纳米科学与技术:环境纳米科学与技术

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江桂斌,刘景富,朱利中 等 编
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出版社: 科学出版社
ISBN:9787030430816
版次:1
商品编码:11615977
包装:平装
丛书名: 纳米科学与技术
开本:32开
出版时间:2015-02-01
用纸:胶版纸
页数:312
正文语种:中文

具体描述

内容简介

  《纳米科学与技术:环境纳米科学与技术》系统介绍了环境纳米科学与技术的主要研究内容和成果,包括环境功能纳米材料的制备、表征和分析测定方法,纳米材料和技术在环境污染物分析测定、吸附去除与催化降解中的应用,以及纳米材料在环境中的迁移转化、环境效应与安全性评价等。

目录

《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章 环境功能纳米材料的制备
1.1 引言
1.2 环境功能纳米材料的制备技术
1.2.1 气相法
1.2.2 液相法
1.2.3 固相法
1.2.4 其他方法
1.3 环境功能纳米材料的功能化
1.3.1 环境纳米吸附材料的功能化
1.3.2 环境纳米催化材料的功能化
1.3.3 环境纳米分离分析材料的功能化
1.3.0环境纳米传感材料的功能化
参考文献

第2章 纳米材料的表征和分析测定
2.1 引言
2.2 纳米材料的定性表征与定量
2.2.1 颗粒形貌表征
2.2.2 颗粒表面表征
2.2.3 晶体结构与微环境
2.2.0颗粒组成
2.2.5 颗粒浓度
2.3 环境和生物介质中纳米材料的分离富集
2.3.1 液液萃取
2.3.2 固相萃取
2.3.3 浊点萃取
2.3.0场流分级技术
2.3.5 尺寸排阻色谱技术
2.3.6 电泳技术
2.3.7 密度梯度离心技术
2.3.8 其他分离方法
2.4 结论与展望
参考文献

第3章 纳米材料在污染物吸附去除中的应用
3.1 引言
3.2 吸附过程与原理
3.2.1 吸附的基本原理
3.2.2 吸附的过程与模型
3.3 纳米吸附材料及特性
3.3.1 常用的纳米吸附材料
3.3.2 纳米材料的吸附特性
3.4 纳米材料吸附去除水中有机污染物
3.4.1 吸附机理
3.4.2 吸附动力学过程
3.4.3 吸附热力学过程
3.4.4 影响因素
3.5 纳米材料吸附去除水中重金属离子
3.5.1 吸附机理
3.5.2 吸附动力学过程
3.5.3 吸附热力学过程
3.5.4 影响因素
3.6 纳米材料吸附去除水中无机阴离子
3.6.1 吸附机理
3.6.2 吸附动力学过程
3.6.3 吸附热力学过程
3.6.4 影响因素
3.7 纳米材料在吸附处理工程中应用的设计原则和要求
3.7.1 吸附处理单元的设计原则
3.7.2 纳米吸附材料的固液分离要求
3.7.3 纳米吸附材料的再生技术要求
参考文献

第4章 纳米材料在水环境污染物催化降解中的应用
4.1 引言
4.2 纳米电催化材料
4.2.1 纳米贵金属
4.2.2 贵金属复合纳米碳材料
4.2.3 纳米碳材料
4.2.4 纳米金属氧化物
4.2.5 纳米聚合物
4.2.6 纳米电催化在水污染控制中的潜在应用
4.3 纳米光催化材料
4.3.1 纳米异质结材料
4.3.2 光子晶体
4.3.3 等离子共振材料
4.3.4 高活性晶面优势暴露材料
4.3.5 金属有机框架光催化材料
4.3.6 无金属可见光响应纳米光催化材料
4.3.7 纳米光催化在水污染控制中的潜在应用
4.4 纳米鋪催化材料
4.4.1 纳米金属氧化物
4.4.2 纳米碳材料
4.4.3 介孔载体及介孔催化剂
参考文献

