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应用空间巨大 纳米世界有多神奇

国内首片15英寸单层石墨烯日前在重庆问世。图为研究人员在弯曲的单层石墨烯触摸屏上测试书写功能。(新华社图片)

当我们“俯瞰”这个世界的时候,看到的是,将树木制成纸张,将石头刻成雕像,将钢铁铸成铁轨。那么当我们站在“底部”仰望这个世界呢?是否可以从单个分子甚至原子出发,将它们按照自己的意愿组装成一片纸、一粒沙甚至一片森林?

在纳米的世界里,回答是肯定的。这起初只是科学家的一个梦想,但如今这个梦慢慢开始融入现实生活。

纳米技术从上世纪90年代中后期开始被炒得红红火火,到21世纪初慢慢冷却,到现在又重新频繁出现在人们视线中,“纳米”的世界到底有何变化?

在纳米尺度下看世界,景观将会天翻地覆

一根头发丝直径有8万纳米,物质尺寸小到一定程度就会引起质变

纳米是一个计量单位,纳米尺度的物质其实并不稀有,我们日常每天都与它们亲密接触。

让人畏惧的PM2.5,其中就有许多纳米级的颗粒,凭借微小身躯可以侵入我们的肺部。高防晒指数的防晒霜中普遍都含有纳米二氧化钛、氧化锌微粒,因为这些纳米微粒对在300—400纳米波段的紫外线有强吸收作用。

还有著名的中国国家大剧院的穹顶,如果北京的雨水多一些的话,它能看起来更光亮。因为它是由超亲水、光催化等性能的纳米自清洁玻璃和自清洁钛板组成,表面污垢易被雨水清洗掉。

纳米有多大?如果将一纳米和一米比较,就好像是高尔夫球和地球作比。一根发丝的直径就能有8万纳米。将10个世界上最小的原子——氢原子排列成一条线,就是一个纳米的长度。

1到100纳米这个微小的特定区域,被科学家们称为纳米尺度。虽然我们日常就能亲密接触纳米级物体,但是它们焕发的神奇特性却不平常。

在纳米尺度下看世界,景观将会天翻地覆。纳米级的金子还是金灿灿的么?事实上,所有的金属在纳米尺度下都呈现出与宏观尺度不同的色彩,尺寸越小,颜色愈黑。

石墨片容易分层,当石墨片被剥离到仅有一个碳原子的厚度成为石墨烯后,就具有了超出钢铁数十倍的强度。

原本导电的铜加工到某个纳米尺度就不导电。而绝缘的二氧化硅等,在某个纳米尺度时开始导电。

为什么会有这样的逆转?因为当球形颗粒的尺寸越来越小,它的表面积与体积的比就会越来越大,量变到一定程度就会引起颗粒性质的质变。比如当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,就失去了反射原有富贵的光泽的能力而呈现出五颜六色。

“一些并不活泼的金属在纳米尺度时,会变得非常活泼,比如非常容易引起爆炸。”国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩告诉记者。

打个并不非常准确的比方帮助理解,在金属颗粒较大时,金属原子簇拥在一起,活动受限,“伸个懒腰”也很困难,而当到纳米尺度的时候,原先被束缚的化学键就能伸展开“胳膊”,金属原子活泼的天性就被释放出来。

这种物质在纳米尺度下产生的奇异的物理、化学特性就被称为纳米效应。而在纳米尺度范围里研究物质的特性和相互作用,包括那个对原子、分子的操纵来组合物体的梦想,如今已经形成一门新学科——纳米科技。

科学家在纳米尺度下编织想象

纳米技术应用空间巨大,中国与发达国家几乎处在同一起跑线上

窥到了纳米的世界,人类就像挖到了无穷尽的宝矿一样。纳米尺度下这些奇异的物理、化学特性让科学家们开始编织想象。

就拿一辆汽车来说,从车身到车轮,纳米材料几乎能够引起每一个部件的变革。

纳米级的稀土材料能够大大提高汽车尾气及车内空气净化效率;

纳米材料制造的酒精传感器质量轻,并且能够极灵敏感受到车内酒精含量超标,将限制汽车发动;

纳米润滑油能够填充金属发动机或者齿轮的表面微孔,形成单分子有机膜,最大限度地减少金属表面摩擦,大大降低了能耗,并使机械寿命成倍增长;

