微米和纳米科技材料

什么是纳米技术?读完这篇文章,你就会明白了

国纳环境酱曾经在纳米技术及应用国家工程研究中心工作多年,身边的朋友常常会问我一个问题,“什么是纳米科技?”。

简单来说,纳米科技就是在纳米尺度(1到100纳米)上进行的科学、工程和技术。显然,纳米科学和纳米技术是对极小事物的研究和应用,可以应用的科学领域非常广,包括化学、生物学、物理学、材料科学和工程学,也包括现在“卡脖子”领域——芯片。下面我们就来一起简单了解一下什么是纳米科技。

纳米科技的起源

纳米科技这一个概念起源于一位名叫理查德·费曼(Richard Feynman)的物理学家,早在1959年12月29日,在加利福尼亚理工学院举行的美国物理学会会议上,他发表了一篇题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”的著名演讲,在这篇演讲中,费曼描述了一个科学家能够操纵和控制单个原子和分子的过程,并提到了纳米科学和纳米技术背后的思想和概念。

在费曼演讲之后十多年,在对超精密加工的探索中,谷口教授正式创造了纳米科技这一术语。直到1981年,随着能够“看到”单个原子的扫描隧道显微镜(STM)的发展,现代纳米科技才开始出现。

纳米科技的基本概念

很难想象纳米到底有多小,一纳米是十亿分之一米,这里举几个例子:

  • 一英寸有2540000纳米
  • 一张报纸的厚度大约有100000纳米
  • 一根头发均匀等分成50000根后,每一根的厚度大约就是1纳米

在纳米世界,我们可以观察和控制单个原子和分子。要知道,地球上的一切都是由原子组成的——我们吃的食物,穿的衣服,住的房子和房子,也包括我们自己的身体。原子这样小的东西用肉眼是看不见的,即使借助中学科学课上常用的显微镜也看不见,只能用扫描隧道显微镜或原子力显微镜(AFM)才可以。

纳米科技的应用

虽然现代纳米科技还是新生技术,但纳米材料我们已经使用了数千年了。早在1600年前的古罗马人制作的一只高脚杯,当光线从前方照射时杯子呈现绿色,当光线从后方照射时呈现红色,人们一直不知道其中原因。直到最近科学家将高脚杯的玻璃碎片放在高倍显微镜下观察,发现玻璃中溶入了金和银颗粒,其直径大约50纳米,这只有盐粒直径的千分之一。这说明高脚杯的制造过程中使用了类似现代的纳米工艺,能够将物质分解成原子和分子等级。

如今,科学家和工程师们可以利用全新的科技手段和工具,寻找各种各样的方法来有意地在纳米尺度上制造材料,以利用相比大尺度材料而言增强的特性,例如更高的强度、更轻的重量、更好的光谱控制以及更大的化学反应性等。

纳米科技应用范围很广,包括衣、食、住、行、医等方方面面,不过大家听得最多的或许就是芯片了,芯片为什么人家能卡我们脖子,原因就在于芯片就是纳米尺度上进行制造的,涉及高精度设备,如光刻机。

纳米科技未来展望

对于未来纳米科技的发展,2017年上海市科技启明星卢静副研究员(国纳环境酱前同事)给出了自己的意见:“随着纳米制造设备和表征技术的发展,纳米材料的应用将会更加广泛与便捷。例如:原子层沉积设备原都由国外垄断,现在国内已经有成熟的设备生产商,这降低了纳米科技的应用成本;早期废水治理仅针对工业废水等,现在我们已经开始注意原生态的水域环境保护;拉曼检测之前只有实验室才能进行,现在已经有手持拉曼检测仪可以现场快速操作了。总之,无论是认识和技术的改变,都给纳米材料的研究带来了新的机会和挑战。”

国纳环境酱认为,纳米科技是一个既古老又崭新的学科,涉及各行各业,也关乎民生,这是一个我们必须占领的科研高地。我们有理由相信,随着大家对这个领域基础研究和应用研究的重视,我们会迎头赶上,推动更多的原始创新、构筑纳米科技和产业发展“高楼”的基石。#知识创作人第七季##我来科普##科普一下#

大家对此怎么看呢?欢迎留言讨论。我是@国纳环境酱,百家榜上榜创作者,专注空净/新材料/节能环保,点评泛科技资讯。


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