微米和纳米科技材料

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

编者按:2020年9月26日,深圳市委宣传部、深圳市社科联联合邀请闫鹏勋教授作客深圳市民文化大讲堂,为市民朋友们做了一场题为“改变我们生活的神奇纳米技术”的精彩讲座。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

身边的纳米

纳米热已持续了20多年,现在有很多产品宣传都标榜纳米。比如纳米鞋垫、纳米洗衣机、纳米杯子、纳米鞋等等,其实这些大部分都是伪纳米。纳米既神奇又不神奇,因为它在自然界早已存在,下面用一些案例告诉大家什么叫纳米:

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第一个是出淤泥而不染的荷叶。下雨之后荷叶总是很干净的,这是因为水滴落在荷叶上,会变成了一个个自由滚动的水珠。而且,水珠在滚动中能带走和荷叶表面的尘土。荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物,有丰富的羟基(-OH)、(-NH)等极性基团,在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶表面的结构就是纳米结构,具有极强的疏水性,洒在叶面上的水会自动聚集成水珠,水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面,使叶面始终保持干净,这就是著名的“荷叶自洁效应”。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第二个是横行霸道的螃蟹。亿万年前,螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触角里有几颗磁性纳米微粒,螃蟹便拥有了用于定向的几只小“指南针”。靠这种高精度的“指南针”,螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退,行动自如。后来,由于地球的磁场发生多次剧烈倒转,螃蟹触角里的那几颗珍贵的纳米小磁粒发生错乱,失去了正确指示方向的功能。于是,晕晕乎乎的螃蟹便开始横行,从此落得个蛮横的名声。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第三个是不迷路的蜜蜂。蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子,这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能,蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境,利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时,实际上就是把自己原来存储的图像和所见到的图像进行对比,直到两个图像达到一致,由此来判断自己的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进行导航,蜜蜂可以完成数公里的旅程。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第四个是飞檐走壁的壁虎。壁虎可以在任何墙面上爬行,反贴在天花板上,甚至用一只脚都能在天花板上倒挂,它依靠的就是纳米技术。壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛,可以使壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱,但足以使所谓的范德华键发挥作用,为壁虎提供数百万个的附着点,从而支撑其体重。这种附着力可通过“剥落”轻易打破,就像撕开胶带一样,因此壁虎能够穿过天花板。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第五个是绚丽多彩的蝴蝶。蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着迷。这也让生物学家们感到疑惑:蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的,又有什么不同意义呢?最近,荷兰格罗宁根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的通道。在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后,希拉尔多博士揭示了这个秘密:翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质,它们就像圣诞树上小小的彩灯,在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一个身份标志。不同颜色的翅膀,让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就识别出同伴,甚至辨别出对方是雄是雌。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

第六个是池塘中的溜冰者水黾。小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”,因为它不仅能在水面上滑行,而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是在于既不会划破水面,也不会浸湿自己的腿。水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构槽中的气泡形成气垫,这些气垫阻碍了水滴的浸润,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性(超强的不沾水的特性)。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如,即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。

前面这几个都是自然界中存在的纳米现象,还有中国古代的墨汁使用燃烧蜡烛成的炭黑作为原料,它也是有纳米成分的;削铁如泥的宝剑,比如最有名的干将莫邪宝剑,它们之所以锋利是因为其表面经过处理之后形成纳米结构,性能变得非常优异,削铁如泥;还有人牙齿表面的牙釉质也是纳米结构,所以质地非常坚硬。

什么是纳米

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

首先纳米不是米,也不是吃的大米,实际上它是长度单位:

·1纳米(nm)等于1米的10亿分之一,也就是1nm=10-9m=1Å ,1000纳米等于1微米(μm)。

·如果把1纳米小球放到乒乓球上,相当于把乒乓球放到地球上。

·头发丝的头发丝直径为50-100μm,1nm相当它的六万分之一。

·一个氢原子直径就是1埃(Å),实际上就是0.1纳米,所以1纳米约等于10个氢原子一个一个排起来的长度。

身边的纳米

纳米材料基本定义:尺度范围在1-100nm,且呈现出与常规材料有显著差别的特殊物理化学效应的材料称之为纳米材料。几百个几千个以上的原子抱成团形成的颗粒就叫纳米材料。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