第5章 纳米技术在环境分析中的应用
5.1 引言
5.2 纳雜术在环境样品前处理中的应用
5.2.1 碳纳米材料固相萃取和固相微萃取
5.2.2 金属氧化物纳米材料固相萃取和固相微萃取
5.2.3 聚合物纳米材料固相萃取和固相微萃取
5.2.4 金属纳米材料固相萃取
5.3 纳雜术在分离分析中的应用
5.3.1 纳米技术在色谱分离分析中的应用
5.3.2 纳米技术在毛细管电泳和开管柱电色谱中的应用
5.3.3 纳米技术在微流控芯片毛细管电泳中的应用
5.4 纳米传感技术在环境分析中的应用
5.4.1 碳纳米米料传赚术
5.4.2 金属纳米材料传感技术
5.4.3 硅基纳米材料传感技术
5.4.4 半导体量子点传感技术
5.5 总结
参考文献

第6章 纳米材料在环境中的转化
6.1 引言
6.2 人工纳米材料的使用与环境释放
6.3 环境介质中纳米材料的迁移与分布
6.4 环境介质中纳米材料的转化
6.4.1 物理转化
6.4.2 化学转化
6.4.3 生物转化
6.5 典型纳米材料在环境中的转化行为
6.5.1 纳米银
6.5.2 零价纳米铁
6.5.3 金属氧化物纳米材料
6.5.4 碳纳米材料
6.6 问题与展望
参考文献

第7章 人工纳米材料的环境效应与安全性评价
7.1 纳米材料的毒性效应与安全性
7.1.1 纳米材料的暴露与毒性
7.1.2 纳米材料的跨膜运输
7.1.3 纳米材料与生物大分子的相互作用
7.1.4 纳米材料的生物降解
7.1.5 纳米材料的毒性效应
7.1.6 影响纳米材料毒性的因素
7.1.7 纳米材料的毒性作用机制
7.2 纳米材料的环境与生态效应
7.2.1 生物对环境中纳米材料的摄取、积累与毒性
7.2.2 纳米粒子的食物链传递
7.2.3 纳米材料的生物有效性
7.2.4 纳米材料的生态毒理学效应
参考文献
索引

