微米和纳米科技材料

无限小巨人:非凡的纳米技术正在改变世界

纳米是一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米,纳米科技研究的正是纳米尺度的物质和现象。

本书的作者是彼得·福布斯和汤姆·格里姆塞,他们主要从物质材料、奇特现象、实际应用三方面介绍了纳米科技的发展。

(1)纳米材料

纳米科技的重要目标是开发新型纳米材料,这其中就包括三类极具价值的碳纳米材料——富勒烯、碳纳米管和石墨烯。

富勒烯是碳原子相互连接形成的一种纳米小球。1985年,萨塞克斯大学克罗托博士发现了一种由60个碳原子组成的分子。在建筑家富勒一篇论文的启发下,克罗托和同事们确定了这些碳原子的组合形态是一个球体,并将其命名为“富勒烯”。富勒烯的内部是一个空腔,有学者将氮原子塞进富勒烯空腔,所形成的新材料具有很高的电子自旋寿命,可以用来制造精度极高的导航装置。

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1991年,日本研究者饭岛澄男首先发现了碳纳米管。碳纳米管是一种纳米级的空心管子,管壁完全由碳原子组成的,其力学强度很高,可达钢的100倍以上。如果将碳纳米管做成悬索,那么它可以在海平面上被拉长到5000千米,它甚至还能用来制成太空电梯的缆绳。

2004年,曼彻斯特大学的盖姆教授和他的博士生诺沃肖洛夫制备了一种碳的“小薄片”。这种小薄片中,碳原子们以六边形的形状连接在一起,而且它只有一个原子的厚度,这种材料就是“石墨烯”。

为了制备出石墨烯,盖姆二人把一小片石墨粘在两条胶带之间,通过反复的黏贴、撕扯,把石墨的层数不断降低,直到获得单层的石墨烯。目前,石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它的强度是钢的200倍,导电性超过铜银,且几乎是完全透明的。石墨烯的潜在用途有很多,比如用来制造快速DNA序列测试设备。

(2)奇特现象

在纳米尺度会发生很多奇特现象,甚至能对宏观世界产生影响,比如“结构色”和“自组装”。

不同于色素色,结构色是依靠特定微观结构对光线的调控而形成的一类颜色。可见光的波长范围大约在400到700纳米。当光线照射到同样尺度的结构表面时,就会产生一些独特的偏折或散射,从而形成结构色。

花生色结构

结构色在生物中十分常见,比如大蓝闪蝶翅膀的蓝色就是一种结构色。用先进的显微镜观察大蓝闪蝶的翅膀,会发现其上布满了大量细小的瓦片状结构,这些微小结构的尺寸正是在纳米级别的,而且它们是周期性地分布在翅膀表面。当光线照射到这些微小结构上时,就会发生特定的折射和反射。如果人眼从宏观观察,就能看到鲜明的蓝色。

结构色的优点是环保且不容易褪色。很多学者都在人工模仿并制造这类颜色。比如,有研究者用一类叫做弹性聚合物的材料来产生结构色。这种材料在拉伸弯折时,会发生微观结构变化,从而产生不同的颜色。用这种材料制成的衣服,可以通过拉伸来改变色彩。

“自组装”是指物质和系统可以自发地形成有序结构,这也是一种纳米尺度可以发生的现象。

对于材料制造和器件加工来说,“自组装”是一种十分有前景的方法。在芯片制造中,需要光刻机在晶圆上雕刻出纳米级的微小结构。为了实现这种超高精度,一台光刻机的成本高达上亿美元。为了降低芯片制造成本,2019年,美国的研究者通过纳米分子的自组装现象,在特殊的化学环境中,得到排列高度规律的纳米阵列。这项工作被认为可以颠覆现有的芯片制造方式。

3)实际应用

在实际应用中,纳米科技可以用来解决能源、健康等领域的难题。

为应对能源短缺,有学者提出可以通过纳米技术将空气变成燃料。比如,科学家们尝试研发“合成树叶”以模拟植物的光合作用,以空气和水为原料,来制造可以用作燃料的化合物。

合成树叶

对于“合成树叶”来说,需要引入外部能量和催化剂。能源的形式可以是光能、电能等形式,来源比较广泛;而催化剂的作用更为关键,需要其来提升反应发生的速度。

当前,最前沿的研究思路是把催化剂的尺寸减小到纳米级别。在相同的质量下,尺寸越小的颗粒,就能暴露出更多表面积,也就意味着能让更多的原子能参与到反应之中,商用铂催化剂的颗粒尺寸只有3纳米左右。来自中国科学院的研究团队,就成功通过纳米催化剂将水和空气转变为甲醇燃料。

纳米科技在健康领域也能大展拳脚,比如使用纳米技术来诱导胞分化。

神经干细胞分化

干细胞可以分化为不同种类的细胞,用来进行疾病治疗和人体损伤修复。而如何控制干细胞的分化方向一直是难题。为此,需要研究细胞与周围环境的作用机理。

生物学家因格贝尔认为细胞受到的外力会影响其行为。他与纳米学家怀特塞德合作,在基板上做出不同尺寸的凸起,并把皮肤细胞移植到基板上进行生长。在十几微米的大凸起上,细胞受力比较均匀,生长也比较正常;在几百纳米的小凸起上,细胞受力比较集中,容易死亡。

这一思路被引入干细胞研究领域。有研究者创造出不同形状的纳米表面来放置干细胞。其中,星形表面会让干细胞处于较大拉力的状态,这些干细胞易分化成为骨组织;花朵形表面的干细胞受力状况比较放松,它们倾向于变成脂肪细胞;还有一种120纳米尺寸的凹陷图案,可以让干细胞保持在原始状态不发生分化。

纳米科技的发展日新月异,从中诞生的新材料与新技术,将如同巨人移山填海一般,改造我们的现实世界,让人类社会走向更美好的未来。

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