中學理科教師應掌握的新型碳納米材料及其應用

張玉勇

【內容摘要】納米科學與納米材料基礎知識逐漸進入中學課堂，但大部分中學理科教師的納米知識相對薄弱。本文通過對迅速發展的碳納米材料知識的介紹，期待在中學教育中能引起廣大師生對納米知識的興趣，使中學理科教師的職業發展得到進一步提升。

【關鍵詞】中學理科教師 納米教育 碳納米材料 生物傳感器

隨著納米技術的不斷發展，納米材料在各個領域的不斷應用，納米與我們生活的聯系越來越緊密。在我國，“納米”一詞早已走進了中學課本，學生對這部分知識很感興趣。然而，納米科學是一個新的領域，大多數中學理科教師大學畢業年代較早，以前讀書時學到的納米材料與技術的知識相對較少，導致學生詢問時出現窘境的情況時有發生。

我國《國家納米科技發展綱要（2001-2010）》明確指出，要加強納米科技人才培養，重視培養高質量人才，要從學校教育抓起。在一次面向深圳市三區六校高三理科生的調查中，針對“高中階段，你上過幾次有關納米材料與納米技術的理論課”這一問題，共發放問卷220份，收回有效問卷206份，回收率93.6%。調查結果如圖1所示，只有近四分之一的同學上課次數在10次以上，幾乎一半的同學上課次數不足5次。由此可見，中學教師向學生介紹納米材料的次數是非常少的，遠遠不能滿足社會發展對納米教育的需求。因此，中學理科教師必須緊跟時代步伐，更新與納米材料相關的知識，并將其融入到自己的教學實踐中，激發學生的興趣并培養他們的科學素養，使我們的教學始終保持旺盛的活力和足夠的吸引力，在中學階段就為高素質創新型人才的培養打下堅實的基礎。

一、納米印象

納米是一個長度單位，1 nm=10-9 m。1nm大約為4到5個原子排列起來的長度，或者說1nm相當于頭發絲直徑的十萬分之一。納米材料是納米級結構材料的簡稱。狹義的納米材料是指納米顆粒構成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸范圍為1～100nm。在自然界中，我們能找到納米尺寸的例子。人類工程學家發現，一個DNA分子的寬度約2.5納米，長度最長可達1米，最小的病毒分子長度約25納米；典型的蛋白質分子長約10納米。我們的手指甲一秒鐘大約長長一納米。每年市場上新出現的納米產品的數量以接近指數的速度在增長，有研究指出，2005年在美國市場上只有54種納米產品，而到了2011年，就有1317種納米產品可供消費者選擇。納米科技正以前所未有的速度快速進入人們的日常生活之中。

二、新型碳納米材料

近三十年來，新型碳納米材料已成為國際科學發展的前沿領域之一。在碳的幾種同素異形體（金剛石、石墨、無定型碳、富勒烯和石墨烯）中，人們關注最多的是足球烯、碳納米管和石墨烯。這三種碳的同素異形體因其在力學、電學等方面的優異性能而被人們寄予厚望。

1.足球烯

英國波譜學家克羅托、美國的科爾教授和研究原子簇化學的斯莫利教授在1985年發現了C60。C60是富勒烯的典型代表，是具有32個面的球狀結構，由12個五邊形和20個六邊形組成，五邊形互不連接，而是與五個六邊形相接，每個六邊形又與3個六邊形和3個五邊形間隔相接，碳原子位于頂角上。60個碳原子分布在60個全等頂點處，形成一個中空的籠子，外觀酷似英式足球，所以又稱足球烯。

2.碳納米管

1991年日本的一個研究小組用理論計算的方法，預測了無限拉伸的管狀結構物質的電子結構。同年，日本NFC公司電鏡專家飯島澄男博士發現了管狀結構的碳原子簇，稱為碳納米管。從此，碳納米管正式走向科研和應用的舞臺，并因其奇特的性質吸引了大批的基礎研究工作者進行研究。

3.石墨烯

石墨烯結構非常穩定，它是目前世界上最薄、最堅硬的納米材料。石墨烯因為很薄，所以幾乎是完全透明的。石墨烯特殊的電子結構、特異的電子性能和極好的電子運輸能力，使其在高靈敏度檢測領域具有獨特的優勢。

三、新型碳納米材料在電化學生物傳感器方面的應用

生物傳感器（Biosensor），是近30年發展起來的一項新型的分析測量技術，對被分析物質具有特定的識別作用，并且能夠將被分析物質的濃度轉化為信號進行檢測的裝置。它是由具有分子識別能力的生物活性物質（如：酶、微生物、動植物組織切片、抗原或抗體、DNA等）與物理或化學換能器相結合而構成，是生物醫學與電子學、工程學相互滲透結合的一種新型信息技術。

碳納米材料由于其高的比表面積、較好的生物相容性和高表面反應活性，導致其吸附能力增強、表面活性位點增加、催化效率提高。足球烯、碳納米管和石墨烯等被越來越多的科技工作者用來制作電化學生物傳感器。碳納米管的發現，在很大程度上豐富了碳材料的研究內容，引發了跨世紀的材料革命。

四、總結與展望

新型碳納米材料是納米材料的重要組成部分，蘊含著理論上的勃勃生機及實踐上的無限潛力。通過對這部分內容的學習，希望對廣大中學理科教師的職業發展起到一定的推動作用。提高公民的納米科技素養，培養合格的納米科技工作者，向全體公民普及納米科普知識，使科技元素與我們的日常生活緊密融合，已成為廣大教師義不容辭的責任。

（作者單位：廣東省深圳市寶安中學）