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1、纳米技术与环境纳米技术的环境收益纳米微粒可以通过产品工艺及产品本身使环境受益。传统材料需要更多原材料，生产过 程需要消耗更多的能源，或者是会对环境产生一定的危害，而纳米材料可以替代传统材料 （Masciangioli和Zhang2003）。看来新的纳米技术可以加强环境保护并促进对污染的发现 和治理。越来越多的纳米微粒都已经“具备了特殊功能”，也就是说人们对这些微粒的表面进行了 设计，使其可以发生特定的化学或生物反应（表1）。这就为我们提供了全新的机制，使我 们可以在人类以及动物体内有针对性地输送药物，或是在农作物体内有针对性地输送杀虫剂 和化肥。有针对性地输送有助于使我们以非常小的剂量就能够更
2、加有效地利用这些物质，甚 至还有可能减少化学品和材料的用量，尤其是那些对环境产生负面影响的物质，例如杀虫剂。改善对环境的监测纳米技术的发展可能会对环境（室内及室外环境）产生益处的一个方面就是它可以降低 环境监测仪器的成本并提高其敏感度，在某些情况下监测仪器的敏感度可能会比现有的仪器 提高数千倍甚至数百万倍。例如，新的蛋白质纳米技术传感器可以探测到浓度大约为10 一 15或千万亿分之一的汞，而这在以前是根本无法实现的（Bontidean1998）。人类通过利用 氧化铕的纳米微粒已经开发了一种敏感度极高的方法来测量一种名为阿特拉津（Atrazine） 的除草剂在水中的含量，因为这种杀虫剂经常会污染
3、地下水（Feng等2003）。许多采用新纳米技术的监测仪器已经开始实时实地运行了，这些仪器可以同时测量一 系列数量众多的污染物和有毒制剂。快速检测过程可以使我们迅速做出反应，从而把产生的 损害降到最低程度并减少治理成本（专栏3）。修复污染利用纳米技术的各种解决方案同样也可以从源头上减少或预防污染以及有毒物质的排 放。以金属氧化物或金属纳米微粒形成的纳米结构的催化剂有望减少工业废气以及汽车尾气 的排放（Rickerby和Morrison2006）。例如，许多贵重金属的纳米微粒都可以和汽车尾气中有毒的一氧化碳（CO）发生氧化反应，从而形成危害性较小的二氧化碳。专栏3：利用纳米技术进行环境监测纳米技
4、术可以用来改善空气质量和水质的监测。例如，微型空气质量监测仪可以通过测 量相关气体分子出现在水的表面时其导电性发生的变化有选择地检测一氧化碳（CO）和二 氧化氮（NO2），其他包括甲烷、臭氧和苯在内的气体也都可以被检测出来。电子疏导氏口监空气打染的炒点问篇纳米乖晶全甚再汜物的您昙是监测室七廖量的四 悉七体伟感嚣的关继鲍起奉分.藏尊：出哲施业s虫PJUga由心wuAr.心M氓Mi椅卸水中的污染或1度在埼人电子波导人口后就会*过生楠化学措感 每，从而主弄可以同时楼:削出捍以上的污染物.蒸St: KNfJ皿&居占他-Uhirtrsih-T心加h薛瓦 Js/iAni时尸瑚心t府升析秘口在某些实际应用当
5、中，采用纳米技术的传感器的性能超过了传统的空气污染监测仪器 （上左图）。这些传感器反应更加快速，具有实时分析能力，地理分辨率极大提高，操作步 骤简化，同时还降低了应用成本。这些传感器非常适合对城市地区的地方性污染峰值进行监 测。为了保证饮用水的安全，我们有必要对污染物（杀虫剂、抗生素、自然毒素、致癌物、 工业废物等）进行精确度为毫微克（也就是1 g的十亿分之一）每升的监测。一种新的生化 传感器可以通过微型免疫测定系统（上右图）利用一种集成光学芯片对来自不同水源的水进 行分析。大约20分钟后，传感器就可以检测并提供30多种不同物质的数据。这种仪器可以 重复利用多达500次，之后才需要重新生成其表
6、面的化学物质。在纳米范围内，许多微粒都表现出了出色的治理污染物的能力。二氧化钛（TiO2）的 纳米微粒可以吸收光能，然后与周围的有机分子发生氧化反应。人类正在利用这种光催化剂 的特性生产各种涂层来吸收和氧化污染物，如汽车尾气和工业生产排放的废气（Strini等 2005）。我们可以利用这些特性来开发具有自我清洁功能的表层（例如通过捕获空气中的污 染物颗粒从而具有自我清洁功能的玻璃和墙壁）。一些纳米结构的材料还有望能够对水和地下水进行清洁。现在可以在市场上买到过滤病 原体以及其他不需要的物质的纳米多孔膜。一些科学家建议利用铁的纳米微粒作为化学还原 剂来治理地下水的污染问题。铁的纳米微粒发生氧化反
7、应后会成为铁锈，与自然状况下发生 反应的过程完全一样。通过利用纳米微粒具有很大表面积的特点，具有磁性的铁的纳米晶体 可以被用来去除饮用水中的砷。根据相关报道，这种方法对饮用水中污染物的去除能力是标 准去污技术的100多倍。另外一个创新性的方法就是在氧化铁微粒的表面覆盖一层特定分子 的涂层，这些分子可以有选择地与污染物分子或离子结合。在被释放到水里以后，这些涂层 中的微粒就可以吸附污染物，然后我们可以利用一个磁场来聚集并回收这些物质。节约能源和资源一些新的纳米催化剂在室温下就可以使用。与传统催化剂相比，这一点就具有很大的优 势，因为传统催化剂一般都需要在高温条件下才能发生反应，同时需要消耗大量能
