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南京日报采访郭万林教授专题报道
 
 
无处不在的纳米 未来生活的改变者

 

  一、我国纳米技术发展历程

  1993年,中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地,并居于国际科技前沿。

  1999年,北京大学教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。

  中科院物理所研究员解思深领导的研究组研制出世界上最细的碳纳米管——直径0.5纳米,已十分接近碳纳米管的理论极限值0.4纳米。这个研究小组,还成功地合成出世界上最长的碳纳米管,创造了“3毫米的世界之最”。

  二、美国纳米军装的研究

  据美国《新闻周刊》报道,美军正在研制大量运用纳米技术的“未来战袍”——美军下一代军用服装的进展情况,引起广泛关注。纳米军装共有六大功能:

  轻巧:以覆盖整套作战服装的防水层为例,其总重量只有0.45克,较之以前轻巧不少,而且透气性能极佳。

  智能化:内嵌在纳米防弹头盔内的超微电脑具有防护、通信、指挥、分析以及全天候火力瞄准等功能,军服材料中使用的纳米太阳能传导电池可与超微存储器相连,确保整个系统的能源供应。

  防护功能:由于纳米材料极高的强度和韧性,因此可以发挥防弹作用。

  治疗功能:该军装将使用一种特殊材料,能够在接收到纳米传感器发出的信号后,按照不同的情况,改变材料的物理状态,起到相应的辅助治疗作用。

  识别功能:纳米军装将用一种具有特殊的红外线功能的特制纤维作为缝制的主要材料。士兵穿上了这种军服,在激战中能很容易地辨认出自己的战友,从而最大程度地避免误伤事件的发生。

  隐身功能:这种军服的特种纤维中将大量掺入利用纳米技术制造的微型发光粒子,从而可以感知周围环境的颜色并做出相应调整,使军服变成与周围环境一致的隐蔽色,从而具备一定的隐身功能。

  新材料新技术

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  黄金颗粒呈紫色、粉色 纳米尺度的物质性质会发生变化

  提起纳米,可能很多人都会觉得很神秘。“其实纳米就是一个长度的度量单位,与米、厘米、毫米一样。”南京航空航天大学纳米科学研究所所长、新批建的教育部纳智能材料器件重点实验室的创建者、中国航空学会理事郭万林教授介绍说:“一纳米等于10亿分之一米的长度,相当于10个氢原子的大小。”

  这样微小的概念可能会让读者觉得很神奇,但郭万林告诉记者,其实生活中到处都有纳米。“汽车排放的尾气就是纳米颗粒;蜡烛燃烧的时候,把一张白纸放在火焰上方,过一会儿白纸会变色,使纸变色的也是纳米颗粒;我们用的闪存或U盘,就是用具有纳米栅级的晶体管构成的;我们能看到东西,是因为我们的视觉神经通道里也布满了纳米级离子通道;植物能进行光合作用,是因为叶绿素里有许多纳米级的细胞能吸收阳光。”

  小到纳米尺度的物质,它的性质会与宏观尺度时完全不同。比如黄金的属性本来是非常稳定的,外观呈金黄色,但纳米尺度的黄金颗粒的颜色会因为大小发生了变化呈现紫色、粉色等,而且性质会变得非常活泼,甚至可以当做化学反应的催化剂。有的绝缘体被分解成纳米颗粒时会导电,也有的导电性质的材料分解到纳米尺度时就变得绝缘了。

  纳米材料的范围很广,它可以具有各种形状,例如直径在纳米尺度的颗粒、球体,纳米尺度粗细的管、线,纳米尺度宽度、更小厚度的带,厚度在纳米尺度的纸张,以及具有纳米尺度内部结构的宏观材料,这些都是纳米材料。纳米科学就是研究这些纳米尺度大小的物质所具有的特殊的、不同于宏观尺度时的各种有趣的性质,纳米技术则是如何便宜、大量地生产和应用这些具有特异性质的纳米材料,来满足我们生活和生产中的需要并促进社会生产力的大幅发展。

  纳米尺度大小的物质究竟有多神奇?郭万林跟记者讲了一个故事:2010年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得了诺贝尔物理学奖。而这两位科学家获奖的原因听起来很不可思议:他们用胶带纸剥离出了“只有一层碳原子厚的碳薄片”。

  郭万林指着手中的铅笔告诉记者:“石墨、铅笔芯、碳都是由一层层的碳原子堆积而成的。我们每次用铅笔写字的时候,在纸上留下的碳的痕迹就是这种单原子厚度的碳的片层造成的。2004年,海姆教授和他的博士研究生诺沃肖洛夫用胶带纸从石墨上剥离出了单个原子厚度的碳单层,即所谓的石墨烯。”他们将普通的胶带粘在石墨表面,然后撕下来,胶带上就沾上了一些石墨层薄片,再用新的胶带对粘再撕开,重复几次就在胶带上得到仅有一个碳原子层的石墨烯薄片。

  这种只有一层碳原子厚的碳薄片,被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、传导电子速度最快的新型材料,因为电子可以在此石墨烯薄膜里穿行就像几乎没有质量,所以电阻极低,可以传递更快的电流。

  “利用这种石墨烯薄片做成的电路超薄、透明且高度柔韧。”郭万林说:“将来的电子产品将会大变样:一块手绢、一张可随意折叠的透明薄膜、眼镜上的一块贴片等等。这种碳的单原子层卷成一个直径在纳米大小的纳米管,也具有特别突出的机械性能和电子学性能,可以做成晶体管、集成电路,也可以做成随风飘扬的喇叭,甚至超轻的防弹衣、头盔等等。而且这样的产品可能几年内就会广泛地进入我们的生活。基于这样的功能纳米材料的更深奥、更具革命性的量子通讯技术、量子密码技术、量子计算技术等都已经或正在实验室一一变成现实。人类的发展将从青铜器时代——铁器时代——硅微电子时代最终可能进入到碳时代。”

  对纳米的运用未来将会渗透到我们的衣食住行中,比如用纳米材料制成的衣服疏水也疏油,这样衣服就具有防水的特质,且一直保持洁净;房屋的表面使用的涂料耐洗刷性差,时间不长,墙壁就会变得斑驳陆离。如果使用加入了纳米技术的新型油漆,不但耐洗刷性提高了十多倍,而且有机挥发物极低,无毒无害无异味;用纳米颗粒包装的药物,进入人体后更易于吸收。

  鉴于纳米材料的优势,世界各国都在这一领域投入巨额资金进行研究。郭万林告诉记者,科学家们对纳米材料及其特殊性质的研究已经进行了20多年,对纳米材料和结构的制备方法和原理、结构检测和性能分析等各个方面技术能力的发展及科学认识的积累都已经非常丰富,现在已经进入到从科学认识、技术积累向工程技术转变的新阶段。纳米技术对信息技术、新的可再生能源技术、生物医学技术、材料技术、航空航天技术、国防科技都会产生深远的影响。

  “2001年,我国在制定五年计划时,就已经把纳米技术作为科研的核心,在这一课题的研究方面,我们不仅与世界同步,而且可以说我国在纳米材料学领域取得的成就领先于许多国家。未来的研究方向就是怎样把纳米技术转化成经济效益、怎样使其变得有用,使我们的生活越来越好。”

  链接:

  衣服可以防水又防油 纳米材料应用领域广泛

  胶带纸撕出来的诺贝尔奖

  本报通讯员 施科协

  本报记者 张 恺《南京日报》

 

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