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纳米科技:从微观处改变生活精华

      

中科院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,石墨烯的厚度仅为0.34纳米 。


      
                     艺术效果图
 
在现实中,能够治疗重大疾病的纳米机器人现在还停留在概念和基础研究层面,但不可否认这也是未来智能医学的一个重要发展方向。 图片来源:谷歌图片
 
可以折叠的屏幕、携带药物精准直击病灶的胶囊、轻省却强韧的防弹衣……纳米技术与信息技术、生物技术共同构成了当今世界高新技术的三大支柱,纳米科技已被公认为最重要、发展最快的前沿领域之一,并且正在改变和影响着我们的生活。
 
 
可以折叠的屏幕、携带药物精准直击病灶的胶囊、轻省却强韧的防弹衣……纳米科技的迅猛发展,像是一股风暴正在成为引领21世纪的技术革命。
 
就在前不久,中科院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。这种集成了纳米科技的“原料”,无疑是“手机败家子”们的福音,可以用来制造屏幕能够弯曲折叠的手机。
 
纳米技术与信息技术、生物技术共同构成当今世界高新技术的三大支柱,纳米科技已被公认为最重要、发展最快的前沿领域之一,并且正在改变和影响着我们的生活。
 
渗透生活潜力无限
 
纳米是一个长度单位,一纳米是一米的十亿分之一,相当于人类头发直径的万分之一。若是做成一个纳米的小球,将其放在一个乒乓球表明的话,从比例上看,就像是把一个乒乓球放在地球表面。因此,纳米科技是在和微观世界“打交道”。
 
纳米科技与生活的关联性或许比我们想象的大得多。丹麦纳米科学家弗莱明·贝森巴赫近日获得“中国国际科技合作奖”时就表示,纳米科技已迅速融入生活,未来会发挥更重要的作用。
 
在他看来,就像搭积木一样,科研人员利用原子和分子作为基本单位进行组合,构建大的结构,而这些结构也具有了新特性。比如手机和电脑等电子产品上的芯片就是纳米成功应用的一个例子。
 
电脑中的芯片,早期的微处理器都是使用0.5微米的工艺制造的,随着芯片频率的增加,原有的工艺已无法满足产品的需求,便出现了数量级越来越小的制造工艺。手机的芯片也大体如此。
 
从此前的相关消息可以得知,预计从今年开始,三星、台积电等公司将采用20纳米技术。至于当前芯片行业的领导者英特尔,他们当前采用的是22纳米技术,但其14纳米工艺预计在2014年就能实现量产。这样一来,未来的电脑、手机等电子产品中的芯片,不仅性能更佳,耗能将越来越少,体积也将更小。
 
基于纳米技术的纳米复合塑料多功能添加剂,在塑料制品中添加进这种材料,可以让制品具有广谱抗菌的性能,对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率可以达到99%以上。而且,制品的耐磨性、抗冲击强度、硬度都能得到大幅提高。这些制品可以用来制作电冰箱、空调外壳里的抗菌塑料。
 
现代社会,服装不再局限于保暖、时尚这样的功能,具有保健功能的衣物更能获得青睐。纳米二氧化硅发挥了巨大的作用,目前,厂家正将其应用到防紫外线、抗菌消臭、抗老化等功能材料方面。
 
例如,以纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添剂。日本帝人公司将纳米二氧化硅和另一种纳米材料混入化学纤维中,得到的化学纤维具有除臭及净化气的功能,这种纤维可被用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带等。
 
还有,陶瓷材料制作的碗掉到地上通常都会摔碎。但用纳米材料做成陶瓷的话,是摔不碎的,同时又特别耐高温。当然,是否有必要做这样的碗值得讨论,毕竟女性的购买欲还是需要考虑的。
 
纳米材料让汽车充电仅需一分钟
 
电动汽车因清洁节能、绿色环保的优势,被视为汽车的未来发展方向,但电池技术就像是一道难以逾越的坎儿,横亘在消费者和厂商中间。仅有0.34纳米厚的石墨烯,将来或许能成为解决方案中的一环。
 
现在的电动汽车,电池的能量储存密度有限,充一次电能跑200公里就算是优越了。另外,电池的充电性能有待提高,人们总是希望电动汽车充电能像加油一样,几分钟就能完成。动辄数小时的充电时间,阻断了许多人购置电动汽车的欲望。
 
