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納米科技改變生活

2019-10-18 05:36:56 來源: 万博网

日前,全國首屆“美青年科技工作者”名單出爐,共有30位科技工作者獲此殊榮,中科大納米科技專家、首批國家“青年千人計劃”入選者熊宇傑教授位列榜單。

納米世界有何神奇之處?隨著納米科技的發展,人類的生活將會發生哪些改變?記者深入中科大校園,傾聽熊宇傑教授的精彩講述,與你一起在納米世界暢遊、探秘。

納米世界 神奇令人驚豔

披上一件鬥篷,可以瞬間實現隱身,這樣的鏡頭時常出現在科幻大片中。如今,隱身手段雖然多樣,但使用納米材料是其中較常用的一種方式。隱形戰機為什麽能夠躲避雷達追蹤?“就是因為飛機表麵噴上了一層納米吸波塗料。 ”熊宇傑透露,這些神奇的納米超細粉末,不僅能吸收雷達波,也能吸收可見光、紅外線,可以逃避雷達偵察,並有紅外隱身作用。

納米到底是什麽?專家介紹,納米又稱毫微米,如同厘米、分米和米一樣,是長度單位。具體地說,一納米等於十億分之一米,將10個世界上小的原子——氫原子排列成一條線,就是一個納米的長度。形象地講,一納米的物體放到乒乓球上,就像一個乒乓球放在地球上一般,一根發絲的直徑就有8萬納米。1到100納米這個微小的特定區域,被科學家們稱為納米尺度,納米尺度的超細材料則被稱為納米材料;納米技術就是在納米尺度的範圍內,通過操縱或組裝原子、分子、粒子來構築新物質和器件的技術。

納米級的金子還是金燦燦的麽?當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時,即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上,所有的金屬在納米尺度下都呈現出與宏觀尺度不同的色彩,尺寸越小,顏色愈黑。在納米世界,原本導電的銅加工到某個納米尺度就不再導電,絕緣的二氧化矽在某個納米尺度時則會變成導體;固體金屬有其固定的熔點,超細微化變成納米尺度時,熔點會顯著降低,比如金的熔點是1064℃,2納米尺度的金熔點則降為327℃;一些並不活潑的金屬,在納米尺度時會變得非常活潑,容易燃燒並引起爆炸。

“納米世界,神奇令人驚豔。 ”熊宇傑說,納米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性,在極小的納米尺度下,固態金屬可以變得五顏六色,像麵團一樣柔軟,甚至可以像液態那樣任意變形。未來,隨著納米科技的發展,將煤炭中的原子重新排列,就能輕鬆得到鑽石;而將土壤、水和空氣的原子重新排列後,就能生產出馬鈴薯。

走進生活 美妙超乎想像

荷葉為何能出淤泥而不染?壁虎為何能飛簷走壁? “這些特異功能,與納米結構有關。 ”熊宇傑說,在地球漫長的演化過程中,納米材料和它的形成過程早已存在於自然界的生物中。他告訴記者,荷葉不沾水,是因為荷葉擁有納米細微結構,當荷葉上有水珠時,風吹動水珠在葉麵上滾動,水珠可以粘起葉麵上的灰塵,並從上麵高速滑落,從而使得荷葉能夠更好地進行光合作用;壁虎的每個腳趾生有數百萬根細小剛毛,剛毛的末端又分叉形成數百根更細小的納米級鏟狀絨毛,特殊的納米結構讓壁虎擁有超強的黏附能力。

實際上,納米尺度的物質並不稀有,我們甚至每天都與它們親密接觸。比如,在霧霾天氣下,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人類的肺部;高防曬指數的防曬霜,普遍含有納米二氧化鈦、氧化鋅微粒,這些納米微粒對紫外線有強吸收作用;人的牙齒之所以具有很高的強度,也是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成。

