解读GB/T 32269—2015《纳米科技 纳米物体的术语和定义 纳米颗粒、纳米纤维和纳米片》

彭金平（中国质检出版社 中国标准出版社）

解读GB/T 32269—2015《纳米科技 纳米物体的术语和定义 纳米颗粒、纳米纤维和纳米片》

彭金平（中国质检出版社 中国标准出版社）

国家标准GB/T 32269—2015《 纳米科技 纳米物体的术语和定义 纳米颗粒、纳米纤维和纳米片》将于2017年1月1日实施。术语和定义是标准化工作的重要内容，纳米物体的术语和定义标准是纳米科技领域标准体系的基础。为了让更多从事纳米产业相关人员充分理解使用基础标准，本文对GB/T 32269—2015中涉及的纳米领域相关术语及词义进行了具体图文示例解读，包括“纳米尺度”“量子点”的具体释义；纳米颗粒形成“团聚体”的原因；不同维度纳米物体的具体分类及举例；“纳米管”“纳米棒”“纳米线”的区别；“团聚体”和“聚集体”的不同等内容。

纳米科技 纳米尺度 纳米物体 GB/T 32269—2015

1 引言

21世纪经济发展的三大支柱是信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术。其中，纳米科技是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础。美国国家科学基金会的纳米技术高级顾问米哈伊尔·罗科预言:“由于纳米技术的出现，在今后30年中，人类文明所经历的变化将会比过去的整个20世纪都要多得多。”目前，就纳米科技整体发展状况而言，欧、美、日已大力发展多年，而国内的纳米科技研究刚开始不久，无论是科研水平还是市场契合度，与欧、美、日差距都还很大。可以说，纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。

纳米科技的不断发展需要纳米技术标准化的不断跟进。在电子、能源、材料、医药、航空、基础科研、实验室检测等众多领域，需要纳米技术标准为相关从业人员建立公共的交流平台，从而帮助纳米技术不断产业化、商业化，促进纳米科技产品的提质增效。

在国际上，目前许多国家和国际组织已经成立了专门的标准开发机构制定纳米技术标准，而我国的纳米技术标准化发展水平不是很乐观。随着纳米产业界和纳米技术研究机构对纳米技术发展和应用依据的需求不断增多，纳米技术标准化步伐也在加快，特别是对于基础性系列标准，纳米技术标准化工作者更是在积极实现纳米基础体系标准化全覆盖，力争最大限度地利用纳米技术，确保以基础完善、健全的标准体系支撑纳米科技检测、评估和发展。

2 标准制定背景

随着纳米科技的迅速发展，在国际上，纳米技术标准化有了长足的发展。迄今为止，国际标准化组织纳米技术委员会（ISO/TC 229）先后召开了十余次全体大会，完成并发布了碳纳米管的表征检测等35项标准工作项目。国际电工委员会（IEC）于2007年3月成立了国际电工委员会纳米技术标准化技术委员会（IEC/TC 113），力争在纳米材料的电学性质测量标准方面取得领先。在国内，全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC 279）先后成立了纳米压入技术等多个工作组，正在积极开展相关标准化工作。

为了制定统一规范的纳米技术标准，为纳米产业的发展提供健全完善的基础标准体系。针对纳米科学的不断发展，相关技术术语的不断增加，纳米技术标准起草工作组制定了纳米技术的术语和定义标准，精确和统一地定义纳米物体的相关概念，梳理纳米物体之间以及纳米物体与现有常规物体之间的相互关系。GB/T 32269—2015《纳米科技 纳米物体的术语和定义 纳米颗粒、纳米纤维和纳米片》属于技术规范类，使用翻译法等同采用国际标准ISO/TS 27687: 2008。该标准主要给出了在纳米科技领域中与颗粒、聚合体相关的无歧义的词汇和定义，旨在促进纳米产业相关的组织与个人之间的 交流。

3 GB/T 32269—2015中涉及的术语及定义示例解读

术语和和定义是纳米科技标准化工作的重要内容，是纳米技术快速发展和纳米产业不断壮大的基础需求。GB/T 32269—2015主体部分涉及到纳米尺度和纳米物体等与颗粒相关的核心术语，描述不同维度的纳米物体的特定术语，颗粒、团聚体、聚集体等与颗粒聚合体相关的术语等内容。

