神奇的納米效應(yīng)
神奇的納米效應(yīng)當(dāng)我們“俯瞰”這個世界的時候，看到的是，將樹木制成紙張，將石頭刻成雕像，將鋼鐵鑄成鐵軌。那么當(dāng)我們站在“底部”仰望這個世界呢？是否可以從單個分子甚至原子出發(fā)，將它們按照自己的意愿組裝成一片紙、一粒沙甚至一片森林？在納米的世界里，回答是肯定的。這起初只是科學(xué)家的一個夢想，但如今這個夢慢慢開始融入現(xiàn)實(shí)生活。納米技術(shù)從上世紀(jì)90年代中后期開始被炒得紅紅火火，到21世紀(jì)初慢慢冷卻，到現(xiàn)在又重新頻繁出現(xiàn)在人們視線中，“納米”的世界到底有何變化？在納米尺度下看世界，景觀將會天翻地覆一根頭發(fā)絲直徑有8萬納米，物質(zhì)尺寸小到一定程度就會引起質(zhì)變納米是一個計量單位，納米尺度的物質(zhì)其實(shí)并不稀有，我們?nèi)粘Ｃ刻於寂c它們親密接觸。讓人畏懼的PM2.5，其中就有許多納米級的顆粒，憑借微小身軀可以侵入我們的肺部。高防曬指數(shù)的防曬霜中普遍都含有納米二氧化鈦、氧化鋅微粒，因為這些納米微粒對在300—400納米波段的紫外線有強(qiáng)吸收作用。還有著名的中國國家大劇院的穹頂，如果北京的雨水多一些的話，它能看起來更光亮。因為它是由超親水、光催化等性能的納米自清潔玻璃和自清潔鈦板組成，表面污垢易被雨水清洗掉。納米有多大？如果將一納米和一米比較，就好像是高爾夫球和地球作比。一根發(fā)絲的直徑就能有8萬納米。將10個世界上最小的原子——?dú)湓优帕谐梢粭l線，就是一個納米的長度。1到100納米這個微小的特定區(qū)域，被科學(xué)家們稱為納米尺度。雖然我們?nèi)粘＞湍苡H密接觸納米級物體，但是它們煥發(fā)的神奇特性卻不平常。在納米尺度下看世界，景觀將會天翻地覆。納米級的金子還是金燦燦的么？事實(shí)上，所有的金屬在納米尺度下都呈現(xiàn)出與宏觀尺度不同的色彩，尺寸越小，顏色愈黑。石墨片容易分層，當(dāng)石墨片被剝離到僅有一個碳原子的厚度成為石墨烯后，就具有了超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度。原本導(dǎo)電的銅加工到某個納米尺度就不導(dǎo)電。而絕緣的二氧化硅等，在某個納米尺度時開始導(dǎo)電。為什么會有這樣的逆轉(zhuǎn)？因為當(dāng)球形顆粒的尺寸越來越小，它的表面積與體積的比就會越來越大，量變到一定程度就會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。比如當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，就失去了反射原有富貴的光澤的能力而呈現(xiàn)出五顏六色�！耙恍┎⒉换顫姷慕饘僭诩{米尺度時，會變得非常活潑，比如非常容易引起爆炸�！眹壹{米科學(xué)中心科技管理部副主任任紅軒告訴記者。打個并不非常準(zhǔn)確的比方幫助理解，在金屬顆粒較大時，金屬原子簇?fù)碓谝黄�，活動受限，“伸個懶腰”也很困難，而當(dāng)?shù)郊{米尺度的時候，原先被束縛的化學(xué)鍵就能伸展開“胳膊”，金屬原子活潑的天性就被釋放出來。這種物質(zhì)在納米尺度下產(chǎn)生的奇異的物理、化學(xué)特性就被稱為納米效應(yīng)。而在納米尺度范圍里研究物質(zhì)的特性和相互作用，包括那個對原子、分子的操縱來組合物體的夢想，如今已經(jīng)形成一門新學(xué)科——納米科技。科學(xué)家在納米尺度下編織想象納米技術(shù)應(yīng)用空間巨大，中國與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跆幵谕黄鹋芫�上窺到了納米的世界，人類就像挖到了無窮盡的寶礦一樣。納米尺度下這些奇異的物理、化學(xué)特性讓科學(xué)家們開始編織想象。就拿一輛汽車來說，從車身到車輪，納米材料幾乎能夠引起每一個部件的變革。納米級的稀土材料能夠大大提高汽車尾氣及車內(nèi)空氣凈化效率；納米材料制造的酒精傳感器質(zhì)量輕，并且能夠極靈敏感受到車內(nèi)酒精含量超標(biāo)，將限制汽車發(fā)動；納米潤滑油能夠填充金屬發(fā)動機(jī)或者齒輪的表面微孔，形成單分子有機(jī)膜，最大限度地減少金屬表面摩擦，大大降低了能耗，并使機(jī)械壽命成倍增長；引入納米電極的電池系統(tǒng)讓高效、低污染的電動汽車成為現(xiàn)實(shí)。這還只是納米應(yīng)用的一個方面。目前，納米技術(shù)還在新能源、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息產(chǎn)業(yè)、新材料等產(chǎn)業(yè)都有用武之地。未來世界，我們或許可以用著幾秒鐘就能充滿電的手機(jī)，有納米機(jī)器人幫我們治病……“也正是因為納米技術(shù)是一項應(yīng)用空間還十分巨大的新興技術(shù)，我們國家的納米技術(shù)發(fā)展與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跆幵谕黄鹋芫�上�！比渭t軒說。根據(jù)美國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫“Web of Science”（SCIE）的統(tǒng)計，2009年我國發(fā)表的納米科技論文總量排名世界第一，目前我國納米科技專利授權(quán)數(shù)量已位居世界第二。