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第32集 备受瞩目的纳米材料

第32集 备受瞩目的纳米材料 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-07   浏览数:
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  在古代,人们常用“芥子之微”、“秋毫之末”来形容东西很小。古文《核舟记》里也曾描述了一艘用橄榄核雕刻的舟,窗子可以开合,上面居然还写着“山高月小,水落石出”八个字,令人叹为观止。这艘船的最小部件只有0.1毫米。再比如,人们往往用“细如发丝”来形容东西纤细。其实,人的头发直径一般为20~50微米,可见并不细小。单个细菌虽然用肉眼看不见,但用显微镜测出它的直径约为5微米,也不算是最小的。 

  就拿世界上最先进的集成电路来说,线宽已经减小到0.13微米。但据科学家们预测,随着科技的发展,半导体器件的大小还将继续减小至0.1微米,也就是100纳米以下。而且,在这种纳米尺度上制造出的计算机性能将比微米技术下的计算机性能呈指数倍提高,这就是由纳米材料为当今世界带来的巨大变革。 

  回顾历史,我们就会发现纳米材料其实并不神秘和稀奇,它的使用在古代或许就已经存在了。比如,中国古代字画历经千年而不褪色,就有可能是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成的;再如中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜,只是当时的人们没有清楚的了解而已。 

  其实,自然界中同样广泛存在着很多天然形成的纳米材料,像动物的牙齿、海洋沉淀物等都是由纳米微粒构成的。而科学家们对纳米材料的探索,最初是在19世纪60年代对胶体微粒的研究。到了20世纪60年代后,科学家开始有意识得通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。到了1984年,德国萨尔布吕肯的格莱特教授把粒径为6纳米的金属铁粉原位,加压制成世界上第一块纳米材料,首次提出“纳米材料”这一概念,从此开创了纳米材料学的先河。 

  目前,纳米材料已经成为了世界各国纳米科技发展的热点,纳米科技也得到广泛应用,渗透到人们的衣食住行中,尤其是一些纳米材料的问世,使人们的生活方式和工作方式发生了巨大变化。 

  在最近几年里,我们在生活中会经常听到各种纳米材料的应用,比如什么纳米水、纳米洗衣机、纳米衣服等等。而在中国科学院王恩哥院士看来,纳米材料虽然已经进入到了我们的生活,但还是有很多问题需要研究探索:纳米它是一个概念,它实际上标的名是当一个物体或者是某种材料他在尺寸上小到只有几十个纳米这样一个范围内。这个有这么一个范围吧。尺度上的范围。在这样一个范围说我们可以研究很多不同的对象,包括生命体,包括物理上的一些新的现象。实际上纳米是一个新的世界,在这个世界里头,起到主导作用的理论是叫做量子力学,纳米科学实际上已经进入到了我们现在的生活中,只是有一些地方我们并不太了解。需要提醒的事情就是这个概念仍然是处于一种科学研究向技术转化的过程,很多的问题,还有待解决。 

  经过最近二三十年的快速发展,一些具有新奇特性的纳米材料,如导电性能类似金属铜的石墨烯;通过改变尺寸就可以控制发射光谱的量子点等不断被发现,继而在能源、医学、服装及信息等领域得到了广泛的应用。 

  在能源领域,纳米技术为锂电池的发展带来了新机遇。目前针对锂电池的纳米材料的研究已经完善并实现了产业化,锂电池动力汽车的续航里程可达470公里左右,随着纳米材料的进一步发展,锂电池性能将会继续优化,有望实现800公里的续航目标。 

  另外,由于超级电容器具有充电速度快,功率密度高等优势,逐渐成为了新能源汽车的“新宠”,而纳米材料的应用可以帮助超级电容器减重,同时进一步提升充电速度。 

  有研究者预测,用碳纳米管制备的超级电容器,充放电速度是传统电池的1000倍,能够在短短数秒中完成汽车充电,甚至比传统汽车加油要快3倍,充电周期可以高达100万次。 

  在医学领域,纳米科技为药物的传输和疾病的治疗提供了新的方式和途径。目前部分针对癌症的纳米药物已经面市。比如,借助纳米载体,药物可以克服人体的生物屏障,通过人为操控直接到达病灶区,在提高局部药物浓度,增强治疗效果的同时减少了对其他组织的损害,这在癌症治疗中会有比较明显的效果。 

  此外,各种具有特定癌症治疗功能的纳米机器人也相继被成功研发出来。例如能够在60秒内杀死癌细胞的纳米机器人;或者可以锁定癌细胞并投递药物的纳米机器人等等,这些纳米科技的使用,为非侵入性癌症治疗提供了一个良好的发展契机,提高了患者的生存率。 

  在化纤纺织领域,曾有研究人员开发出一种据说可以预防感冒的“神奇外套”。这款衣服看上去是由普通的棉料制成的,但在它的布料里添加了一种纳米微粒,能够侦测并且“抓住”漂浮在空气中的病毒和病菌。衣服的兜帽、衣袖和口袋里还添加有独特的钯微粒,它的功能与微型的排气净化器类似,能够分解有害的空气污染成分。因此在一定程度上可以达到隔绝病毒、预防感冒的神奇效果。 

  另外,纳米材料还可用来制造防水衣服。这是研究人员从自然界中荷叶的疏水表面得到灵感,在织物表面附着一层纳米材料,这个纳米材料表面形成一层永久性的空气层,从而达到疏水效果。这种疏水衣物与传统衣服相比,不沾水、易于清洗,但是如果表面纳米层受到磨损,会导致防水功能下降。 

  除了这些领域之外,纳米材料还被广泛运用在信息、生物、能源、环境、宇航等方面,因此掌握纳米科技和研发纳米材料非常重要。对此,中国科学院王恩哥院士告诉我们:我一直认为,谁掌握了材料谁就掌握了未来,我国纳米材料的研究起步很早,整体水平处于国际的前列,比如我们发表的论文和专利已经都在世界上排在第一了,我们一定要把握住机会,既要大胆创新,又要脚踏实地,一步一个脚印的去做。 

  总的来说,随着科研工作者的不断探索,我国纳米科技方面的研究正在向工业产业化转变,相信在不久的将来,生活中衣食住行各个方面都会有纳米材料的参与,我们也将充分享受纳米科技给人类带来的便捷、智能和健康。 


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