8、源。这些能够在室温下发生反应的纳米催化剂为纳米结构材料在小规模的消费群体和国内产品的广 泛应用铺平了道路。通过提供环境友好型的方法来替代现行的方法，纳米技术还有可能改 变能源的生产、储存和消耗方式（专栏5）。一些纳米技术可以提高目前的能源利用效率并 减少二氧化碳的排放量，这包括生产燃料电池需要的纳米结构的催化剂、改进锂离子电池的 电极材料（Tarascon和Armand2001）以及改进光电池中的纳米多孔硅和二氧化钛等（Stalmans等1998，Pizzini等2005）。在窗玻璃上覆盖纳米光选择性的涂层可以减少能源 消耗，同时还可以改善室内的空气质量（专栏4）。专栏4：节约能源的窗户从能源
9、角度来看，窗户的效率并不高。天气热时，阳光可以穿过玻璃使室内的温度升 高，随之也增加了室内制冷的需要。而在天气较冷时，室内的相当一部分热量都通过窗户被 散失到了室外，造成了热能的浪费。根据各国情况的不同，有相当一部分能源可能都被用在 了建筑物的供暖和制冷上。纳米窗户涂层则让我们看到了减少能源消耗量和二氧化碳排放量的希望。专为炎热气候 设计的涂层允许可见光穿过玻璃，但却能阻止红外线的进入。而在寒冷的气候条件下，纳米 涂层可以通过阻止光热被辐射回室外而更加有效地利用光线和热能。其他还在开发之中的涂 层可以根据气候或光线角度的变化而做出不同反应。目前，反射涂层的生产成本还很高。尽管所谓的“吸收性涂层
10、”的性能稍微逊色，但它们 却为我们提供了廉价的选择。含有六硼化镧（LaB6）纳米微粒的涂层现在已经进入市场， 并被用来生产成本效率更高的玻璃窗。在节约资源方面，纳米技术同样展示了巨大的潜力。在生产阶段，纳米技术使我们有可 能减少对那些具有明显的“环境足迹”的材料的使用量，并以对环境产生较少影响的材料取而 代之，从而更有效地利用原材料。我们在这方面已经开展了一些研究，通过利用可再生能源 或储量巨大的资源（例如采用以碳为原料的纳米产品替代贵重金属）制造了一些纳米结构的 材料。我们应该在这方面制定更加积极的策略来支持纳米材料的回收或再利用。利用强度高重量轻的纳米材料还可以延长塑料等传统材料的寿命，并
11、实现交通及其他领 域的能源节约。例如，碳纳米管就是分子级的碳圆柱，它们具有全新的特性，包括很高的强 度、独特的导电性以及非常高效的导热性。这就使得这种材料在电子学、光学和其他材料科 学领域具有广阔的用途。这种材料未来有可能会被广泛应用于普通的消费产品中。专栏5：纳米技术与更好的能源选择晶锂离子电也中使国的址苦招尚皂板此电亍景威统 招抠学.告-个儿年岛止度均为2如皿.锂电池具有更高的安全性且寿命更长通过使用含有锂钻氧化物的纳米结构的电极，可充电锂电池的功率输出可以提高50%。 这些锂电池从本质上具有比普通电池更高的安全性，它们具有更快的充电或放电率，在充电 时能够更好地适应因锂离子的移动而造成的
12、膨胀。人们已经使用锂电池为多种仪器提供能 量，而其中的许多都是在非常偏远的地区和极端环境中进行工作，包括海洋和太空。包括纳米结构的镉和铜铟二硒在内的许多种纳米材料都被证明在太阳能技术领域 （包括 光电池）非常有效。半导体材料细层可以被用在一些廉价的底基上，例如用玻璃、塑料或是 金属来制造光电池。与传统的硅太阳能电池相比，这种电池需要的半导体材料更少，同时生 产成本也大大降低。更好地储存温室气体零排放燃料使引夜悭村的新爻通工鼻尚溢堂土体排旌m雅冲 札怔牌有fit于我同m存.正在开发之中的新型交通工具的能量来源是通过将氢燃料转化为电能而提供的，这一过 程产生的副产品只有水。因此，这种交通工具有望减
13、少交通运输行业的温室气体排放量。然 而，氢气是一种极易燃的气体，因此在储存和运输方面都存在很多问题。有助于对氢气进行 储存的纳米材料有金属氢化物（氢气与金属发生反应生成的化合物）。某些金属氢化物在接 近室温和几个大气压的的条件下就可以发生反应，从而使它们成为储存氢气的最佳候选者。 然而，它们发生吸附和解吸作用的速度较慢。纳米结构材料则可以通过提供快速的氢扩散途 径来解决这一问题。政府以及私营机构很快都认识到了纳米技术带来的显而易见的好处，但同时我们还需要 对在这些新领域开展研究的总成本进行评估，包括产品的生命周期成本。例如，许多纳米结 构的材料在使用过程中能够节约能源，但它们的生产过程却有可能需要耗费很多能源。成本效益分析还必须考虑这些材料对环境产生的实际影响，同时，我们还应对被释放到 环境中的纳米微粒的最终归宿及其运动过程进行全面的调查研究。
