微米和纳米科技材料

纳米技术的未来——手机充电器和加油站只是历史课上的话题

我们的想象不断地被转化成现实。

电影中引入的许多虚构的概念最终在现实生活中得以实现。以电影《全面回忆》主演)为例,它制作于1990年,但有自动驾驶汽车的概念。现在,想一想,在那段时间里,你有没有想过这样的事情是可能的?可能不会。特斯拉的崛起!

纳米技术也是如此。我们通过电影接触到它的概念,特别是那些由漫威制作的电影,他们在《复仇者联盟3:无限战争》中通过钢铁侠来展示它的巨大潜力。

虽然许多人不知道它的原理是什么,只觉得看起来真的很酷。而且它似乎也不真实。但是,就像我们所说的自动驾驶汽车、触摸屏设备、虚拟现实和增强现实……当你在读这篇文章的时候,全世界有数百万人正在使用这些技术,而在几十年前,没有人会相信这些!

事实上,现在有科学家正在研究纳米技术并利用它开发超级材料。

你可能会问……

纳米技术是什么?

纳米科技是科技的一个分支,涉及到在纳米尺度——即1-100纳米,对材料的单个原子或分子实施操控。

纳米有多小?

1纳米是一米的十亿分之一(0.000000001或10^-9)米。

从长远来看:

还是对这种尺度没有概念?一般成年男子的身高在1.7m左右,我们来算一下,也就是1.7×1 000000 000 = 1700000000纳米高.

组成分子的原子是构成物体/材料的基本元素,包括形状、结构和状态(固体/液体/气体)。因此,如果我们可以人为地操纵一个物体的原子,我们就有能力改变或增强该物质的物理结构,从而使我们受益。

时间轴

纳米技术可以通过四代人的进化来解释。看看我做的时间轴:

  • 理想情况下,我们将在未来30-40年内完善分子纳米系统,但这是一个渐进的过程,因此可能需要更长的时间

1.被动纳米结构——制造具有超能力的纳米材料

这是第一阶段,主要集中在研究上。科学家能够操纵分子结构,将普通材料转化为具有“超能力”的材料。不管是制造防水的东西,还是一开始很重或很轻的东西,还是比钢铁更脆弱更坚固的东西——所有这些都能保持它们的功能。

让我们来看看一个很酷的例子,它是一种叫做石墨烯的超级材料。信不信由你,它就在我们身边,我们可以从一个非常普遍的事物中得到它——铅笔!

一支铅笔芯——是一种被雪松木环绕的薄石墨圆柱体。石墨烯是一种单碳片层,可由一堆构成石墨的碳片衍生而来。

它实际上只有一个原子那么厚,1毫米的石墨是由大约300万层石墨构成的,甚至一层薄薄的铅笔线也是由许多层构成的。没有比这更“二弟(2D)”的了!

事实上,拿一支铅笔在纸上画一条线,拿一些胶带把它粘在线的上面,把它剥下来,然后你就得到了一些未加工的石墨烯,它们没有任何用途,但它处理起来是如此容易,真是不可思议。

  • 石墨烯是一种碳片,其独特的平面碳键非常强,这使得石墨烯成为超级材料;原子在纳米尺度上表现不同,产生不同的物理性质。

​如果你曾经因为铅笔芯断了而觉得石墨烯并不“结实”,但是,当你剥离出这种材料的一层并加工它时,它就变成了地球上最坚固和最轻的材料。

它:

  1. 比钢铁强200倍!!
  2. 比钢铁轻6倍!!
  3. 具有超导性!!
  4. 可以拉伸至其长度的20%!!
  5. 无限弯曲而不折断!!

像这样的超级材料对科学家、制造商、环保主义者来说是天赐之物……这样的例子不胜枚举。由于其超高效的特性,它有可能以这样或那样的方式对每个行业产生积极的影响。

它可以用于制造更大容量和快速充电的电池,也可以用于制造用于生物传感、生物成像和治疗用途的生物医学传感器。

这一切都在接近!

2.活性纳米结构-功能化超能力

这是纳米技术的第二代阶段,我们将在未来3-5年内引领这一阶段。在这里,纳米材料被设计成在材料/物体中实际执行功能和任务。这些纳米结构可以完全改变物体的性质。

纳米级设备可以被整合到我们的电脑、电视和智能手机中,以提高物理耐久性(牢固性和灵活性)和超级计算性能!想象一下,你可以折叠起你的4K智能电视,然后带着它去洗手间——这可以通过石墨烯实现!