3.1 纳米尺度和纳米物体

GB/T 32269—2015 中2.1提到“纳米尺度”是“处于1nm～100nm尺寸范围”。那么，一般而言，纳米尺度通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。值得注意的是，标准中引入的下限1nm实际上是为了避免将单个原子或原子团簇误认为是纳米物体或纳米结构单元。原子团簇是指仅包含几个到几百个原子或尺寸小于1nm粒子的原子集合体。纳米实际上是一种长度单位，1纳米仅为10亿分之一米，大约等于10个氢原子并列排布的长度。形象地描述，人的一根头发丝的直径大约为60000nm～80000nm。标准中2.2规定“一维、二维或三维外部尺寸处于纳米尺度的物体”称为“纳米物体”。例如，在日常生活中，室外的花粉是纳米物体，室内的灰尘是纳米物体，甚至病毒（图1）也是纳米物体。纳米技术是指在纳米尺度研究纳米物体，通过直接操纵和安排原子、分子制造特定功能纳米材料的技术。这里值得注意的是，对于单纯的某一种纳米物体，如果其没有特殊的结构和性能表现，就不能称为纳米技术。比如，香烟的烟灰粉末或自然土壤中存在的纳米粉末，虽然尺寸达到了纳米尺度（图2），但是，由于没有特殊的结构和性能表现，这些还不可称为纳米技术。

图1 纳米物体示例（病毒）

图2 纳米尺度

3.2 描述纳米物体的特定术语

GB/T 32269—2015规定了不同维度纳米物体的术语，下面对这些术语进行图文示例解读。

1. 零维纳米物体

标准中4.1规定x轴，y轴，z轴“三个维度的外部尺寸都在纳米尺度的纳米物体”称为纳米颗粒（nanoparticle）（图3），这类空间三维尺度均在纳米尺度的材料属于零维纳米物体。纳米颗粒是肉眼和一般光学显微镜看不见的微小粒子，尺寸大于原子团簇。通常纳米颗粒小于红血球的千分之一，是细菌的几十分之一，与病毒大小相当。日本上田良二教授曾说，用透射电子显微镜（TEM）能看到的微粒是纳米颗粒。

图3 纳米颗粒

2. 一维纳米物体

标准中4.3规定“两个维度外部尺寸相近且处于纳米尺度，剩余一个维度外部尺寸明显大于其他两个维度尺寸的纳米物体”称为纳米纤维（nanofibre）（图4）。“纳米纤维”可以是柔性的，也可以是刚性的。这里的“刚性”和“柔性”是相对的。“刚性”是指纳米纤维材料抵抗变形的能力，外力一定时，变形越小的材料刚性越大；变形一定时，所加外力越小的材料刚性越小。“柔性”是指材料响应变形的能力，外力一定时，变形越大的材料柔性越大；变形一定时，所加外力越大的材料柔性越小。另外，标准中提到的其中一个维度的“最长的外部尺寸”可不在纳米尺度。对于纳米纤维来说，中空的纳米纤维称为“纳米管”；实心的纳米纤维称为“纳米棒”；导电或半导电纳米纤维称为“纳米线”；还有一些带状形貌的纳米纤维称为“纳米带”。

图4 纳米纤维

纳米管（nanotube）（图5）、纳米棒（nanorod）（图6）、纳米线（nanowire）（图7）、纳米带（nanobelt）（图8）这类空间二维尺度处于纳米尺度的材料属于一维纳米物体。这类纳米物体的径向尺寸在纳米尺度，而长度方向的尺寸远大于径向尺寸，长径比（长度∶直径）在十几到上千、上万范围。

图5 纳米管

图6 纳米棒

图7 纳米线

图8 纳米带

纳米管（比如碳纳米管）可以看作是由单层或多层石墨按照一定的规则卷绕而成的无缝管状结构。其中，由石墨原子单层绕同轴缠绕而成的为单壁碳纳米管（图9）；由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物为多壁碳纳米管（图10），其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径。无论是单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管都具有很高的长径比，一般为100～1000，最高可达1000～10000。

