袁凱捷

繼互聯(lián)網(wǎng)、基因之后，納米現(xiàn)象成為世人關(guān)注的又一個(gè)“焦點(diǎn)”， 80年代初期納米材料這一概念形成以后，諾貝爾化學(xué)獎得主哈里·克羅托（Harry Kroto）就曾經(jīng)將納米技術(shù)的重要性與瓦特的蒸汽機(jī)相提并論.世界搶占納米技術(shù)的熱潮一浪高過一浪.從全球角度看，在納米技術(shù)的應(yīng)用上，目前日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于歐美國家，居世界領(lǐng)先地位.我國在80年代就開始搞基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，已將納米技術(shù)研究列入國家“攀登計(jì)劃”、“863”計(jì)劃和“火炬計(jì)劃”等，并且已經(jīng)取得了很大成果.納米技術(shù)看似神秘，其實(shí)，它已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活.它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識到它的發(fā)展可能給日常生活、醫(yī)藥、能源、交通、環(huán)保、醫(yī)藥 和化工等領(lǐng)域的研究帶來新的機(jī)遇.

既然，這一項(xiàng)新興技術(shù)讓世界各國站在同一起跑線上，我們完全可以利用我國扎實(shí)的基礎(chǔ)教育在中學(xué)階段開發(fā)和實(shí)踐納米課程，爭取能培養(yǎng)更多學(xué)生對于科學(xué)的興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為高校輸送一些愿意在科學(xué)道路上繼續(xù)埋頭苦干的學(xué)子.

本文筆者主要想和大家一起討論在高中階段開展納米課程的一點(diǎn)思考，選擇高中生這個(gè)群體，是因?yàn)樗麄円呀?jīng)在初中階段學(xué)過了物理、生物、化學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，這樣對于接受納米知識做好了一些科學(xué)準(zhǔn)備.幸運(yùn)的是，筆者所在的學(xué)校十分重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，裝備了納米實(shí)驗(yàn)室，也為筆者進(jìn)一步開發(fā)課程資源提供了近水樓臺的條件.

我們可以在高中階段對學(xué)生開發(fā)哪些納米課程資源呢？能在中學(xué)裝備納米實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校不多，高校的課程對于高中生又太難，在實(shí)踐中我們只能摸著石頭過河，我們相信將來隨著納米技術(shù)的普及，會有更多的學(xué)校開設(shè)這樣的課程，這里我們只能是拋磚引玉，提一些自己粗淺的想法.

1 了解納米和納米技術(shù)

1.1 讓學(xué)生知道納米究竟是什么東西？

納米（nm）實(shí)際上是一種計(jì)量單位，從宏觀的角度上看1米等于100萬微米，而1微米等于1000納米；從微觀上看，納米是描述原子、分子等尺寸及其距離，1納米僅等于十億分之一米，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個(gè)納米.納米小得可愛，卻威力無比，它可以對材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，并發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性.科學(xué)家們說，納米這個(gè)“小東西”將給人類生活帶來的震憾會比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)更深刻、更廣泛、更持久.

1.2 讓學(xué)生知道納米技術(shù)應(yīng)用廣泛

在汽車行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用十分廣闊.特別是納米技術(shù)的集成，可以使這個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生新的亮點(diǎn)，擁有更清潔的能源、更好的安全性能，更強(qiáng)的馬力等等.這些方面已經(jīng)引起一些大公司的關(guān)注，預(yù)計(jì)在近期內(nèi)可形成約10億美元的市場.

在建材行業(yè)，納米技術(shù)的全面應(yīng)用，將使這個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)生翻天覆地的一場革命，綠色家具、環(huán)保潔具、綠色裝修、清潔能源等等，將徹底改變?nèi)祟惖纳?

在紡織行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將給人類提供更加舒適的著裝，提供更優(yōu)良品質(zhì)的功能纖維，甚至可以應(yīng)用到國防技術(shù)上，從而引發(fā)紡織面料的又一次革命，提高我國紡織品的附加值和我國紡織業(yè)的整體實(shí)力水平，同時(shí)大大提高我國纖維產(chǎn)業(yè)在國際市場的競爭力，把我國從紡織大國變成真正的紡織強(qiáng)國.

在機(jī)械行業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用，將解決該行業(yè)的一些難題，加速產(chǎn)品的升級換代，提升我國機(jī)械工業(yè)的水平，從而促進(jìn)我國的加工制造業(yè)飛速發(fā)展，承擔(dān)起世界加工廠的重任.

在改造傳統(tǒng)工業(yè)部門的同時(shí)，納米經(jīng)濟(jì)也在促進(jìn)著新興經(jīng)濟(jì)部門的不斷發(fā)展和創(chuàng)新.下面讓我們具體的來看一下納米技術(shù)對新興經(jīng)濟(jì)的作用.

