微米和纳米科技材料

纳米世界有何神奇之处?

隐身、变形、防污,神奇的纳米世界,很多现象令人叹为观止。中科大纳米科技专家、首批国家“青年千人计划”入选者熊宇杰教授,为你揭开纳米世界的神秘面纱——

纳米世界有何神奇之处?

日前,全国首届“最美青年科技工作者”名单出炉,共有30位科技工作者获此殊荣,中科大纳米科技专家、首批国家“青年千人计划”入选者熊宇杰教授位列榜单。

纳米世界有何神奇之处?随着纳米科技的发展,人类的生活将会发生哪些改变?记者深入中科大校园,倾听熊宇杰教授的精彩讲述,与你一起在纳米世界畅游、探秘。

纳米世界 神奇令人惊艳

披上一件斗篷,可以瞬间实现隐身,这样的镜头时常出现在科幻大片中。如今,隐身手段虽然多样,但使用纳米材料是其中较常用的一种方式。隐形战机为什么能够躲避雷达追踪?“就是因为飞机表面喷上了一层纳米吸波涂料。 ”熊宇杰透露,这些神奇的纳米超细粉末,不仅能吸收雷达波,也能吸收可见光、红外线,可以逃避雷达侦察,并有红外隐身作用。

纳米到底是什么?专家介绍,纳米又称毫微米,如同厘米、分米和米一样,是长度单位。具体地说,一纳米等于十亿分之一米,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。形象地讲,一纳米的物体放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般,一根发丝的直径就有8万纳米。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,纳米尺度的超细材料则被称为纳米材料;纳米技术就是在纳米尺度的范围内,通过操纵或组装原子、分子、粒子来构筑新物质和器件的技术。

纳米级的金子还是金灿灿的么?当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。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。在纳米世界,原本导电的铜加工到某个纳米尺度就不再导电,绝缘的二氧化硅在某个纳米尺度时则会变成导体;固体金属有其固定的熔点,超细微化变成纳米尺度时,熔点会显著降低,比如金的熔点是1064℃,2纳米尺度的金熔点则降为327℃;一些并不活泼的金属,在纳米尺度时会变得非常活泼,容易燃烧并引起爆炸。

“纳米世界,神奇令人惊艳。 ”熊宇杰说,纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,在极小的纳米尺度下,固态金属可以变得五颜六色,像面团一样柔软,甚至可以像液态那样任意变形。未来,随着纳米科技的发展,将煤炭中的原子重新排列,就能轻松得到钻石;而将土壤、水和空气的原子重新排列后,就能生产出马铃薯。

纳米世界有何神奇之处?

走进生活 美妙超乎想像

荷叶为何能出淤泥而不染?壁虎为何能飞檐走壁? “这些特异功能,与纳米结构有关。 ”熊宇杰说,在地球漫长的演化过程中,纳米材料和它的形成过程早已存在于自然界的生物中。他告诉记者,荷叶不沾水,是因为荷叶拥有纳米细微结构,当荷叶上有水珠时,风吹动水珠在叶面上滚动,水珠可以粘起叶面上的灰尘,并从上面高速滑落,从而使得荷叶能够更好地进行光合作用;壁虎的每个脚趾生有数百万根细小刚毛,刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的纳米级铲状绒毛,特殊的纳米结构让壁虎拥有超强的黏附能力。

实际上,纳米尺度的物质并不稀有,我们甚至每天都与它们亲密接触。比如,在雾霾天气下,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人类的肺部;高防晒指数的防晒霜,普遍含有纳米二氧化钛、氧化锌微粒,这些纳米微粒对紫外线有强吸收作用;人的牙齿之所以具有很高的强度,也是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成。

随着纳米科技发展,很多神奇的纳米产品已走进人们的生活。熊宇杰介绍,当前普遍使用的电脑和手机,中央处理器即是用纳米材料制造,一个集成电路可拥有几十亿个晶体管;有了纳米防水镀膜,消费者的手机、平板电脑、穿戴设备等电子产品,可以快速进入“生活防水”模式。国家大剧院的穹顶看起来总是干净光亮,就是因为它是由超亲水、光催化等性能的纳米自清洁玻璃和自清洁钛板组成,表面污垢很容易被雨水清洗掉。目前,北京部分地区已试用一种纳米银粉打印的地铁票和景区门票,这种票具有非感光、无污染等诸多优点。

纳米世界有何神奇之处?

纳米冰箱、纳米衣服、纳米陶瓷、纳米药品和化妆品……由于纳米涂料具有防水(墨水、酱油等)、防油、防辐射、防病菌、防霉、防化学品的污染等功能,纳米冰箱抑菌、保鲜效果好,纳米服装防污不沾油;用上了纳米陶瓷的厨房,卫生将会很容易打理。纳米疾病检测指示剂对环境中的指标变化极为敏感,当肿瘤只有几个细胞大小时,指示剂就可以将其检出。科学家于1991年发现的碳纳米管,细度仅为头发丝的五万分之一,密度只有钢的六分之一,强度却是钢的一百倍,已被广泛应用于制造防弹衣。在航天航空领域,将一些纳米粉末添加到火箭的固体燃料推进剂中,可大幅度提高燃料的燃烧效率,改善燃烧稳定性。研究表明,向火箭固体燃料中加入 0.5%的纳米铝粉或镍粉,可使燃烧效率提高10%至25%,燃烧速度加快数十倍。

纳米世界有何神奇之处?

技术创新 掀起产业革命

日前,中科大熊宇杰课题组发明一种金属钯纳米结构催化剂,这种催化剂具有高催化活性和太阳能利用特性,可以在室温光谱辐照下达到热反应70℃下的催化转化效率,这一进展为有效利用太阳能提供了技术支撑。今年1月,该课题组还发现纳米硅材料作为催化剂,可用于“光解水制氢”,为寻找和开发自然界丰富、高效的光催化剂打下坚实的基础。

纳米世界的技术创新,是当前世界各国竞争的热点。早在1991年,日本就正式实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究计划;2005年,美国重点研究的10项战略技术中,有4项属于纳米技术。著名科学家钱学森曾预言:“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。 ”2014年,美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔,因开创性的成就使光学显微镜能够窥探纳米世界,而获得年度诺贝尔化学奖。

近年来,中科大纳米科技研究取得一系列进展。孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术,突破光学衍射极限,实现对单个自旋态的纳米量级空间分辨率测量和操控,成像精度达4.1纳米,为光学衍射极限的1/86,超越2014年诺贝尔化学奖获得者斯特凡·黑尔教授等人实现的光学衍射极限1/67的精度。曾杰研究组发明的多功能材料“纳米之星”,在近红外区有很强的光吸收和光热转化能力。研究人员在患有乳腺癌的小鼠体内注射此材料,并在肿瘤处用近红外激光进行照射发现,纳米晶体吸收近红外光并转化成热,产生局部高温,从而杀死癌细胞。

新能源、节能环保、生物医药、信息产业、新材料……纳米材料和纳米技术应用空间巨大。为抢占纳米科技和产业制高点,中科院、教育部2003年联合成立国家纳米科学中心,聚焦前瞻性、具有重要应用前景的纳米科学与技术基础研究,并推动纳米科技产业化。随着纳米科技的进步,未来人们或许可以用上几秒钟就能充满电的纳米手机;纳米机器人可以钻进人的血液,将药物直接送到病灶上,甚至可以直接切除心血管中的病变部分;“纳米医学”能够在细胞老化时,一个分子一个分子地制造出新细胞,大大地延长人类寿命。(桂运安)

责任编辑:小铟

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