精彩书摘

  《纳米科学与技术:环境纳米科学与技术》:
  第1章 环境功能纳米材料的制备
  环境功能纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1~100nm)范围,或者由它们作为基本单元构成的具有应用于环境领域所需的特殊性能如光电催化、吸附、萃取分离等的材料。纳米材料研究的快速发展为解决环境所面临的各种问题提供了很好的理论基础和技术支持,将功能化纳米材料应用到环境保护和环境治理领域,改进或研究出全新的大气污染、水污染和固体废弃物污染的预防和治理方法,提高功能纳米材料的对环境污染物的吸附、催化降解和转化、传感、分离分析等性能,是环境领域发展的重要方向。以独特性能和高效稳定为牵引的环境功能纳米材料研究,把纳米材料研究推向了一个新高度和新层次。纳米材料与环境等领域的联系又推动着纳米材料研究的进展。
  1.1引言
  自从1984年德国的Gleiter教授研究报道了用惰性气体凝聚法成功制备出纯物质的纳米晶材料,纳米材料的制备方法便发展开来。随着纳米材料制备技术的不断革新,以纳米材料为基础的纳米科技得到了快速发展,功能纳米材料的制备已由随机性生长到可控性生长,从无序到有序,人们可以按照需要设计和合成出有实用价值的功能纳米材料,将其应用到环境等领域。纳米技术被认为是21世纪最有发展前途的新技术之一。材料尺寸在纳米水平时,晶界数量会大幅增加,这是由于此尺寸下界面原子比例较大,且原子排列也互不相同。纳米材料具有不同于普通材料的光、电、磁、热等性能。高浓度晶界和晶界原子的特殊结构使得材料的力学性能、介电性、磁性、超导性、光学、热力学特性既和单个原子不同,又有别于宏观块体材料,这使纳米材料表现出许多新的性能,比如表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、体积效应、介电限域效应和量子限域效应等。这些优异的性能和其独特的结构使得功能纳米材料逐渐应用到环境领域并将其提高到一个全新水平。
  由于近几年纳米材料在环境领域的逐步应用及潜在的应用前景,环境功能纳米材料越来越引起了国内外的关注。功能纳米材料按照维数可划分为零维、一维、二维和三维纳米材料。零维纳米材料被称为量子点,是指在空间三维方向均为纳米尺度的原子团簇或颗粒等,在三个维度上与电子德布罗意波的波长或电子的平均自由程相当甚至更小,从而电子或载流子在三个维度上都受到约束,不能自由运动,即电子在三个维度上的能量都已经量子化;一维纳米材料被称为量子线,是指在空间有二维为纳米尺度,如纳米线、纳米棒、纳米管等,电子在两个维度上的运动受约束,仅在一个维度上能够自由运动;二维纳米材料被称为量子面,是指在空间中有一维在纳米尺度,如具有层状结构的纳米带、纳米薄膜、纳米片等,电子在一个维度上的运动受约束,能在其余两个维度上自由运动;三维纳米材料是指具有纳米结构的晶粒尺寸至少有一个方向在纳米范围内的块体材料。其中环境功能纳米材料以一维纳米材料和二维纳米材料居多。
  通过控制环境功能纳米材料的制备和组装过程,可以有效地调节其性能,从而更有效地满足环境各个领域的需求。开展用纳米材料治理环境污染的基础技术和原理研究,不仅会为我们解决环境污染问题提供新工具,而且还有助于人们以环境友好的方式设计、生产、使用、循环和处置纳米材料,避免纳米材料的负面环境影响。
  1.2环境功能纳米材料的制备技术
  随着经济和社会的发展,由废水、废气和废物排放所引起的环境污染已成为世界关注的问题,其中以含重金属离子废水、农药废水、酚类废水、卤代有机物废水、含油废水、造纸废水、含表面活性剂废水等造成的水体污染、以机动车尾气和烟气等造成的大气污染尤为严重。而这些环境问题的预防和解决依赖于性能优良的催化材料、吸附剂、传感元件等的开发,这就对材料的性能提出更高的要求。由于纳米材料具有独特的光、电、磁等性能,它的出现为这些环境问题的解决提供了可能。要调控纳米材料的性能而实现其在不同领域的应用,可控性合成纳米材料是关键。为了实现纳米材料在环境领域的应用,更好地满足水处理和大气污染治理的需求,首先要寻求好的纳米材料制备方法,得到稳定的、形貌、尺寸满足性能需求的纳米材料。由相同元素组成的功能纳米材料,其性能会由于尺寸、形貌、结构和结晶性的差异而显著不同,而不同的制备方法或者条件就能制备出不同尺寸、形貌、结构和结晶的功能纳米材料。为更好地优化和充分利用功能纳米材料的某些性能,各种有效的制备技术近几年得到迅速发展。目前环境功能纳米材料的制备技术按照物理形态划分为气相法、液相法、固相法以及其他方法。
  1.2.1气相法
  气相法指首先将原料物质变为气态,使之在气体状态下发生物理或化学反应,并在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法可分为蒸发法、溅射法、原子层沉积法、等离子体化学气相沉积法和热解化学气相沉积法等。由于气相法制备的纳米材料具有纯度高、组分易控、粒度均匀、颗粒团聚少、无需后续处理的特点,它已成为目前环境功能纳米材料制备技术研究的重点。
  1.2.1.1蒸发法
  蒸发法是较为常用的气相制备技术,它是在真空或者惰性气体条件下,利用高温热源将原料(如金属、合金或陶瓷)加热蒸发,之后骤冷使之凝聚成纳米粒子的方法。改变压力和温度可有效控制粒子的粒径大小和分布。蒸发法具有许多优点,如工艺简单、占地少、对环境无污染或极少污染、能源和原材料消耗少[1],而且该方法制备的纳米颗粒具有表面较清洁、粒径分布窄、粒度均匀、颗粒粒径小(可小于10nm)等特点。
  ……

