微米和纳米科技材料

未来纳米技术的五大应用

过去70年有两样小发明改变了人类的生活和工作——电子晶体管和微晶片,所有现代电子技术的发展都基于这两样发明,而且自40年代起,这两样产品不断变得越来越袖珍。如今,一个晶片可以容纳多达50亿个电子晶体管。假使汽车按照同样的速度发展,恐怕现在时速已经可以达到30万英里,而每部价格仅需3英镑。

然而,要使这种进步持续下去,人类必须做到在极其微小的纳米范围内创建电路。一纳米是一米的十亿分之一,因此这种技术必须在单个原子上操作。具体来说,可以将一束电子射向某种材料,或把电子束蒸发后形成的气态原子一层一层置于材料表面。真正的挑战在于如何将这样的技术可靠地用于生产纳米级的工作设备。物质的物理特性如熔点、电导率和化学反应性在纳米级会变得非常不同,意味着设备被缩小后性能也会受影响。而一旦这项技术得以成熟发展,不仅是电子行业,现代生活的各种领域都将可能获得进步。以下是纳米科技在未来的五大应用趋势。

人体内的“医生”

人们可以将健康监测装置佩戴在身上,随时了解自身的状况。现在甚至还有可以感知生命体征的电子纹身。试想若进一步将这种科技微缩,把微型传感器植入或注射入人体内,可以减少病人的麻烦,捕捉到更详细的信息,从而更有利于医生诊治。

此外还有无尽的可能,比如监测人体炎症的发展、术后恢复,甚至还有能够干预人体信号的电子装置,从而控制器官的功能。虽然听起来好像有些遥远,葛兰素史克这样的医药业巨头已经在研发所谓的“电子医药产品”(electroceuticals)。

随处可见的传感器

有赖于最新的纳米材料和制造工艺,传感器变得越来越小,越来越复杂和越来越节能。现在以低成本就可以用柔性塑料辊批量生产出性能优良的传感器。如此一来,可以在重要的基础设施必要的位置安装多个传感器,如桥梁、飞机,甚至是核电厂,用于监控设施的安全运作。

自我修复结构

改变材料的纳米级结构会使它们具备某种神奇的特性,如防水功能。将来,纳米科技涂层或添加物还有可能赋予材料自我修复的功能。假设材料上遍布纳米颗粒,在有裂痕出现时它们就可以自行移动和填补。这种科技可以应用于从飞机驾驶舱到微电子学的各个领域,防止细小的破裂变成危害更大的裂痕。

让大数据发挥更大的作用

以上提到的传感器的应用会产生前所未有庞大的信息数据,因此还需要对它们进行处理,找出代表问题征兆的模式。同样的应用可以将交通传感器所包含的大数据用于改善交通拥堵和防止事故发生,或将统计数据用于更有效地调配警力资源,降低犯罪率。

纳米科技在这方面的应用创造的是一种超密集记忆体,帮助储存极其庞大的数据,同时也促进了高度有效的运算法则的发展,在确保可靠性的前提下处理、加密和传达数据。人类的眼睛和耳朵可以迅速将外界信号转换成大脑可接收的信息,就是自然界中微结构实时有效地处理大数据的实例。将来越来越小的电子设备一个主要的问题是会产生过多的热量,而依据大脑构造研制的计算机架构有可能更节能,减少过热带来的影响。

纳米科技应对全球变暖

应对气候变化

气候变化带来的挑战使得人类需要新方法来发电和使用电力,而纳米科技已经派上用场。借助于纳米科技,电池能为电动汽车储存更多的能源,太阳能板也能够将更多的阳光转换成电力。这两种应用均采用了纳米纹理或纳米材料(如纳米线或碳纳米管),将平面变为面积更大的三维立体表面,从而储存和产生更多的能量,因此设备效率也更高。

在不久的将来,纳米科技还可以让物体从周围环境中吸收能量。新型的纳米材料和概念正在研究当中,有望从物体的移动、光线、温度变化、葡萄糖和其他来源高效地产生能源。

参考文献

1. Electron beam lithography: resolution limits and applications, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433200003524

2. Nano World: Nano for self-healing material, https://phys.org/news/2006-02-nano-world-self-healing-material.html

3. Nanotechnology for self-powered systems, https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=33308.php

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