图9 单壁碳纳米管

图10 多壁碳纳米管

纳米棒，一般来讲是长度较短、纵向形态较直的一维圆柱状（或其截面呈多角状）实心纳米材料。比如Au纳米棒，Ag纳米棒；纳米线，是指长度较长，形貌表现为直的或弯曲的实心纳米材料。比如单质纳米线，Si纳米线、Ge纳米线等；氧化物纳米线，SnO纳米线、ZnO纳米线；氮化物纳米线，GaN纳米线、Si3N4纳米线；硫化物纳米线，CdS、ZnS；三元化合物纳米线，如BaTiO3、PbTiO3。“纳米棒”和“纳米线”区别在于长径比不同，长径比小的、且长度小于1μm，纳米物体的性质取决于长度的为纳米棒；长径比大的、且长度大于1μm的为纳米线。

纳米带，不同于纳米管或纳米线，其截面呈四边形，宽厚比一般为几到十几，比如ZnO、SnO2纳米带。

3. 二维纳米物体

标准中4.2规定“一个维度外部尺寸在纳米尺度，其他两个维度外部尺寸明显大于最小尺寸纳米物体”的称为“纳米片”（图11）。这里的“最小尺寸”是指纳米片的厚度，即z轴方向的尺寸；“明显大于”是指两个维度的尺寸比“最小尺寸”大3倍及以上的情况。比如，石墨烯纳米片，是指由单层碳原子平面结构堆垛而成的纳米物体。纳米片、纳米膜这类在空间三维尺度中，有一个维度在纳米尺度的材料属于二维纳米物体。

图11 纳米片/膜

4. 三维纳米物体

标准中没提及的另一类纳米物体是三维纳米物体，即纳米固体材料（图12），通常是指由尺寸小于15nm的纳米颗粒在高压下压制成型，或再经一定的热处理工序，生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要特征是有巨大的颗粒间界面（图13），比如，5 nm纳米颗粒构成的固体材料，每立方厘米有1000多个晶界，这样的结构使得纳米固体材料具有高韧性。

图12 纳米固体材料

图13 颗粒间界面

5. 准零维纳米物体——量子点

标准中4.7规定“因电子态量子限域效应表现出尺寸依赖性质的纳米颗粒”称为“量子点”（图14）。量子点，又称半导体纳米晶，由少量原子构成。其三个维度的尺寸都小于100nm，形貌为极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著。量子点的种类分为一元量子点，比如，碳量子点（CQDs），其颗粒尺寸为小于10nm的准球型碳纳米颗粒，相较于金属量子点材料，碳量子点几乎无毒。碳量子点具有光致发光特性，通俗来说，具有良好水溶性的碳量子点在光照下，其自身会发出明亮的荧光，并且具有很好的光学稳定性；二元量子点，包括不含金属的ZnO量子点、SiO2量子点和含金属的CdS量子点、PbS量子点；三元量子点，比如CdSexTe1-x、CuInS2等。

3.3 颗粒及其集合体术语

标准中3.1和3.2规定了颗粒及其集合体相关的术语。标准条文“纳米物体通常以团块，而非分立的形式出现。由于表面能的原因，这些共存纳米物体之间可能发生相互作用。”那么，对于不同尺寸和形状的纳米物体，标准给出了描述术语“颗粒”和“团聚体”（图15）。标准中3.1参考了ISO 14644-6：2007的“颗粒”定义：“具有确定物理边界的一小部分物质”称为“颗粒”，该通用颗粒定义适用于纳米物体。标准中3.2给出了“团聚体”的定义：“弱束缚颗粒的堆积体、聚集体或二者的混合体，其外表面积与其单个颗粒的表面积的总和相近。”其中，支撑团聚体的作用力都是弱力，如范德华力或简单的物理缠结。标准中提及的团聚体又称为次级颗粒，而源颗粒则称为初级颗粒。

其实，“团聚体”与通常所说的“聚集体”是有区别的。标准中3.3给出了“聚集体”的定义：“强束缚或融合在一起的颗粒构成的新颗粒，其外表面积可能显著小于其单个颗粒表面积的总和。”这里值得注意的是支撑聚集体的力都是强作用力，如共价键或源于烧结或复杂的物理缠结。这与团聚体的弱作用力是显著的区别之一，另外，聚集体的外表面积可能显著小于其单个颗粒表面积的总和，区别于团聚体的外表面积近似等于其单个颗粒的表面积总和。