从化学成份来说纳米材料可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料。

从结构维度来说纳米材料可以分为:零维、一维、二维、三维。

·零维是维度的基点,也就是没有维度的,没有发散和方向的维度,纳米粉是零维纳米材料,它是粉末没有维度。

·一维是一条线,在理解上即为左-右一个方向。如:纳米管、纳米线、纳米棒。

·二维是在一个平面上的内容,即左右、前后两个方向,没有上下方向,如纳米薄膜、石墨烯。

·三维是平面二维中又加入了一个方向量构成的空间系,如纳米晶固体材料。

从物理性质来说纳米材料又可以分为纳米半导体、纳米磁性、纳米非线性光学、纳米铁电体、纳米超导、纳米热电等。

从应用的角度我们也可以把纳米材料做个分类,比如纳米电子、纳米光电子、纳米生物应用、纳米敏感、纳米储能。

金属纳米有什么用?

纳米材料种类众多,其中数金属纳米粉体最难制造,所以它非常昂贵,但是用处很广泛,性能也非常好,可以说是纳米技术中的“王冠技术”。

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

金属纳米粉体可以应用到很多领域:比如3D打印、自修复润滑油、生物磁珠、粉末冶金、高效农业、高效催化、抗菌服装及涂料、吸波隐身、金属燃料等等。

·3D打印:3D打印最核心的是材料,打印的东西如果强度不够,再复杂的结构也没有用。因此材料添加金属纳米可以保证核心构件的强度、硬度达到设计要求。

·自修复润滑油:车辆设备上用的润滑油,颗粒直径为50-100nm的球形纳米金属粉(包括铜、镍、铝等有色金属及其合金) 以适当的方式分散于各种润滑油中从而形成的一种均匀、稳定的悬浮液。每升油中含有数十亿个金属粉颗粒,它们与固体表面相结合,形成超光滑的保护层,同时填塞微划痕,从而大幅度降低摩擦和磨损。

·吸波隐身:纳米镍粉、铁粉、铁氧体粉以及铁镍合金粉等都是优良的电磁波吸收材料,不仅能吸收雷达波,而且能很好地吸收可见光和红外线。具备波频带宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点。用其配制的吸波涂料和结构吸波材料,可显著改善飞机、坦克、舰船、导弹、鱼雷等武器装备的隐身性能。

·金属燃料:金属纳米粉末具有极强的储能特性,比如向火箭固体燃料中加入0.5%纳米铝粉或镍粉,可使燃烧效率提高10%—25%,燃烧速度大幅提升。

虽然金属纳米粉体用途十分广泛,性能又好,但昂贵的价格制约了在各个领域的广泛使用。现在国际上1克纳米金属材料的报价大概是200元到800人民币之间。

金属纳米粉制备与产品

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

我们纳米团队历经20年发明了全球唯一能实现大规模工业化生产纳米金属粉体的技术及设备(MPNP),具有独立知识产权,产能是国际主流技术的几十倍,产量、质量都位居世界第一。

常规金属纳米粉体的制备方法有成百上千种,但主流的不外乎以下几种方法:电爆法、蒸发冷凝法、等离子体法、湿化学法、球磨法。但是这些方法都存在产量低、易团聚、重复性差和成本高等问题。

MPNP技术相对它们来说有以下几方面的优势:

·种类多:可以生产各种金属及其化合物纳米粉体,产品质量高。

·产量大:可大批量、规模化、连续生产,产能是欧美的几十倍。

·后处理技术:既不影响纳米颗粒高活性又能确保生产、运输、使用安全。

·自动化程度高:设备自动化、集成化程度高,可实时记录设备运行状态,实现生产过程实时监控。

·生产过程安全:设备具备危机自处理能力,操作简单,设备操作对象大众化。

·绿色环保:生产过程零排放。

MPNP技术可以说能生产大部分金属纳米粉体,目前主要生产的产品有纳米铝粉、纳米铁粉、纳米铜粉、纳米钴粉、纳米镍粉、纳米硅粉、亚微米锌粉等等。

纳米铝粉主要应用在固体推进剂、军工产品、金属漆、活化烧结剂、电子浆料、导电涂层等上面,用显微镜放大10万倍可以看到它是一个个的小圆球。高质量金属纳米粉体有以下几个特点:圆球型、表面光滑、不团聚。

