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第33集 茁壮成长的纳米材料

第33集 茁壮成长的纳米材料 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-07   浏览数:
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  从古至今,人类一直都在不断地探索钻研自身所处的世界。为了离开地面,人类发明了飞机在蓝天下翱翔;为探索宇宙的奥秘,人类发射了宇宙飞船在星际中穿行。 

  但很少有人注意到,在探索浩瀚宇宙的同时,人类也在悄悄地进行着另外一场“奇妙旅行”,这是一次深入物质内部的探险。在这个旅行中,人类希望通过控制分子与原子,在微小的空间内营造出一个崭新的“王国”——纳米技术的王国。 

  今天,就让我们共同走进这个“王国”,去探寻纳米技术背后的故事。 

  纳米,也可以被叫作毫微米,和我们日常使用到的厘米、分米、米一样,都是长度的度量单位。而我们节目开始所提到的纳米技术则是指用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1纳米到100纳米范围内材料的性质和应用。 

  关于纳米技术的构想,可以追溯到20世纪60年代。在1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼做了一场著名演讲。他以“由下而上”的方法出发,从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求。在费曼的设想中,他认为物理学的规律不排除一个原子、一个原子地制造物品的可能性。当人们对细微尺寸的物体加以控制的话,就会极大地扩充人类获得物性的范围。 

  费曼是第一位提出纳米概念的人,也正是从那个时期,人们慢慢开始了对纳米相关的研究。到了20世纪80年代初,科学家们发明了纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜,这对纳米科技的发展起到了积极的促进作用,使得世界各国在纳米方面的研究又向前迈了一大步。 

  扫描隧道显微镜,也被称为扫描穿隧式显微镜,是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,具有非常高的分辨率。此外,这台设备还可以在低温下利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米研究方面是重要的测量工具和加工工具。 

  扫描隧道显微镜的工作原理,其实并不难理解。就如同以前黑胶唱片机的唱针扫过唱片一样,扫描隧道显微镜的一根探针也会慢慢地通过要被分析的材料,当遇到单个的原子时,流过探针的电流量便会有所不同,同时这些变化会被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落,如此便可以细致地探测出它的轮廓。在多次试验后,通过绘出电流量的波动,人们就可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片了。 

  前面我们说过,纳米技术是通过控制单个原子或分子来创造新物质,那么如何能抓住那些小得不能再小的原子呢?这同样需要依靠扫瞄隧道显微镜的帮助。它的探针就像一只灵巧的手,能抓住原子并对原子进行搬移。 

  随着扫描隧道显微镜的应用,人们终于可以按自己的意愿“搬动”原子,向重新构建物质、创造新物质迈出了第一步。同样,我国在这一方面取得了实验性的成功。在1993年,中国科学院北京真空物理实验室里的研究人员操纵原子成功写出“中国”两个字,这标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。而且,在随后的几年里,我国纳米技术的发展更是突飞猛进。 

  1996年,中国科技大学谢毅博士利用苯热合成法制备出出产率很高、平均粒度为30纳米的氮化镓粉体;一年后,清华大学范守善教授制备出直径为3纳米到50纳米、长度达到微米量级的氮化镓纳米棒,首次把氮化镓制备成一维纳米晶体,提出碳纳米管限制反应的概念。 

  到了1999年,北京大学电子系薛增泉教授研究组在将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。同年,中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料,使中国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。 

  回想世界各国的科研突破,我们会发现每当在科学技术上取得重大突破之后总会引发新的产业革命,迎来一个经济高速发展的时期。就像蒸汽机的出现、电的应用、微电子技术的突破以及互联网经济横空出世一样,如今纳米技术也成为了各个国家关注的热点,世界上许多国家把纳米科技当作最有可能取得突破的科学和工程领域。 

  2004年,德国发布了纳米技术创新计划,促进纳米技术应用潜力的开发;随后还颁布了一系列“纳米技术行动计划”,希望利用纳米技术解决其制定的高新技术计划中能源、交通、健康等领域的关键问题,提高德国企业的竞争力,扩大自己在欧洲的领先地位。 

  事实上,不只是德国制定了纳米研究计划,中国其实也早早实施了纳米技术发展的相关计划。为了避免重蹈我国在半导体、激光、计算机等技术领域起步早,转化难的覆辙,我国对纳米技术的研究非常重视。于是早在1997年9月27号,北京大学就成立了纳米科技研究中心;到了2000年底,中国科学院纳米科学技术中心宣告成立,科技部正式批准在天津开发区建立“国家纳米技术产业化基地”,由此拉开了我国纳米技术快速发展的序幕。 

  伴随着国家政策对纳米技术的大力支持,中国科学院在2013年启动了“纳米先导专项”计划,希望利用纳米技术促进长续航动力锂电池和纳米绿色印刷等产业技术的变革性创新,同时培育和推动一批纳米核心技术在特定能源、环境与健康领域中的应用,解决制约国家行业发展的关键性技术问题,带动新兴产业的发展。 

  正是在各类项目和计划的支持下,我国纳米技术的发展态势良好,已经成为了世界纳米技术研发大国,贡献的纳米科技论文超过了全球的三分之一,纳米专利申请也大约占了全球的一半。而且,我国科学家在国际上取得了一系列令人瞩目的成果,各个领域都有所收获。 

  首先,在电子科技方面,中国第一次化学合成了具有自主知识产权的新型纳米材料石墨炔,这种纳米材料不仅在能源、光电子器件等领域展示出了巨大的应用潜力,在国际上也产生了重要影响,并且正在全球范围内形成新的研究方向;其次是在生物医学方面,研究者们成功研发出新型的“肿瘤捕手”——多肽纳米材料,实现了对循环肿瘤细胞的高效富集和检测,性能也显著高于国内外同类型材料;还有是在化纤纺织方面,我国首次合成了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,它的拉伸强度超越了目前全世界范围内发现的所有其他纤维材料。 

  从越来越多的研究中可以发现,我国在纳米技术基础研究领域正在逐步提升,甚至在某些领域还处于国际领先地位。实际上,除了在纳米技术研发方面取得突破,我国在纳米技术的应用和成果转化也初具规模,已经建成了世界上第一条真正实现规模化、低成本制备高品质石墨烯的生产线,同时还启动了首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件的生产线。 

  在科技迅速发展的今天,纳米技术对人类的健康、财富和生活的影响至少等同于在20世纪开发的微电子学、医学成像、计算机辅助工程以及合成聚合物影响的总和。 

  因此,在纳米技术领域的科学家们看来,纳米器件的研制和集成是纳米技术的核心,纳米材料的制备和研究是纳米技术的重点工作,用自主创新推动技术创新,使纳米技术的产业化得到健康发展。相信通过中国科技人员敢于创新、刻苦钻研的科学精神,我国一定会在未来的纳米科技全球竞争中,赢得令人瞩目的领先地位。 


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