目前在电池技术上主要采用的是锂电池和超级电容技术,其性能各有长短。锂电池的能力储存密度高,为120~150瓦/公斤,超级电容的密度低,仅为5瓦/公斤。但是,锂电池的功率密度低,为1千瓦/公斤,而超级电容的则为10千瓦/公斤。现在,大量的研究工作集中于提高锂电池的功率密度或增加超级电容的能量储存密度两个领域,但难度很大。
 
美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出了一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。《纳米快报》刊载了这项研究成果。
 
成为新型储能设备的首选,石墨烯的优势还挺明显。首先它是目前已经导电性能最高的材料,比铜高五倍,具有很强的散热能力,密度则比铜低四倍,重量更轻,且强度很高。
 
新储能设备又称为石墨烯表面锂离子交换电池(SMCS),它集中了锂电池和超级电容的优点,同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。虽然目前的储能设备尚未采用优化的材料和结构,但性能已经超过了锂离子电池和超级电容。
 
SMCS的功率密度为100千瓦/公斤,比锂电池高100倍,比超级电容高10倍。功率密度高,能量转移率就高,充电时间就会缩短。此外,新电池的能量储存密度为160瓦/公斤,与锂电池相当,比传统超级电容高30倍。能量储存密度越大,存储的能量就越多。由于石墨烯的特殊性质,同样的驾驶距离,这种新型电池的充电时间不到一分钟,而锂电池则需数小时。
 
“石墨烯还能作为电极材料,用在手机中,因为它既透明又导电,可以用作透明导电膜。”中科院物理研究所研究员、纳米实验室N07组课题组组长张广宇说,现在市面上智能手机的透明导电膜,多用的是ITO膜。
 
ITO的主要成分是铟、锡,铟的全球储量一共才20吨,大部分都在中国,这样的储量非常有限。现在半导体行业只要是用来做透明导电方面的产品都要用到这种稀有金属,消耗越来越大,所以价格越来越贵。但石墨烯在手机触摸屏中可以取代这种物质,因为其透光率在97%以上,导电性也非常好。
 
纳米机器人未来可治病
 
细胞是生命的基础,而细胞中的核酸、蛋白质组织结构的作用,多发生在纳米尺度。所以,纳米科技在医用方面,也开辟了对人体本身进行人工干预、控制的道路。
 
原美国国家癌症研究所所长理查德·克劳斯纳曾指出,纳米科学的发展使未来医疗技术取得革命性的突破。
 
比如可以制造“生物导弹”,在包敷蛋白的磁性三氧化二铁纳米微粒表面携带药物,注射进入人体血管,通过磁场导航输运到病变部位释放药物,可减少肝、脾、肾等由于药物产生的副作用。
 
美国科幻片《惊异大奇航》中,科学家把变小的人和飞船注射进人体,让他们直接观看人体各器官的“工作状态”。
 
国家纳米科学中心副主任赵宇亮告诉记者,在现实中,能够治疗重大疾病的纳米机器人现在还停留在概念和基础研究层面,但不可否认这也是未来智能医学的一个重要发展方向。一旦以后有了这种机器人,病患可以免除开刀或是有创口的痛苦,医生用针头就能将医学诊断或治疗的纳米机器注射进体内,然后通过电学、磁学等方式进行体外遥控,从而到达病灶处实施“诊疗”。
 
美国哥伦比亚大学的科研人员,就曾成功研制出一种由DNA分子构成的纳米蜘蛛机器人,它们能够跟随DNA的运行轨迹行走、移动、转向以及停止。这种纳米蜘蛛机器人的长度只有4纳米。虽然在那之前的纳米机器人也实现了行走功能,但不会超过3“步”。而纳米蜘蛛机器人却能行进100纳米距离,相当于50“步”。
 
科研人员通过编程,让其能够沿着特定的轨道运动。这一进展的厉害之处在于:一旦被编程,纳米蜘蛛机器人就能够自动完成任务。他们认为,纳米蜘蛛机器人未来可经过改良后用于医疗事业,以帮助人类识别并杀死病变细胞以达到治疗病症的目的,还可以帮助人们完成外科手术、清理动脉血管垃圾等。





《中国科学报》 (2013-03-08 第9版 探索周刊)

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