纳米铁粉主要应用在吸波材料、导磁浆料、高密度磁记录材料、磁流体、靶向药物、粉末冶金、纳米高效农业、发射药、炸药、润滑剂、高效催化剂等方面。

纳米铜粉主要应用在电子浆料、导电油墨、活化烧结添加剂、塑料抗静电和防霉处理、导电涂料、自修复润滑油,抗菌服装及涂料等方面。

纳米钴粉主要用作高效催化剂,在磁技术材料、导电浆料、粉末冶金等方面也是有很广泛的应用。

纳米硅粉现在主要运用在农业上,氮磷钾之后硅也是一种重要的肥料,纳米硅肥很容易渗入到植物的细胞表面,促进庄稼成长。

金属纳米粉体产品应用

MPNP金属纳米粉体在以下六个方面已经是完全成熟的产品:纳米高效农业、纳米微波吸收剂、纳米自修复润滑油、纳米高效催化剂、纳米抗菌服装、纳米固体推进剂。

纳米高效农业

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

纳米高效农业是将独创的MPNP宏量制备技术生产的具有特殊结构的高质量铁、铜、硅等纳米粉体新材料用于农作物(小麦、青稞、大豆、玉米、棉花)、果树(苹果、黄冠梨)、蔬菜(辣椒、西红柿、西兰花等)、中药材(贝母、当归、枸杞等)种植,采用浸种、拌种、叶面喷洒等处理方式使农作物高效吸收所需各种微量元素,达到促进生长、提高抗逆性、丰产和提升品质等作用。

近四年来,我们纳米研究团队在甘肃、河南、新疆、宁夏、内蒙等地区共试验推广纳米农作物3000余亩,取得了丰硕的应用效果:河南襄城县842亩纳米冬小麦在浸种和两次叶面喷施处理后,产量增加27.3%(增产143公斤/亩);甘肃景泰县5亩春小麦经拌种和两次喷洒处理后,单产增加42%(增产164公斤/亩);新疆670亩冬小麦仅仅用纳米粉喷洒两次,亩产增加13%。在甘肃榆中县小麦试验田内,人工控水干旱胁迫条件下,金属纳米粉体单一使用可使旱地小麦最高增产42%,与微生物菌剂耦合使用可使旱地小麦最高增产91%; 在甘肃武威地区,我们测量的纳米小麦籽粒铁含量最高提升30倍, 使纳米小麦成为富铁小麦,具有很好的治疗贫血作用。

纳米金属微量元素肥有如下作用:

·壮苗、促进根系生长的作用

·提高叶绿素含量

·提高小麦有效分蘖

·增加穗粒数

·增加籽粒千粒重

·增加抗逆性(抗病、抗旱、抗寒等),具有很强的抗病虫害能力

·促进农作物对土壤中铁的有效吸收,提高籽粒中铁元素含量

·丰产、提升品质

·增加全作物生物量(牧草)

·以上效果针对不同农作物(植物)品种具有普适性,可广泛推广

重载车辆纳米自修复润滑油

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

机械零部件长期摩擦导致材料的损耗是巨大的。据估计全世界1/3-1/2的能量消耗在摩擦上,约有近80%的机械故障或零件破损是由磨损所引起的。据统计我国每年因摩擦磨损造成的经济损失高达数千亿元,因此润滑油是非常重要的。纳米润滑油因为加入了纳米颗粒,它的润滑性能更好,使用寿命更长。通过纳米颗粒的添加,磨损量大大降低,至少可以延迟车辆两三倍的使用寿命,甚至更长,同时还对已经磨损的表面产生修复作用,所以它的使用效果和经济效益都是非常大的。

纳米抗菌服装

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

抗生素的普遍使用使得细菌对抗生素的抗性逐渐增加,而很多纳米粉体都具有强效的杀菌能力,而且它是广谱杀菌。利用纳米粉体抗菌处理的衣服及涂料可以百分百抗菌,纳米服装经过长期的穿着和清洗后仍然有很强烈的杀菌能力。