但是让我们来看看纳米技术的医学应用:纳米医学

纳米医学在治疗癌症等疾病上有很多应用。纳米机器人正在被开发用于通过我们的血液流动来检测和杀死癌细胞——基本上是人工的T细胞,它们更善于发现肿瘤的位置,而且不被癌细胞操纵。

其中一种治疗方法正在研发中,准备在人体上进行测试。

这些纳米机器人装备有一种叫做凝血酶的酶,可以帮助血液凝结。在那里,他们将携带一个DNA适配体在血液中流动。它们的目标是一种叫做核苷的蛋白质,大量的核苷只存在于肿瘤内皮细胞的表面,而健康细胞的表面是找不到的。

在定位并结合到肿瘤血管表面后,纳米机器人会打开并释放凝血酶。这将导致供应肿瘤生长的血管凝结,切断血液供应,杀死肿瘤组织。

3.纳米系统-接近幻想的梦想

我们正在接近托尼·斯塔克的水平,第三代和第四代是大多数人在谈论纳米技术时想到的。这一阶段包括纳米工厂的自组装(一种可以一个原子一个原子地制造产品的机器),它与其他纳米颗粒和机器一起工作,为特定的任务和功能创建复杂的分子结构。

够疯狂的是,我们已经稍微接触到了如此先进的纳米技术的表面。2018年,麻省理工学院的化学工程师们设计了一种材料,它可以与空气中的二氧化碳发生反应,生长、增强甚至自我修复。从理论上讲,如果用这种材料制造的物体表面出现划痕或裂纹,受影响的区域就会增长,以填补缺口并修复损伤,而不需要我们采取任何外部行动。

简单地说,这一过程遵循了与植物生长有关的类似原理,即植物将空气中的二氧化碳吸收到生长组织中。

  • 在顶部,一个裂缝在材料中产生,它是由水凝胶(深绿色)和嵌入其中的植物性叶绿体(浅绿色)组成的。在底部,在有光的情况下,水凝胶材料与空气中的二氧化碳发生反应,扩大并填补空隙,修复损伤。

开发一种合成材料,不仅可以避免使用化石燃料,而且可以消耗空气中的二氧化碳,对环境和气候有明显的好处!它还处于非常早期的阶段,但是想象一下这种材料在整个建筑中的应用:地震、海啸、龙卷风……

4.完美的分子纳米系统——一个全新的世界

在第四代,我们将完全控制纳米系统,这将使我们能够制造复杂的系统,可以应用到任何行业。毫无疑问,它将改变人类,随着事情对我们来说变得越来越容易,我们甚至可以期待在接下来的几个世纪里看到进化的生物变化——因为我们在日常生活中的活动将明显减少。这是如此遥远的未来,它仍然可以被认为是科幻小说。

像这样的高水平纳米技术的例子目前只存在于两个地方:我们的大脑和电影!

为了让大家对我们所讨论的内容有一个大致的了解,请允许我分享一点我的想象。在未来的100年里,当我们完善纳米系统的时候,我们应该能够用声音呼唤工具/物品,并让它们被空气中的纳米粒子听到,从那里,它们将自己形成你想要的任何工具的形状!

当然,我想知道为什么我们甚至需要工具,当一切都可以自我修复的时候。但是,也许是一个勺子和一个碗来吃你的麦片粥,一旦你吃完就会根据指令蒸发掉,洗碗将成为一个古老的概念。

在未来的10-15年,我认为手机充电器和加油站将只是历史课上的话题,使用高效的纳米材料,具有超导性和再生性能,谁需要充电?对未来的人们来说,它们就像我们看到的燃烧煤炭来驱动轮船和火车一样古老!

快速回顾

纳米科技是科技的一个分支,涉及到在奈米尺度,即1-100纳米,对材料或物体的单个原子和分子的操控

  1. 被动纳米结构:操纵分子结构,将普通材料转化为具有高效性能的材料(防水、超导、高拉伸)
  2. 活性纳米结构:利用纳米材料的“超性能”,将其用于执行功能和任务(纳米医学)
  3. 纳米系统:自组装纳米工厂一起工作来创建复杂的系统(修复划痕/破损表面的再生材料)
  4. 完美的分子纳米系统:未来。所有你在电影中看到的东西,比如《钢铁侠3:无限战争》。完全掌握了操纵纳米机器来创造复杂的分子系统,可以做任何事情

你认为在未来100年纳米技术将会发生什么?在评论中分享你的想象!说不定以后将成为现实!

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