图14 量子点（纳米晶）（上图）及不同直径的量子点颜色（下图）

图15 纳米颗粒团聚体

这里要解释的是纳米颗粒的团聚现象，团聚现象与纳米颗粒小尺寸效应和表面与纳米颗粒的界面效应有关。由于颗粒尺寸到了纳米尺度，颗粒表面占有的原子或基团数会急剧增加，颗粒表面积增大，表面能增加。这种纳米尺度颗粒之间表面氢键、范德华力及其他化学键作用，使颗粒之间互相黏附聚集而以团聚体的形式存在。比如，纳米金刚石，其表面存在大量的基团使表面积累了大量的正电荷或负电荷，这些带电粒子极不稳定，为了趋于稳定，它们互相吸引，颗粒产生团聚。纳米金刚石表面原子或离子数的比例提高，使其表面活性增加，颗粒之间吸引力增大。另外，纳米金刚石表面杂质的存在也易引起粒子团聚，该过程的主要作用力是静电库仑力。纳米颗粒之间的距离极短，颗粒之间的范德瓦尔斯引力远远大于颗粒自身的重力，粒子和粒子在相互碰撞过程中也易互相吸引而聚集，从而形成“团聚体”。

这里有必要提一下纳米物体的四大效应，即由于纳米颗粒的特殊结构引起的纳米材料的特殊性能，分别是小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应和宏观量子隧道效应。小尺寸效应是指当颗粒分割后，尺寸小到一定程度时，其性质发生根本性变化；量子尺寸效应是指当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象；表面与界面效应是指纳米颗粒由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大尺寸颗粒，使纳米颗粒的自由能增加，表面的原子或分子所占的比例增多，导致表面能高； 宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当纳米颗粒的总能量小于势垒高度时，颗粒仍能穿越这一势垒。那么，纳米颗粒易形成“团聚体”，并且通常以团块状形式出现的原因就是和上面提到的小尺寸效应、表面与界面效应密切相关。

4 结束语

我国纳米技术正在从应用导向性基础研究向技术转移转化一体化研究发展，在纳米制造方面的产学研合作日益加快，逐步构建了纳米产业生态圈。标准的制定决定了技术开发和发展的方向，因此，制定纳米基础标准、纳米产品标准、纳米检测技术标准等构建成熟的纳米技术标准体系将能有力支撑纳米产业的发展。

[1]GB/T 32269—2015 纳米科技 纳米物体的术语和定义纳米颗粒、纳米纤维和纳米片

[2]GB/T 30544.3—2015 纳米科技 术语 第3部分: 碳纳米物体

[3]ISO/TS 27687：2008 纳米科技 纳米物体的术语和定义 纳米颗粒、纳米纤维和纳米片

[4]ISO 14644-6：2007 无菌室和相关控制环境 第6部分：词汇

[5]GB/T 32669—2016 金纳米棒聚集体结构的消光光谱表征

[6]任红轩. 走进纳米世界[J]. 科学世界. 2014 （6）.

[7]姜山，张军，等. 国内外纳米技术标准化工作综述[J]. 新材料产业，2007 （6）.

Analysis of “Terminology and defi nitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofi bre and nanoplate”

Peng Jinping ( Standards Press of China )

National standard of “Terminology and definitions for nano-objects——Nanoparticles, nanofibre and nanoplate”(GB/T 32269—2015) will be implemented from January 1, 2017. The standard was the basis on the nanotechnology standard system in nano-fi eld. For the sake of understanding and using the foundational standard preferably, the typical examples and demonstration for terminology and defi nitions of nano-objects were interpreted in this paper, such as the detail discription of “nanoscale” and “quantum dot”,the reason for agglomerate of nanoparticles, nano-object on different dimension, the difference among “nanotube” , “nanorod” and “nanowire”, as well as the difference between “agglomerate” and “aggregate”.

nanotechnology, nanoscale, nano-objects, GB/T 32269—2015