纳米高效催化剂

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

当前纳米铁粉作为催化剂用于合成氨工业已经得到应用,国内已经开始吨级应用纳米铁粉,用量还在急剧增加。一个大型合成氨反应塔需要催化剂300吨,纳米铁粉占1-5%,当前国内合成氨工业需要上万吨催化剂,需要纳米铁粉100—500吨,市场潜力巨大。

使用铁基纳米合成氨催化剂有以下优势;

·出口氨含量达到18~25%,活性提高了15%以上,合成氨的转化率可增加30%以上,显著提高转化率,使得合成氨生产的产能得到了大幅提高。

·低温活性高,显著降低了生产用电,使生产成本降低至少3.2%

·可延长使用寿命1-2年,耐热抗毒能力强。

·具有稳定性好、还原质量高、能耗低等特点,在节能降耗和提高产量方面具有明显的作用。

纳米固体推进剂

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

纳米含能材料在军事上的用途也非常广泛,比如纳米铝粉在火箭固体推进剂中具有突出作用。

纳米粉体添到固体火箭里面有更好的性能,常规的固体推进剂中运用的是微米铝颗粒和氧化剂,在火箭或导弹发射后可以看到有大量的尾烟,实际上是燃烧不充分的表现。如果把微米颗粒替换成纳米颗粒,就能非常充分燃烧,大量减少尾烟,甚至可以达到100%的完全燃烧,不会有尾烟的产生。

金属纳米的未来

科普:闫鹏勋 — 改变我们生活的神奇纳米技术

金属纳米用途非常广泛,除了上述几个领域外,未来它还将在沙漠治理、草原生态修复、水氢汽车、超级磁铁、纳米硅增强太阳能电池转换效率、纳米防腐、纳米化妆品等方面发挥更大作用,改变人来的生活。

·沙漠治理:在研究当中发现用很少的纳米硅涂抹在沙漠沙子的表面,沙子流动性就降低了,从而固化了沙漠,加上纳米铁和种子再喷洒,在沙漠当中可以有很强的固化力,而且耐旱。

·草原生态修复:纳米铁对草喷洒处理之后效果非常好,产量提高,品质增加,对草原恢复是非常重要的。

·土壤修复:因为纳米金属、纳米硅具有强吸附性、表面积大及活性高的特点,利用它可以把土壤中的重金属吸附隔离达到治理作用。盐碱地可以通过硅和其它纳米金属共同作用,使酸碱离子达到中和作用,最后不影响庄稼发挥。

·水氢汽车:随着全球对清洁能源的日益重视,氢燃料电池车作为汽车环保的终极解决方案之一,必然是汽车工业的发展方向。氢能的应用前期已经积累了科学家们的大量的研究,开始逐渐走向市场,虽然到大规模产业化之日仍需要取决于氢燃料技术的成熟度及成本大幅下降。

·超级磁铁:纳米铁粉磁性是普通铁的100—200倍,可以把纳米粉末重新按比例再配制再烧制形成耐高温、高压,超强度的超级磁铁。

·纳米硅增强太阳能电池:用纳米涂抹在太阳能的光板表面,可以吸收更多的光能以及提高光能的转化效率。

嘉宾介绍

闫鹏勋:理学博士、教授、博士生导师,国务院政府特殊津贴专家,知名纳米材料专家。现任甘肃省科学院纳米应用技术研究室首席研究员、甘肃省侨联主席。历任兰州大学教授、博导、等离子体与金属材料研究所长、甘肃省科学院副院长。留学德国,新加坡,美国。其发明的“金属纳米粉体宏量制备技术(MPNP)”,是国际上唯一高质量金属纳米粉体工业化生产技术,其产能是其它技术的数十倍。率先提出“纳米高效农业”概念。在国际著名刊物上发表SCI论文300余篇。2020年5月7日,入选英国爱思唯尔(Elsevier)发布的2019年中国高被引学者(Chinese Most Cited Researchers)材料力学榜单。

(头条号运营:深圳科筑信息技术有限公司)

你可能还喜欢

发表评论

您的电子邮件地址将不会发布。

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据