隨著納米科技發展,很多神奇的納米產品已走進人們的生活。熊宇傑介紹,當前普遍使用的電腦和手機,中央處理器即是用納米材料製造,一個集成電路可擁有幾十億個晶體管;有了納米防水鍍膜,消費者的手機、平板電腦、穿戴設備等電子產品,可以快速進入“生活防水”模式。國家大劇院的穹頂看起來總是幹淨光亮,就是因為它是由超親水、光催化等性能的納米自清潔玻璃和自清潔鈦板組成,表麵汙垢很容易被雨水清洗掉。目前,北京部分地區已試用一種納米銀粉打印的地鐵票和景區門票,這種票具有非感光、無汙染等諸多優點。

納米冰箱、納米衣服、納米陶瓷、納米藥品和化妝品……由於納米塗料具有防水(墨水、醬油等)、防油、防輻射、防病菌、防黴、防化學品的汙染等功能,納米冰箱抑菌、保鮮效果好,納米服裝防汙不沾油;用上了納米陶瓷的廚房,衛生將會很容易打理。納米疾病檢測指示劑對環境中的指標變化極為敏感,當腫瘤隻有幾個細胞大小時,指示劑就可以將其檢出。科學家於1991年發現的碳納米管,細度僅為頭發絲的五萬分之一,密度隻有鋼的六分之一,強度卻是鋼的一百倍,已被廣泛應用於製造防彈衣。在航天航空領域,將一些納米粉末添加到火箭的固體燃料推進劑中,可大幅度提高燃料的燃燒效率,改善燃燒穩定性。研究表明,向火箭固體燃料中加入 0.5%的納米鋁粉或鎳粉,可使燃燒效率提高10%至25%,燃燒速度加快數十倍。

技術創新 掀起產業革命

日前,中科大熊宇傑課題組發明一種金屬鈀納米結構催化劑,這種催化劑具有高催化活性和太陽能利用特性,可以在室溫光譜輻照下達到熱反應70℃下的催化轉化效率,這一進展為有效利用太陽能提供了技術支撐。今年1月,該課題組還發現納米矽材料作為催化劑,可用於“光解水製氫”,為尋找和開發自然界豐富、高效的光催化劑打下堅實的基礎。

納米世界的技術創新,是當前世界各國競爭的熱點。早在1991年,日本就正式實施為期10年、耗資2.25億美元的納米技術研究計劃;2005年,美國重點研究的10項戰略技術中,有4項屬於納米技術。科學家錢學森曾預言:“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的特點,會是一次技術革命,從而將是21世紀的又一次產業革命。 ”2014年,美國科學家埃裏克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學家斯特凡·黑爾,因開創性的成就使光學顯微鏡能夠窺探納米世界,而獲得年度諾貝爾化學獎。

近年來,中科大納米科技研究取得一係列進展。孫方穩研究組利用光學超分辨成像技術,突破光學衍射極限,實現對單個自旋態的納米量級空間分辨率測量和操控,成像精度達4.1納米,為光學衍射極限的1/86,超越2014年諾貝爾化學獎獲得者斯特凡·黑爾教授等人實現的光學衍射極限1/67的精度。曾傑研究組發明的多功能材料“納米之星”,在近紅外區有很強的光吸收和光熱轉化能力。研究人員在患有乳腺癌的小鼠體內注射此材料,並在腫瘤處用近紅外激光進行照射發現,納米晶體吸收近紅外光並轉化成熱,產生局部高溫,從而殺死癌細胞。

新能源、節能環保、生物醫藥、信息產業、新材料……納米材料和納米技術應用空間巨大。為搶占納米科技和產業製高點,中科院、教育部2003年聯合成立國家納米科學中心,聚焦前瞻性、具有重要應用前景的納米科學與技術基礎研究,並推動納米科技產業化。隨著納米科技的進步,未來人們或許可以用上幾秒鍾就能充滿電的納米手機;納米機器人可以鑽進人的血液,將藥物直接送到病灶上,甚至可以直接切除心血管中的病變部分;“納米醫學”能夠在細胞老化時,一個分子一個分子地製造出新細胞,大大地延長人類壽命。

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