[科普中国]-纳米纤维

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料，此外，将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维也称为纳米纤维。狭义上讲，纳米纤维的直径介于1nm到100nm之间，但广义上讲，纤维直径低于1000nm的纤维均称为纳米纤维。

简介制造纳米纤维的方法有很多，如拉伸法、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等。其中静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。

纳米纤维是指纤维直径小于1000纳米的超微细纤维。如今很多企业为了商品的宣传效果，把填加了纳米级（即小于100 nm）粉末填充物的纤维也称为纳米纤维。

最细的纳米纤维为单碳原子链，我国科学家已能制造出直径小于0.4nm的碳管，处于世界领先水平。这种纳米碳管被誉为纳米材料之王，其原因这种细到一般仪器都难以观察到的材料有着神奇的本领：超高强、超柔韧、怪磁性。因碳纳米管中碳原子间距短，管径小，使纤维结构不易存在缺陷，其强度为钢的100倍，密度只有钢的1/6，是一般纤维强度的200倍，用它作的绳索可以从地球拉到月球而不被自重拉断；它有奇异的导电性，碳纳米管既有金属的导电性也有半导体性，甚至1根纳米管上的不同部位由于结构变化也可显示不同的导电性。用它作成整流管可替代硅芯片，因而将引起电子学中的重大变化，可将计算机做得极小；用碳纳米管作出的纳米器件可组装纳米机器人，蚊子飞机、蚂蚁坦克等。碳纳米管可用来作储氢材料，把氢开发成为人类服务的清洁能源。此外，碳纳米管还可用作隐形材料、催化剂载体及电极材料等。纳米纤维可以支持"纳米机"的排列，把集成排列的"纳米机"连接成大规模系统1。

主要特点纳米纤维到底有何特点，多数材料小到以纳米论长短时，其本身的物理和化学性能将有所改变，主要表现在：

1、表面效应 粒子尺寸越小，表面积越大，由于表面粒子缺少相邻原子的配位，因而表面能增大极不稳定，易与其他原子结合，显出较强的活性。

2、小尺寸效应 当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。

3、量子尺寸效应 当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体。

4、宏观量子的阳隧道效应 隧道效应是指微小粒子在一定情况下能穿过物体，就像里面有了隧道一样可以通过1。

制造纳米纤维的制造，大体可分为3大类。

1、分子技术制备法 ，报导较多的是单管或多管纳米碳管束的制备，其制备方法主要有3种：电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。前两种方法因有多种形态碳产物共存，分离、纯化困难。电弧放电法将石墨棒置于充满氢气的容器内，用高压电弧放电，在阴极沉积成纳米碳管。固定床催化裂解法由天然气制备纳米碳管，将气体在分布板上有用活化了的催化剂吹成沸腾状态，在催化剂表面生长出纳米碳管。这种方法工艺简便，成本低，纳米碳管规模易控制，长度大，收率较高，但该方法中催化剂只能以薄膜的形式展开。

2、纺丝法制备法 这种方法又可分为聚合物喷射静电拉伸纺丝法、海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法。用单螺杆混抽法可制得0.001dtex（约10nm）的纤维。

3、生物制备法 这种方法是利用细菌培养出更加细小的纤维素。我国科学家由木醋杆菌合成的纳米级纤维素不含木质素，结晶度高，聚合度高，分子取向好，具有优良的机械性能1。

用途纳米纤维的用途很广，如将纳米纤维植入织物表面，可形成一层稳定的气体薄膜，制成双疏性界面织物，既可防水，又可防油、防污；用纳米纤维制成的高级防护服，其织物多孔且有膜，不仅能使空气透过，具可呼吸性，还能挡风和过滤微细粒子，对气溶胶有阻挡性，可防生化武器及有毒物质。此外，纳米纤维还可用于化工、医药等产品的提纯、过滤等。

研究2012年8月，英国爱丁堡大学发布公告称，研究人员观察了各种长度的纳米纤维在实验鼠体内引发癌症病变的情况。结果发现长度5微米及以上的纳米纤维引发癌症的风险较大，如果低于这个长度，则致癌风险要小很多1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学