前言/序言


《微观世界的宏大叙事:纳米材料与前沿应用》 在这本厚重的著作中,我们并非聚焦于环保领域的特定分支,而是将视角投向了更为广阔、更为基础的纳米科学与技术领域。本书深入探讨了构成现代科技基石的纳米材料,揭示了它们在原子、分子尺度上展现出的独特性能,以及如何通过精妙的工程设计,将这些微观世界的奇迹转化为影响人类社会方方面面的宏大应用。 第一部分:纳米材料的基石——结构、性质与合成 纳米材料之所以能展现出超越宏观材料的特性,根源在于其尺寸效应和表面效应。本书的第一部分将带领读者穿越微观的尺度,理解材料在纳米尺度下发生的深刻变化。 原子与分子的舞蹈: 我们将从最基本的层面出发,阐述原子键合、晶体结构以及分子间作用力如何决定材料的宏观属性。在此基础上,引入纳米尺度下的量子效应,例如量子尺寸效应、表面等离子体共振等,解释为何纳米粒子会有独特的荧光、导电或催化性能。 形形色色的纳米结构: 0D(零维)的纳米粒子、1D(一维)的纳米线/纳米管、2D(二维)的纳米片以及3D(三维)的纳米多孔材料,它们各自拥有独特的几何形态和表面积,决定了其在不同应用中的潜力。本书将详细介绍这些结构的形成机理、表征手段(如透射电子显微镜TEM、扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM)以及如何通过精确控制尺寸和形貌来调控材料性能。 五彩斑斓的纳米家族: 从传统的金属纳米粒子(金、银)、氧化物纳米粒子(TiO2、ZnO),到碳基纳米材料(石墨烯、碳纳米管),再到量子点、金属有机框架(MOFs)等新型纳米材料,本书将系统梳理不同种类纳米材料的化学组成、物理化学性质及其相互之间的关联。我们将深入探讨它们的制备方法,包括自上而下的物理方法(如研磨、溅射)和化学方法(如溶胶-凝胶法、微乳液法、气相沉积法),以及自下而上的化学合成法(如湿化学法、模板法)。对于每种制备方法,都将详细解析其原理、工艺流程、优缺点以及在放大生产中可能面临的挑战。 第二部分:纳米技术的驱动力——制备、表征与表征 理解了纳米材料的本质,接下来便是如何高效、精准地制备和表征它们。这一部分将聚焦于纳米技术的关键工艺和分析手段。 精准的“点石成金”: 绿色化学与可持续发展是纳米材料制备的重要指导思想。本书将探讨如何利用生物合成、微波辅助合成、超声辅助合成等更环保、高效的合成路线,减少溶剂使用和能量消耗。同时,我们将讨论如何通过表面修饰和功能化,赋予纳米材料特定的化学活性、生物相容性或靶向性,使其能够满足特定应用的需求。 “火眼金睛”的审视: 准确的表征是理解纳米材料结构与性能关系的基石。本书将系统介绍各种先进的表征技术,包括但不限于: 形貌与尺寸分析: 高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等,它们能够直接观察到纳米材料的原子排列和表面形貌。 晶体结构与化学成分分析: X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线光谱(EDX)等,用于确定纳米材料的晶体相、元素组成和化学状态。 光学与电子性能测试: 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱、拉曼光谱、导电性测试等,用于评估纳米材料的光学吸收、发射特性以及电荷传输能力。 表面特性分析: BET比表面积分析、接触角测量等,用于量化材料的表面积和表面能。 