我國的一些納米研究成果解決了重大科學(xué)問題，引起了國際上的極大關(guān)注。例如，我國首次“拍攝”到碳原子間單鍵和雙鍵的分子圖像；合成了碳材料“家族”的又一個新成員——石墨炔；合成出新型納米抗腫瘤藥物；碳納米管器件研究進(jìn)入國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖等等。同時，在產(chǎn)業(yè)化方面也已取得進(jìn)展。為了加速納米科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，北京市啟動了納米科技產(chǎn)業(yè)園建設(shè)，目前29項國字頭納米項目落戶產(chǎn)業(yè)園，形成了納米綠色印刷、納米能源、納米膜材料、碳納米材料等板塊快速聚集態(tài)勢。比如近期正式落戶的超順排碳納米管陣列產(chǎn)業(yè)化項目，可通過精確排列獲得碳納米管薄膜，目前在全世界只有中國才能生產(chǎn)制作，在觸摸屏、超細(xì)導(dǎo)線、瞬時加熱器、超薄揚(yáng)聲器等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。納米技術(shù)不僅僅代表了新興技術(shù)，它的特種功能及結(jié)構(gòu)材料還能夠促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代，比如汽車、建筑、紡織、機(jī)械行業(yè)等。“如果把總體經(jīng)濟(jì)比作一個盛水的木桶，那么納米技術(shù)不僅能補(bǔ)上傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型不足的短板，還能筑高與國際差距較小的新興產(chǎn)業(yè)的長板，這樣，木桶能存儲更多的水�！比渭t軒用“木桶效應(yīng)”來解釋納米技術(shù)對中國經(jīng)濟(jì)的意義。錢學(xué)森先生也曾預(yù)言：“納米左右和納米以下的'結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”對納米科技的想象走在了成果前頭當(dāng)前最需攻克技術(shù)成果轉(zhuǎn)化問題，未來基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變納米技術(shù)的前景很光明，但是在任紅軒看來，還得先按捺下激動的心情，“納米技術(shù)成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的周期比較長，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的成果仍然十分有限，比如迄今為止，世界范圍內(nèi)真正納米化且商業(yè)化的汽車零件仍然不多�！薄澳壳跋胂筮h(yuǎn)遠(yuǎn)走在了成果的前頭。”任紅軒認(rèn)為納米技術(shù)當(dāng)前最需攻克的是技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化�！凹{米”一詞從科學(xué)家的實(shí)驗室中蹦出來，到為世人所熟知，這個過程其實(shí)是一個從默默無聞到大鳴大放、又重新遇冷的階段。曾有一段時間“納米”頻現(xiàn)、魚龍混雜，讓許多人甚至有了反感的抵觸情緒。如今，經(jīng)過一個階段的大浪淘沙，納米科技步入了一個冷靜良性的發(fā)展階段，意味著人們更清醒地看到納米技術(shù)應(yīng)用仍十分有限。一種納米銀粉打印的地鐵票和景區(qū)門票，目前已經(jīng)在北京部分地區(qū)試用，對比以前的蝕刻工藝，這種票的制造流程簡化，非感光、無污染，成本降低，回收效率和價值更高。在研發(fā)這種綠色門票的北京中科納通電子技術(shù)有限公司總經(jīng)理殷文鋼看來，這只是公司納米材料走向應(yīng)用的一小步，“我對前景十分樂觀，但是真正做起來才發(fā)現(xiàn)至少有三大難：技術(shù)轉(zhuǎn)化周期長，工藝設(shè)備‘先天不足’，產(chǎn)業(yè)鏈還需要進(jìn)一步聚合打通�！碑�(dāng)前的困境也是未來發(fā)展趨勢，任紅軒認(rèn)為，未來納米技術(shù)投入會由基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變，納米研發(fā)會由從單打獨(dú)斗向合作發(fā)展，更加重視微納米加工和檢測儀器的研發(fā)，更加著重向生物和電子方面應(yīng)用發(fā)展。與此同時，科學(xué)家們還要回答這些問題：納米級顆粒如此微小，能夠穿透皮膚進(jìn)入人體肺部甚至自由漫游，會不會成為體內(nèi)“殺手”？如果有人通過納米材料操控生物基因，會不會制造出什么“怪物”？納米炸彈會不會帶來更大災(zāi)難？“一方面是大力發(fā)展納米技術(shù)的應(yīng)用，另一方面當(dāng)務(wù)之急是要制定標(biāo)準(zhǔn)�！比渭t軒認(rèn)為應(yīng)該鼓勵研究單位與產(chǎn)業(yè)界結(jié)合，共同制定納米產(chǎn)品及檢測標(biāo)準(zhǔn)。“這樣既能夠規(guī)范市場行為，將一些低質(zhì)量無競爭力的企業(yè)洗牌出局，又能夠約束納米技術(shù)造成的潛在危害。”正如科學(xué)家們所講，不成熟的技術(shù)仍是幻想，納米夢想的真正實(shí)現(xiàn)依然還有很長的路要走。
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