在電子信息產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展克服以強(qiáng)場效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等為代表的物理限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件和制備技術(shù).這將是對信息產(chǎn)業(yè)和其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的一場深刻的革命.這些技術(shù)的突破將全面地改變?nèi)祟惖纳娣绞?正如美國《新技術(shù)周刊》指出，納米技術(shù)在電子信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，將成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長的一個(gè)主要發(fā)動機(jī)，其作用可使微電子學(xué)在20世紀(jì)后半葉對世界的影響相形見絀.

納米技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、人類健康等生命科學(xué)領(lǐng)域有重大應(yīng)用.在納米生物材料、微細(xì)加工、光學(xué)顯示、生物信息和分子生物學(xué)等技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，發(fā)展生物芯片技術(shù)，形成新型生物分子識別的專家系統(tǒng)、臨床疾病檢測系統(tǒng)、藥物篩選系統(tǒng)和生物工業(yè)活性監(jiān)測系統(tǒng)等實(shí)用化技術(shù)，具有重要的社會與經(jīng)濟(jì)前景.

納米技術(shù)在環(huán)保產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，將使處理“三廢”的手段更有效率，使人類居住的環(huán)境得到很大程度的改善.我國為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對新型納米環(huán)境材料及技術(shù)也提出了新的迫切需求.

2 了解我們身邊的納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用

這樣的例子舉不勝舉，完全可以讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)自己搜尋，然后再相互溝通和交流.

比如：日本的8 mm攝像機(jī)的生產(chǎn)，抗菌除臭冰箱、洗衣機(jī)、高性能彩打墨粉等，都是采用的納米技術(shù)，如果在分散的納米分子材料上經(jīng)過特殊處理，再運(yùn)用到纖維物體上，那么衣服就可以不粘油、不粘水，由于納米分子非常非常小，它不會影響纖維物體的透氣性和清洗效果.

又如：納米技術(shù)用在醫(yī)學(xué)上，專家們把磁性納米復(fù)合高分子微粒用于細(xì)胞分離，或者把非常細(xì)小磁性納米微粒，放入一種液體中，然后讓病人喝下后，對人身體的病灶部位進(jìn)行治療，并且通過操縱，可使納米微粒在人的身體病灶部位聚集進(jìn)行有目標(biāo)的治療，在不破壞正常細(xì)胞的情況下，可以把癌細(xì)胞等分離出來，也可以制成靶向藥物控釋納米微粒載體（俗稱“生物導(dǎo)彈”），用于治療腦栓塞等疾病，同時(shí)也可用納米技術(shù)生產(chǎn)出納米探針（微型機(jī)器人）深入體內(nèi)治療疾病或清理體內(nèi)垃圾等.如果在火箭燃料中加入不到1%的納米鋁粉，就可將燃燒能力提高一倍，納米技術(shù)如果應(yīng)用在陶瓷上，可使陶瓷具有超塑性，大大增強(qiáng)了陶瓷的韌性，不怕摔，不怕碎，陶瓷堅(jiān)固無比.另外，戴上涂有納米涂料的眼鏡，在寒冷的冬季，人們從室外進(jìn)入室內(nèi)，就能避免眼鏡上蒙上一層水氣.令科學(xué)家高興的是，納米鈦與樹脂化合后生成的多種全新涂料，具有多種同類產(chǎn)品無法相比的優(yōu)越性，在海水中浸泡10年不損，并具有神奇的自我修復(fù)能力和自潔性，納米鈦還作為唯一對人植物神經(jīng)、味覺沒有任何影響的金屬，其用途廣泛.

3 利用掃描隧道顯微鏡TSTM看微觀世界并制作簡單的納米材料

3.1 了解掃描隧道顯微鏡的原理，學(xué)會操作掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡Scanning Tunneling Microscope縮寫為STM.它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率.此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具.

STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一.

掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料.就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個(gè)原子組成）.一個(gè)小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個(gè)材料，到底層表面.當(dāng)探針通過單個(gè)的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來.電流在流過一個(gè)原子的時(shí)候有漲有落，如此便極其細(xì)致地探出它的輪廓.在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單個(gè)原子的美麗圖片.

操作掃描隧道顯微鏡是個(gè)精細(xì)活兒，學(xué)生需要在教師指導(dǎo)下分步驟反復(fù)訓(xùn)練才能逐漸熟練起來.制作一個(gè)良好的針尖是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，而針尖的材料是鉑金，為了讓這個(gè)價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)耗材以后少損失，教師特別需要指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)初學(xué)好此基本功，這就如同學(xué)武功的人一定要練好馬步一樣.同時(shí)，學(xué)生還需要學(xué)會操作軟件，記錄數(shù)據(jù)和圖像，因此學(xué)生需要具備一定的操作電腦的能力.