理论模拟的预测: 除了实验手段,第一性原理计算(如密度泛函理论DFT)和分子动力学模拟等计算模拟方法,也为理解纳米材料的电子结构、反应机理和物理性质提供了强大的工具。本书将介绍这些计算方法在纳米材料设计与性能预测中的应用。 第三部分:无界限的创新——纳米技术的多元化应用 纳米材料的独特性能使其在众多领域展现出巨大的应用潜力,从前沿科技到日常生活,无处不见其身影。本书第三部分将深入探讨纳米技术在各个关键领域的突破性应用。 电子与信息技术的革新: 纳米半导体器件(如FinFET、纳米线晶体管)、纳米存储器、量子点LED(QLED)等,正推动着电子产品向更小、更快、更具能效的方向发展。本书将探讨纳米技术如何实现更高的集成度、更低的功耗以及全新的计算模式。 能源的未来: 纳米材料在太阳能电池(如量子点敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池)、储能器件(如锂离子电池、超级电容器)、燃料电池以及高效催化剂(用于水分解制氢、CO2还原)等方面发挥着至关重要的作用。我们将深入解析纳米结构如何提升能量转换效率、延长器件寿命和降低成本。 医疗健康领域的革命: 诊断与成像: 纳米粒子作为造影剂,能够提高医学成像的清晰度和特异性,早期发现疾病。量子点在生物标记和多色成像方面具有独特优势。 药物递送: 纳米载体能够实现药物的靶向递送,减少药物对健康组织的副作用,提高治疗效果。例如,用于癌症治疗的纳米药物。 生物传感器: 基于纳米材料的生物传感器,能够高灵敏度、高特异性地检测生物分子,为疾病诊断和个性化医疗提供支持。 抗菌与消毒: 银纳米粒子等具有优异的抗菌性能,可用于开发新型抗菌材料和医疗器械。 先进材料与制造: 纳米涂层可以赋予材料更高的硬度、耐磨性、抗腐蚀性或自清洁功能。纳米复合材料能够显著提升聚合物、金属或陶瓷的力学性能。3D打印与纳米技术的结合,正在开启智能制造的新篇章。 催化与环境治理: 纳米催化剂凭借其高比表面积和独特的催化活性,在石油化工、精细化工以及环境污染物降解(如光催化氧化)等领域展现出巨大潜力。我们将探讨纳米技术在解决能源危机和环境污染问题中的贡献。 第四部分:机遇与挑战——纳米技术的未来展望 尽管纳米技术取得了令人瞩目的成就,但其发展道路并非一帆风顺。本书的最后一部分将展望纳米技术的未来,并探讨其面临的机遇与挑战。 尺度与性能的再探索: 随着对纳米尺度下物理化学过程理解的不断深入,我们将有望发现更多具有颠覆性潜力的纳米材料和新颖的应用。例如,在量子计算、人工智能芯片等领域,纳米技术将扮演核心角色。 规模化与成本控制: 如何实现纳米材料的大规模、低成本、高质量制备,是当前面临的关键挑战。本书将探讨自动化生产、连续流合成等技术的发展趋势。 安全与伦理考量: 纳米材料在环境和生物体内的行为、潜在的毒性以及长期影响,是社会关注的焦点。本书将讨论纳米安全性评估(nanosafety assessment)、风险管理以及负责任的纳米技术发展的重要性。 跨学科的融合: 纳米科学与技术的未来发展,离不开物理、化学、材料科学、生物学、工程学以及医学等学科的深度融合。本书将强调跨学科合作的重要性,以及如何通过协同创新,加速纳米技术的突破。 《微观世界的宏大叙事:纳米材料与前沿应用》旨在为读者提供一个全面、深入的视角,理解纳米科学与技术如何从微观世界出发,构建起影响我们生活的宏大未来。本书适合对纳米材料、前沿科技以及未来发展趋势感兴趣的科研人员、工程师、学生以及广大科技爱好者阅读。