引入纳米电极的电池系统让高效、低污染的电动汽车成为现实。

这还只是纳米应用的一个方面。目前,纳米技术还在新能源、节能环保、生物医药、信息产业、新材料等产业都有用武之地。未来世界,我们或许可以用着几秒钟就能充满电的手机,有纳米机器人帮我们治病……

“也正是因为纳米技术是一项应用空间还十分巨大的新兴技术,我们国家的纳米技术发展与发达国家几乎处在同一起跑线上。”任红轩说。

根据美国科学引文数据库“Web of Science”(SCIE)的统计,2009年我国发表的纳米科技论文总量排名世界第一,目前我国纳米科技专利授权数量已位居世界第二。

我国的一些纳米研究成果解决了重大科学问题,引起了国际上的极大关注。例如,我国首次“拍摄”到碳原子间单键和双键的分子图像;合成了碳材料“家族”的又一个新成员——石墨炔;合成出新型纳米抗肿瘤药物;碳纳米管器件研究进入国际半导体发展路线图等等。

同时,在产业化方面也已取得进展。为了加速纳米科技成果产业化进程,北京市启动了纳米科技产业园建设,目前29项国字头纳米项目落户产业园,形成了纳米绿色印刷、纳米能源、纳米膜材料、碳纳米材料等板块快速聚集态势。比如近期正式落户的超顺排碳纳米管阵列产业化项目,可通过精确排列获得碳纳米管薄膜,目前在全世界只有中国才能生产制作,在触摸屏、超细导线、瞬时加热器、超薄扬声器等多个领域具有广阔的应用空间。

纳米技术不仅仅代表了新兴技术,它的特种功能及结构材料还能够促进传统产业的升级换代,比如汽车、建筑、纺织、机械行业等。“如果把总体经济比作一个盛水的木桶,那么纳米技术不仅能补上传统经济转型不足的短板,还能筑高与国际差距较小的新兴产业的长板,这样,木桶能存储更多的水。”任红轩用“木桶效应”来解释纳米技术对中国经济的意义。

钱学森先生也曾预言:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点,会是一次技术革命,从而将是21世纪的又一次产业革命。”

对纳米科技的想象走在了成果前头

当前最需攻克技术成果转化问题,未来基础研究向应用研究及产业化转变

纳米技术的前景很光明,但是在任红轩看来,还得先按捺下激动的心情,“纳米技术成果转化及应用的周期比较长,真正实现产业化的成果仍然十分有限,比如迄今为止,世界范围内真正纳米化且商业化的汽车零件仍然不多。”

“目前想象远远走在了成果的前头。”任红轩认为纳米技术当前最需攻克的是技术成果产业化。

“纳米”一词从科学家的实验室中蹦出来,到为世人所熟知,这个过程其实是一个从默默无闻到大鸣大放、又重新遇冷的阶段。曾有一段时间“纳米”频现、鱼龙混杂,让许多人甚至有了反感的抵触情绪。

如今,经过一个阶段的大浪淘沙,纳米科技步入了一个冷静良性的发展阶段,意味着人们更清醒地看到纳米技术应用仍十分有限。

一种纳米银粉打印的地铁票和景区门票,目前已经在北京部分地区试用,对比以前的蚀刻工艺,这种票的制造流程简化,非感光、无污染,成本降低,回收效率和价值更高。

在研发这种绿色门票的北京中科纳通电子技术有限公司总经理殷文钢看来,这只是公司纳米材料走向应用的一小步,“我对前景十分乐观,但是真正做起来才发现至少有三大难:技术转化周期长,工艺设备‘先天不足’,产业链还需要进一步聚合打通。”

当前的困境也是未来发展趋势,任红轩认为,未来纳米技术投入会由基础研究向应用研究及产业化转变,纳米研发会由从单打独斗向合作发展,更加重视微纳米加工和检测仪器的研发,更加着重向生物和电子方面应用发展。

与此同时,科学家们还要回答这些问题:纳米级颗粒如此微小,能够穿透皮肤进入人体肺部甚至自由漫游,会不会成为体内“杀手”?如果有人通过纳米材料操控生物基因,会不会制造出什么“怪物”?纳米炸弹会不会带来更大灾难?

“一方面是大力发展纳米技术的应用,另一方面当务之急是要制定标准。”任红轩认为应该鼓励研究单位与产业界结合,共同制定纳米产品及检测标准。“这样既能够规范市场行为,将一些低质量无竞争力的企业洗牌出局,又能够约束纳米技术造成的潜在危害。”

正如科学家们所讲,不成熟的技术仍是幻想,纳米梦想的真正实现依然还有很长的路要走。

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