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上世纪九十年代的重大科技成就之二

来源:中国教育信息化网
作者:李志民

  纳米材料

  科学探索和研究工作几百年前就开始了,但是在上个世纪九十年代,整个科学技术的发展出现了以前从来没有的重大变化,可以说是质的变化。这些发明和发现使得人类认识自然界的领域,对自然界进行研究的深度和广度从来没有像今天这样广大;人类利用自然物质提高生产效率,改善生活品质从来没有像今天这样高和快。我们今天生活的方方面面,都或多或少地受到了这些发明和发现的影响。

  纳米材料具有超韧、超强、超硬、超导电、超活性、超渗透力等特点,利用这些新颖的物理和化学特性,对传统产品进行改性升级,设计制造新型的产品;纳米材料不仅具有工程材料意义上的优越特性,人类还可以利用纳米技术,制造出新的功能材料,将为人类生活的方方面面带来福音。

  纳米是一种长度度量单位,1纳米等于10亿分之一米,相当于头发丝直径的10万分之一。纳米材料的概念来源于科学家的大胆设想。1959年,著名物理学家理查德·费曼(Richard P Feynman)在美国物理学会年会上发表演讲时提出:“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子,将会产生什么样的奇迹?”他的设想是,人类利用微型机器制造更加微型的机器,最后可以根据自己的意愿,从单个分子甚至原子开始组装,制造出产品。这就是纳米材料的思想根源。1982年,科学家发明了扫描隧道电子显微镜,使人类能够在大气和常温下观察并操纵原子,从而解决了实验工具的问题,为纳米材料的研究铺平了道路。从此,纳米科技的时代真正来临。

  纳米材料具有既不同于构成物质的原子、分子,也有别于宏观物质本身的特殊性能,这是研究纳米材料的真正意义所在。仅仅是尺度达到纳米级别,而不具备特殊性能的材料,不能称之为纳米材料。应该说,定义纳米材料的出发点是材料的尺度,而研究纳米材料的落脚点是材料的性能。

  纳米材料的出现,对人类社会产生了深刻的影响,主要体现在三个方面的转变上:

  第一、提升了人类对自然界的认知层次。

  过去,人们只注意到物质的宏观方面或者微观方面,而忽略了处于这两者之间的介观地带,而这个中间领域就是我们所说的纳米。其实,这个领域大量存在于自然界,荷花能够出淤泥而不染、天鹅能够白毛浮绿水、壁虎能够行走于光滑的墙面、人类的牙齿能够经受反复的咀嚼磨损……这些都得益于纳米结构。

  当物质到达纳米尺度以后,也就是在1~100nm这个空间范围内,与物质中的许多特征长度,如电子的波长、超导相干长度、铁磁性临界尺寸等接近时,其突出的表面效应、尺寸效应、体积效应和量子限域效应会引发光、电、磁、热、力、声学等性能发生突变,呈现出特殊的性能。例如,导电性能良好的铜在纳米尺度下就不再导电,而绝缘的二氧化硅在纳米级别则开始导电;二氧化硅陶瓷在通常情况下是易碎的,但当二氧化硅颗粒到达纳米级别时,脆性的陶瓷也能具有韧性。

  当这个尺度范围的性能被人类所揭示,即证明人类对于自然的认知已达到新的层次,是知识创新的亮点。由于纳米材料的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子,也不同于宏观物质,从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。

  第二、提升了人类改造自然的生产层次。

  在纳米领域发现新现象、提出新概念、认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础。同时对纳米结构的设计,也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。人们可以有更多的自由想象空间按照自己的意愿合成具有特殊性能的新材料,利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构的复合材料和改性材料来实现对现实世界的新突破。

  纳米科技的最终目的是按人的意愿操纵单个原子、分子,构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。传统的生产模式是从大到小、自上而下的,比如制造电脑的过程是将半导体硅片经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤,变成电子元器件,这个过程原材料浪费大、能源消耗大。而纳米技术就是要做到从小到大、自下而上,以原子、分子为基本单元,根据人们的设计和组装,构筑成具有特定功能的产品,这样的话,原材料浪费为零,能耗降到最低,彻底从技术上解决了环保问题。

  第三,提升了人类的生活品质。

  由于纳米材料的特殊性能,计算机芯片的尺寸不仅可以大大缩小,而且其灵敏度、计算能力和存储能力可成倍、甚至几十倍、几百倍的提高,可以取代电子和硅带来计算机的深刻变革。以碳纳米管为代表的纳米智能材料可按设定程序自动组成各种物体,并可从环境中摄取相关原子、分子实现自我修复和自我复制。小如微尘的纳米机器人可以钻进人的血管,打通血栓,甚至可以直接将癌细胞变害为宝。这种超微机器人还可用于精密仪器内的焊接和排除故障,也可以在极其危险的情况下代替人完成工作。

  纳米材料使传统产业焕发了生机,利用纳米材料,家电行业制造出杀菌空调、防霉保鲜冰箱;纺织行业制造出耐磨、保温、防静电、阻燃的“超级纤维”;建筑行业制造出防尘、防雾的玻璃。此外,应用于能源领域的能源转换和储能材料、应用于军事领域的红外反射材料和隐身材料、应用于环保领域的催化降解材料、应用于医药领域的缓释、靶向材料等等都是纳米技术应用的结晶。

  纳米材料的出现赋予了人类极大的希望,它正在不断地改善着人类的生存条件,提高人类的生产能力,为人类带来前所未有的繁荣。然而,任何科学技术都具有两面性。对于纳米材料有可能在伦理、环境、医学等方面带来的危害,人类也应该未雨绸缪,适时地进行哲学反思,建立规范、加以控制,才能让这项技术更好地造福于人类。(2016-01-05)

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