你对纳米技术了解多少

纳米技术是在纳米尺度上进行的科学、工程和技术,大约是1到100纳米。

物理学家理查德·费曼

纳米科学和纳米技术是对极微小事物的研究和应用,可以应用于所有其他科学领域,如化学、生物、物理、材料科学和工程。

纳米技术的起源

纳米科学和纳米技术背后的思想和概念始于1959年,物理学家理查德·费曼在加州理工学院举行的美国物理学会会议上的一场题为“底层有足够的空间”的演讲,在他的演讲中,费曼描述了一个过程,在这个过程中,科学家将能够操纵和控制单个原子和分子。十多年后,谷口典夫教授在探索超精密加工的过程中,创造了纳米技术这个术语。直到1981年,随着能够“看到”单个原子的扫描隧道显微镜的发展,现代纳米技术才开始出现。

纳米技术是什么?

纳米技术是一个研究和创新领域,涉及在原子和分子的尺度上建造“东西”——通常是材料和设备。一纳米是十亿分之一米,是氢原子直径的十倍。人类头发的直径平均为80000纳米。在这样的尺度下,物理和化学的普通规则不再适用。例如,材料的特性,例如它们的颜色、强度、导电性和反应性,在纳米尺度和宏观尺度之间可以有很大的不同。碳纳米管的强度是钢铁的100倍,但重量是钢铁的6倍。

纳米技术能做什么?

纳米技术被誉为具有提高能源消耗效率、帮助清洁环境和解决重大健康问题的潜力。据说,它能够以显著降低成本的方式大规模增加制造业的生产。纳米技术的提倡者声称,纳米技术的产品将更小、更便宜、更轻,但功能更强,需要更少的能源和更少的原材料。

纳米材料特性

在宏观尺度上,金(Au)是闪亮的黄色。然而,当金颗粒的尺寸为25纳米时,它们呈现红色。较小的颗粒与光线的相互作用不同,所以黄金颗粒呈现出不同的颜色。根据颗粒的大小和形状,黄金可以呈现红色、黄色或蓝色。

金币

溶液中的金纳米颗粒

另一个纳米粒子出现不同于相应宏观材料的例子是在防晒霜中发现的。二氧化钛(TiO2)长期以来一直被用于防晒霜。它是使奶油呈现白色的成分之一。制造商现在使用纳米粒子来制造透明的面霜和凝胶——因为TiO2的纳米粒子看起来是透明的。

当材料处于纳米尺度时,其它性质也会发生变化。例如,铝(Al)是一种光亮柔韧的金属,用于制造易拉罐。在纳米尺度上,铝粒子非常活跃,会爆炸。纳米粒子的反应性更强,因为它们比大尺度粒子有更多的表面积。

研究人员希望利用这些不同的和意想不到的行为来开发新技术。

通过利用这些新行为,许多不同学科的研究人员希望创造许多新事物,从日常用品,如抗菌袜子和更轻的网球拍,到最先进的太阳能电池,更快和更小的计算机,或选择性治疗疾病的医疗手段。许多科学家和工程师认为可能性是无穷无尽的。

专家们对纳米技术有什么看法?

1999年6月,诺贝尔化学奖得主Richard Smalley在美国众议院科学委员会上就纳米技术的好处发表了讲话。“纳米技术对人们健康、财富和生活的影响,”他说,“至少将相当于本世纪发展起来的微电子、医学成像、计算机辅助工程和人造聚合物的综合影响。”

对人类和环境健康有影响吗?

然而,其他人却像斯莫利一样谨慎。创造了纳米技术这个术语的科学家埃里克•德雷克斯勒(Eric Drexler)警告说,要开发“极其强大、极其危险的技术”。德雷克斯勒在他的《创造的引擎》一书中设想,人类创造的自我复制分子可能会逃脱我们的控制。尽管这一理论已被该领域的研究人员广泛质疑,但关于纳米技术对人类和环境健康的影响以及新工业可能对南北差距产生的影响,仍有许多担忧。活动人士担心,纳米技术的科学和发展将比决策者能够设计出适当的监管措施的速度更快。他们说,必须进行充分的辩论,以确定风险和利益之间的平衡。

纳米技术对健康和卫生的影响

纳米技术已经成为医疗保健研究的有用工具。2005年1月,美国麻省理工学院的研究人员使用了“光学镊子”——将成对的小玻璃珠放在一起或用激光束分开——来研究感染了疟疾寄生虫的红细胞的弹性(参见用微小工具对付疟疾)。这项技术帮助研究人员更好地了解疟疾是如何在体内传播的。

纳米技术如何改善药物传递

但是纳米技术也有一天可以用于更便宜、更可靠的药物输送系统。例如,建立在纳米尺度上的材料可以提供封装系统,以缓慢和可控的方式保护和分泌封闭的药物。对于那些没有足够的储存设施和配送网络的国家,以及那些接受复杂药物治疗的患者来说,这可能是一种有价值的解决方案,因为他们没有时间或金钱去很远的地方看病。

用于改善水净化系统的纳米级过滤器

纳米级结构的过滤器有望提供更好的水净化系统,制造成本低,使用时间长,而且可以清洗。其他类似的技术可以吸收或中和有毒物质,如砷,这些物质在包括印度和孟加拉国在内的许多国家毒害地下水。

市场上标明纳米字样的产品都用到了纳米技术吗?

纳米技术增强的产品已经开始进入市场。然而,并不是所有标有“纳米”的产品都真正利用了纳米技术。一些制造商使用“纳米”这个前缀来向潜在买家传达他们特定产品相对较小的尺寸。此外,他们希望利用围绕纳米技术的喧嚣和兴奋。

有一些产品确实使用了纳米技术,即使它的名字中不包含纳米技术! 最常见的例子之一是纳米银在消费产品中的使用。银本身具有抗菌性,自古以来就被用来控制细菌。通过在纺织品、塑料和家用电器中加入纳米级的银,制造商可以制造出使用少量银杀灭细菌而不影响产品其它性能的材料。

然而,人们担心,以这种方式增加银的使用可能会对环境造成风险,或导致对银耐药细菌的发展。

新兴纳米技术项目已经创建了一个消费产品清单,这些产品实际上在某种程度上利用了纳米技术。然而,由于这些产品的专利性质,往往无法对产品如何使用纳米技术做出明确的决定。

纳米技术能达到人们的期望吗?

纳米技术被称为“下一个大事件”。它被誉为新型癌症治疗、能源独立、改进电子设备和为第三世界国家带来清洁水的关键。纳米技术的应用范围如此广泛,它有能力改变我们生活的世界,就像过去30年里计算机改变了社会一样。但是,为了完成这些壮举,研究纳米材料的科学家和工程师仍然需要更好地了解纳米材料的性能,以及如何可靠地合成它们。

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