3.2 學(xué)會制作納米材料

比如Fe納米材料的制備方法可以分為兩種：

（1）物理制備方法

具體又包含氣相法、惰性氣體蒸發(fā)、原位加壓制備法、磁控濺射法與等離子體法等.

（2）化學(xué)制備方法

具體又包含水熱法、溶膠-凝膠法、噴霧干燥法、微乳法等.

我們可以與學(xué)生用其中一兩種方法嘗試制作Fe納米材料并[HJ1.73mm]研究其性質(zhì)，這需要學(xué)生具備一定的物理、化學(xué)知識功底.

4 了解假納米和納米技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)

4.1 納米打假

納米技術(shù)并非高不可攀，但也決非人人都能“納”一把，因此，我們要提前做好納米技術(shù)的打假工作，為納米技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造良好的空間.現(xiàn)在只要留心大城市的市場上，打著“納米家用電器”、“納米防輻射衣服”、“納米防紫外線化妝品”、“納米太陽傘”等新奇廣告招牌隨處可見，就如同“綠色食品”、“基因食品”、“數(shù)字電視”等一樣，“前衛(wèi)”商品堂而皇之地?cái)[在商場的柜臺上，納米技術(shù)的用途相當(dāng)廣泛這點(diǎn)不錯，但還沒有到廣泛地應(yīng)用階段，因此，一些企業(yè)借納米造勢，趁老百姓對納米技術(shù)的內(nèi)涵還不太清楚，或把一點(diǎn)點(diǎn)皮毛的加工謊稱為納米技術(shù)，甚至置納米材料不會釋放微波這一普通常識不顧，聲稱自己產(chǎn)品能釋放保健微波來欺騙消費(fèi)者.

學(xué)生既然在學(xué)校學(xué)習(xí)了相應(yīng)的納米知識，應(yīng)該去更多地影響身邊的人，幫助大家識別真假納米，這其實(shí)也是學(xué)生學(xué)以致用的過程，在這過程中，學(xué)生會更多地查找資料，思考討論，更進(jìn)一步提高了科學(xué)研究的能力.

4.2 納米技術(shù)的負(fù)面效應(yīng)

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉元方院士說，隨著納米科技的迅猛發(fā)展，各種性能優(yōu)異的納米材料已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走出來，成為觸手可及的商品，但除了產(chǎn)品功能，這些新型材料對生態(tài)環(huán)境的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被我們了解.

目前需要解決的問題是，原來沒有毒性的化學(xué)物質(zhì)到了納米尺度后是否對環(huán)境安全帶來新的風(fēng)險(xiǎn).目前有關(guān)尺度、形貌對毒性的影響，納米材料與其他物質(zhì)相互作用，外界環(huán)境如溫場、光場、pH值對暴露在環(huán)境中的納米粒子可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)等方面的研究甚少，基本處于空白狀態(tài).因此，需要著手建立納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步明確劃分納米尺度有毒化學(xué)物質(zhì)的范圍，以利于重點(diǎn)防范這些物質(zhì)在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對環(huán)境安全造成的危害.

同時(shí)，在納米改性升級產(chǎn)品中，對納米材料存在引起環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)的研究，也才剛剛引起人們的注意.其中最值得注意的是化工產(chǎn)品，如農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑，因?yàn)檫@些產(chǎn)品與農(nóng)業(yè)關(guān)系密切.納米材料改性后產(chǎn)品功能升級，提高了使用效率，但是無機(jī)納米粒子和有機(jī)修飾的納米粒子，以及納米尺度的有機(jī)金屬離子的絡(luò)合物卻直接暴露在空氣、水和土壤中，它們給環(huán)境安全帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起高度重視.

雖然納米技術(shù)的很多負(fù)面效應(yīng)還在研究階段，但是我們在高中階段把這項(xiàng)內(nèi)容也放在課程資源中是希望學(xué)生了解任何技術(shù)的兩面性，培養(yǎng)“小科學(xué)家”的人文情懷.

中學(xué)納米創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室受到了教育部的極大關(guān)注，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心將其作為教育部“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)之子課題進(jìn)行研究和開發(fā).我們利用納米實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生營造獨(dú)立思考、自主探索、自由發(fā)展的空間和新型的教學(xué)環(huán)境，通過新型的教學(xué)環(huán)境的裝備規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定構(gòu)建具有21世紀(jì)工作環(huán)境特征的學(xué)習(xí)系統(tǒng).我們著力開發(fā)和實(shí)踐納米課程資源，也是為了保護(hù)學(xué)生的好奇心，著力培養(yǎng)學(xué)生用于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的創(chuàng)新能力，適應(yīng)第三次工業(yè)革命經(jīng)濟(jì)發(fā)展范式的需要.