泛的應用前景。
　　此外，納米碳化硅等還具有自清潔特性。當霧氣和水滴落到經納米氧化硅改性的材料表面時，就會像露珠在荷葉表面那樣滑落下來。因此，納米碳化硅可用來制作防水材料，如汽車的擋風玻璃，甚至是建筑外墻。
　　講到這里，有人肯定會問，除了表面形貌差異外，納米花到底和納米顆粒還存在什么區別呢?和普通的納米顆粒相比，納米花通常具有大量針狀或片狀的花瓣，這使得它們具有更大的表面積，更好的表面活性，因此，在上述各項應用中自然也就會有更佳表現。可見，納米花并非華而不實，只是用來欣賞的。
　　
　　納米花是怎樣培育出來的
　　
　　和常規的花完全不同，納米花大多都是研究人員在實驗室里通過化學方法、物理方法制備的。從目前納米花的研究現狀來看，水熱法應該屬于最常使用的納米花制備方法。水熱法又稱熱液法，屬液相化學法的范疇，是指在密封的壓力容器中，以水為溶劑，在高溫高壓條件下進行的化學反應。水熱反應依據反應類型的不同可分為水熱結晶、水熱氧化、水熱合成、水熱水解等。在納米花的制備中，水熱結晶法應用得最為廣泛。目前，科學家們已經利用水熱法成功制備了氧化鋅納米菊花、氧化鋅納米萬年草、氧化鋅納米八瓣梅花、鋁納米五角花、氧化鈦納米芍藥等等。
　　第二類納米花的制備方法是氣相沉積法。這里，所謂的氣相沉積法是指讓兩種及兩種以上的氣態物質在基底上沉積生長。在生長過程中，沉積物可能發生化學反應，也可能僅是依靠分子間的吸附作用沉積在一起。前者被稱為化學氣相沉積法，后者則被稱為物理氣相沉積法。為了促使納米花的快速生長，化學氣相沉積法中常常還會在生長基體表面布上微小的催化劑顆粒。
　　采用氣相沉積法，科學家們已經成功制備出了各種各樣的納米花，如氧化鋅納米茶花、硫化鉬納米牡丹、納米碳管“仙人球”、碳化硅納米風信子、氮化銦納米剪秋羅、氮化硅款冬花等。
　　第三種制備方法為分子束外延方法。所謂分子束外延方法，就是在單晶襯底(基底)上生長一層有一定要求的、與襯底晶體方向相同的單晶層，就猶如原來的晶體向外延伸了一段。2008年秋季，美國材料學會舉辦了一年兩度的“科學就是藝術”大賽。臺灣國立大學凝聚態物質科學中心衛派春博士的納米花榮獲一等獎。這是一張纖維鋅礦結晶氮化銦納米花的電子顯微鏡照片，經過電腦著色處理后酷似一朵火紅的玫瑰；納米玫瑰的每個花瓣的尺寸為幾十納米。其制備方法采用的就是分子束外延方法，即使用高純度的銦，以及疊氮酸作為氮源，在基體表面沉積生長。
　　第四種方法為電子束雕刻技術。即用電子束雕刻機對一種名叫聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的有機物薄膜進行刻蝕，獲得PMMA納米菊花、PMMA六瓣梅花列陣等。
　　除了上述方法以外，還有滴涂法，即在旋轉的基體表面滴上某種有機溶液，利用溶液和基體之間的作用獲得納米花；直流電弧法，即在氣態特殊環境下進行電弧放電，在陰極或陽極上得到花樣的納米結構等等。
　　當然，如果運氣好的話，只需要將電子顯微鏡對準生物切片，或者試件斷口，有時也會觀察到一些美妙的納米花。
　　
　　納米花的分類
　　
　　最近，筆者在撰寫一本名為《千姿百態的納米花》的專著。該書共收錄了近7年來的納米花140余種／朵。這些納米花包括納米玫瑰、納米菊花、納米芍藥、納米茶花、納米火球花、納米藍刺頭、納米丁香花、納米康乃馨、納米黃金葉球、納米八瓣梅花……
　　從花瓣的形態上來看，納米花有針狀花瓣、絲狀花瓣，以及片狀花瓣。針狀花瓣納米花的典型代表為材料學家米哈·蘭道的氧化鋅納米鐵樹花、我國學者曹峰等人的硫化鎳納米玉山佛甲草花、洛倫佐·薩博等的含苞待放的納米球蘭花、我國學者郎雷鳴等人的帶毛刺外殼的硫化鎳納米板栗等。絲狀花瓣的納米花有我國學者韓玉濤等人的硫化錫納米發財樹花、新加坡國立大學吳義宏博士的納米碳管仙人球、楊梅等人的納米珊瑚花等。片狀花瓣的納米花有我國中南大學材料學家張寧博士等人的氧化鋅納米茶花、美國威斯康辛州大學史劍博士的氧化鋅納米康乃馨、美國密歇根州大學物理系學生阿彼錫·普拉薩德的硒化鎘／硫化鋅納米丁香花、美國俄亥俄州大學傳感系統研究所波特教授的納米氧化錫黃腺香青花等。
　　從材質來分，納米花又可以分為氧化物納米花、硫化物納米花、氮化物納米花、無機鹽納米花、碳材料納米花、半導體材料納米花、生物和有機物納米花等。氧化物納米花又包括氧化鋅納米花、氧化鈦納米花、氧化硅納米花、氧化鐵納米花、氧化銅納米花和氧化錫納米花等；碳材料納米花則主要包括納米碳管納米花、碳富勒烯納米花和碳纖維納米花。需要注意的是，目前，氧化物納米花已占到納米花總數的50％以上，硫化物納米花的比例也高達13％左右。
　　從制備的手段及方法來看，納米花有的是采用液相法制備的，即在溶液中利用化學反應得到或通過結晶法制備的；有的是采用氣一固法制備的，即讓氣態物質在基體上化學沉積或物理沉積生長而成；有的是用電子束雕刻機雕刻的；有的是有意制備的；有的則是無意間偶然發現的。
　　“培育”納米花并非易事
　　最近，網上流傳著一則故事，名字叫“賣火柴的小女孩(納米版)——只有博士生才能讀懂其中的滋味”。故事說的是一名可憐的女博士，為了完成學業，整天泡在實驗室，做夢都想制備出哪怕僅是一款規則的納米結構。讀完文章后，雖然覺得有些夸張，心里仍酸酸的。作為一名從事過納米研究的工作者，筆者深知實驗室里要得到特定納米結構有多么困難，何況還是一款漂亮的納米花結構。
　　欣賞納米花是一件賞心悅目的事。但實際上，要在實驗室里“培育”出朵朵納米花卻非易事。為了制備出像樣的納米花，試驗中溶液的酸堿度、化學反應中反應物的組分、反應時間、催化劑、分散劑、溫度等各種條件都要把握得恰到好處。絕大多數情況下，試驗產物都會因某種條件沒有把握好而僅是一些烏七八糟的不明物質；電子顯微鏡下，這些不明物質黑乎乎的一片，更別提什么納米結構和納米花了。
　　
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