用户评价

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最近我一直在思考,科技的发展究竟能为我们解决哪些最棘手的问题。当我看到这本书时,瞬间就被它的名字吸引了。“纳米科学与技术”听起来就像是通往未来的钥匙,而“环境纳米科学与技术”这个副标题,更是让我看到了希望。我一直以来都非常关注环境问题,从全球变暖到塑料污染,总觉得人类面对的挑战越来越大。我好奇的是,纳米技术,这个在微观尺度上玩转物质的科学,究竟能给环境治理带来怎样的革新?是不是有什么神奇的纳米粒子,可以像清道夫一样,默默地清理着我们星球上的污染?我设想,这本书里或许会讲述一些关于纳米材料如何用于净化水源、空气,甚至如何用于修复生态系统的故事。我期待它能打开我的视野,让我看到科技如何以一种前所未有的精度和效率,去应对那些看似无法解决的环境难题。这本书的出现,让我对科技的未来充满了乐观的期待,相信它能为我们带来更美好的明天。

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说实话,我本来对“纳米”这个词汇并没有太多概念,总觉得它离我的日常生活很遥远。直到最近,我开始关注一些关于环境保护和可持续发展的议题,才逐渐意识到,原来我们身边有很多问题,都可能与微观世界的科技进步息息相关。当我看到这本书的封面时,那种简洁而富有设计感的风格,以及“环境纳米科学与技术”这样的字眼,瞬间抓住了我的注意力。我立刻联想到,现在的空气污染、水污染问题如此严重,是不是纳米技术在其中扮演着重要的角色?是不是有什么神奇的纳米材料,能够捕捉空气中的PM2.5,或者吸附水中的重金属?这本书给我的第一印象是,它可能会揭示很多我们意想不到的科学秘密,那些隐藏在肉眼看不见的领域,却能对我们生活的世界产生巨大影响。我希望这本书能以一种清晰、易懂的方式,带领我了解纳米技术是如何应用于环境保护的,它有哪些实际的案例和突破性的进展。我更希望,它能让我对未来科技的发展方向产生更清晰的认知,并激发我为创造一个更清洁、更健康的环境贡献自己一份力量的决心。

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我最近在某个线上书店闲逛,偶然看到了这本书的推荐列表,点进去看了一眼,就被它的标题深深吸引了。虽然我对纳米科学的了解仅限于一些新闻报道里偶尔提及的“纳米材料”、“纳米机器人”之类的词汇,但“环境纳米科学与技术”这个方向,却让我觉得格外亲切和重要。我一直认为,环境问题是我们这个时代最严峻的挑战之一,而科技,特别是那些能够做到微观层面精准调控的技术,必定是解决之道。这本书的出现,就像是为我打开了一扇通往未知领域的大门。我脑海中会浮现出各种设想:比如,是不是有了纳米技术,我们就能开发出更高效的太阳能电池,从而摆脱对化石燃料的依赖?或者,能不能通过纳米技术,设计出能够分解塑料垃圾的微生物,彻底解决白色污染的困境?我对手中这本书寄予厚望,希望它能解答我心中关于环境与科技的种种疑问,让我对“可持续发展”这个概念有更深刻的理解,也让我看到,人类如何利用最尖端的科学力量,去修复和保护我们共同的家园。我渴望从中学习到,那些隐藏在微观世界里的宏大解决方案。

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我偶然间在一家书店里看到了这本书,它的封面设计简洁而富有科技感,尤其吸引我的是“环境纳米科学与技术”这个副标题,这让我立刻联想到当今社会面临的各种环境挑战。我一直对如何利用科技来解决现实问题非常感兴趣,而纳米技术,以其独特的微观尺度操作能力,总给我一种“黑科技”的感觉,仿佛隐藏着无数解决环境难题的可能。我好奇这本书会讲述哪些具体的内容,例如,纳米材料在净化水源或空气中的污染物方面,是否已经有了实际的应用?是否会有关于如何利用纳米机器人来修复被污染的生态环境的案例?我希望这本书能够以一种深入浅出的方式,将复杂的科学原理和前沿技术呈现出来,让我这样一个对纳米科学了解不深的人,也能轻松理解并体会到它在环境保护领域所能发挥的巨大作用。它让我对未来的科技发展充满了憧憬,也让我看到了人类如何通过智慧和创新,去守护我们共同的地球家园。

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这本书的封面设计很吸引人,那种深邃的蓝色调,加上一些抽象的纳米粒子图案,让人立刻感受到一种前沿科技的神秘感。我当时就是在书店里被它“盯上”的,觉得名字听起来就很高大上,而且“环境纳米科学与技术”这个副标题,更是点燃了我对可持续发展和环保课题的兴趣。我一直觉得,科技的最终目的应该是服务于人类的福祉,尤其是保护我们赖以生存的环境。而纳米技术,以其在分子层面的精准操控能力,无疑是实现这一目标的一把利器。想象一下,通过纳米材料的过滤技术,我们能彻底净化污染的水源;或者利用纳米机器人,精确地清除体内的有害物质。这些都让我觉得,这本书里一定蕴含着改变世界的智慧。我尤其好奇,作者是如何将如此复杂的科学概念,用通俗易懂的方式呈现给普通读者的。毕竟,对于我这样的非专业人士来说,很多科技类的书籍都像天书一样,晦涩难懂。我希望这本书能像一位良师益友,循循善诱地引导我走进纳米科学的奇妙世界,让我不仅能理解其基本原理,更能体会到它在环保领域的巨大潜力和应用价值。这本书让我对未来的科技发展充满了期待,也让我看到了解决环境问题的新希望。

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编得不错的书,很有帮助

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