纳米材料为什么能杀菌

发布时间:2021-09-25 11:14:48


  几年来, 纳米科技为人类社会带来了巨大的财富, 丰富了人们的生活。纳米抗菌材料是近几年研制开发的一类新型保健抗菌材料, 是纳米科技和抗菌技术研究的重点。随着人们健康意识的提高, 纳米抗菌产品不断进入人们的日常生活。如现在市场上出现的纳米抗菌洗衣机、抗菌冰箱、抗菌保暖内衣、抗菌鞋袜等风靡市场, 极大地丰富了人们的物质生活, 提高了人们的生活质量。

  纳米抗菌材料不仅具有纳米材料的基本性能, 如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应, 而且也具有抗菌材料的功能, 如安全、高效、广谱、释性好、不易产生抗药性和耐热性等

  纳米(nm)和米、厘米一样,是长度计量单位。一纳米为一毫米的百万分之一(10-9 米)。“纳米”并没有象某些媒体宣传的那样神奇,我国古代早有应用,如徽墨,其主体成分的炭黑就是纳米颗粒。

  纳米材料通常指两种材料:一是纳米尺寸(粒径在1~100nm颗粒或直径在1~100nm的纤维)的基础材料,如纳米碳黑、纳米磁粉、纳米炭管等;一是采用纳米量级(1~100nm)的基础材料加工的制品,在其微观尺寸上保持一定的纳米分散性,如纳米陶瓷,活性钙等。基于此,人们习惯性把用纳米基础材料改性的材料纳米改性材料(通常赋予改性材料一些因加入纳米颗粒而产生的特殊性能)也简称为纳米材料,进一步演化将纳米材料的制品简称为纳米制品,如纳米洗衣机、纳米抗菌防臭运动鞋等等。

  随着物质粒径的减小,比表面积大大增加。粒径5nm的颗粒,表面的体积百分数为50%,粒径2nm时,表面的体积百分数增加到80%。庞大的比表面,键态严重失配,出现许多活性中心,使纳米材料具有极强的吸附能力。这使得纳米粒子对于无论是促使物质腐败的氧原子、氧自由基,还是产生其他异味的烷烃类分子等,均具有极强的抓俘能力,使其具有防腐抗菌功能。

  在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌作用,把银纳米微粒加入到袜子中去,可以清除脚臭味;医用纱布中放入纳米Ag粒子有消毒杀菌作用。

  金属离子抗菌剂以Ag +、Cu 2+、Zn 2+为主。表现出较强的氧化能力, 破坏细菌细胞的代谢作用, 阻止了微生物的繁殖。

  另外, 可以强烈的吸引细菌体内蛋白酶的巯基, 并迅速结合, 使细菌的基因酶丧失活性, 致使细菌死亡。

  当菌体被杀灭后,Ag +又游离出来, 与其它菌体作用, 实行新一轮的杀灭, 直到细菌全部杀死为止。

  无机氧化物如纳米TiO 2和ZnO 2等, 其杀菌机理主要是基于光催化机理。当杀菌剂被光照后产生电子-空穴对, 与空气中的水和氧结合生成羟基自由基・OH-和超氧化物阴离子自由基・O 2-。这两种自由基均具有较强的氧化活性, 能够与细菌内的有机物及其分泌的毒素作用, 破坏其繁殖和再生能力, 减少细菌的生命力, 同时能攻克细菌和外层细胞, 穿透细胞膜, 破坏细菌的细胞膜结构, 从而彻底杀灭细菌。此外・O 2-还可以与水进一步作用, 生成羟基和双氧水, H 2O 2可通过细菌细胞膜, 不仅能杀死细菌, 还能分解细菌死后释放出来的内毒素等脂类物质, 对细胞的破坏作用大大增加。

  当带正电荷的抗菌成分接触到带负电荷的微生物细胞后, 便互相吸附, 有效的利用了电荷的转移来击穿细菌的细胞膜, 使其蛋白变性, 无法代谢和繁殖, 乃至死亡。同时抗菌成分并不消耗, 保持原有的抗菌活性, 具有长期有效性。

  天然纳米抗菌材料主要是沸石类矿物, 其主要组成为架状结构的水铝硅酸盐, 具有纳米孔隙和孔道结构, 对于分子尺寸的粒子具有较强的吸附能力和吸附选择性。天然抗菌材料具有抗菌范围广、安全性高、无副作用, 因此深受人们喜爱。但近年来的研究证明, 此类抗菌剂的抗菌能力、持久性、耐热性差和寿命短, 且受原料加工条件的限制, 不能大规模生产和市场化, 使其使用受到限制。

  无机抗菌剂主要有两种类型, 一类是离子型抗菌剂, 主要有Ag +、Cu 2+、Zn 2+等金属离子。目前广泛采用的是Ag +和Zn 2+两种, 但银抗菌剂使用更广泛。另一类为光催化型抗菌剂, 也称纳米光触菌材料, 也常用于室外建筑材料以及防护玻璃的杀菌材料。

  有机抗菌材料具有杀菌速度快, 适用范围广等优点, 但耐热性差, 溶出物有毒、使用寿命短等缺点使其使用受到很大限制。近年来, 正在研制开发实用价值较高的无机/有机复合抗菌剂。