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从纳米技术到纳米思维,纳米如何以小博大?

1959年12月,物理学家理查德·费曼以“在微小等级操纵和控制事物的问题”为主题发表了名为“底部充足的空间”的演讲。在那次的演讲中,费曼不满足于在针头上刻字母的技术,进一步提出:“我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上?”
 
就是这个在当时看似难以实现以至于并没有引起过多关注的想法,成为了纳米技术最早的科学预测,并从根本上开启了纳米技术有意识地科学发展的序幕。1990年,Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子,首次操纵原子写出“IBM”,实现了费曼的设想。
 
当前,纳米技术经过数十年的发展,已经蔚然成风。纳米技术作为微纳尺度上的创新性技术,能够制造出具有高度柔韧性、导电性、耐用性的新材料。其所使用的纳米仪器和制备的纳米颗粒也使科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变。
 
从长度单位到技术可能
 
作为长度单位的纳米,并不让人陌生。纳米是一米的十亿分之一,一个分子和DNA是 1 纳米,一根头发是75000纳米,注射用的针头就是 100 万纳米,而一个身高2米的篮球员运动员则能达到 20 亿纳米。
 
当材料的三维尺寸中某一维的尺寸达到了纳米级,在 0.1 到 100 纳米之间,具备这样特征的材料就可称之为纳米材料。并且,在纳米尺度上,材料会呈现出与宏观尺度上完全不同的物理学、化学和生物学特性。
 
比如,在常规的化学反应中,键使原子结合,反应物保持在促进最低自由能的精确方向,每一种反应物都具有不连续的能量。在化学反应中发生的原子的重新排列总是伴随着热的释放或吸收,断裂键吸收能量,形成键则释放能量。
 
在纳米尺度中进行相同的反应时,反应物可以利用“分子机器”通过输送带上的夹具保持精确方向,在适当角度和力量下结合在一起。输送带随着反应的发生而移动,将达到每秒催化超过100万次的反应。
 
事实上,纳米尺度上展现的不同特性早在远古时期就已有记录。只不过,当时虽然已经得到一些应用,但并未形成学科。公元前6世纪的莱氏杯(Lycurgus Cup)就是古代工匠在杯子制作材料中加入胶体金和银纳米颗粒,在光照作用下,使得杯子颜色可以从绿变红。莱氏杯现存大英博物馆,也是目前发现最早的纳米技术应用。
 
显然,尺度的缩小使纳米物质呈现出既不同于宏观物质也不同于单个孤立原子的奇异特性,在这一科学发现基础上,纳米技术应运而生。
 
纳米技术是对100纳米以下的物质进行探索和控制的技术,在一定的空间内操纵原子和分子,对材料进行加工,制造具有特定功能的器件。事实上,为特定功能而设计的分子一直是现代化学中的一部分。但纳米技术与化学不同,它不仅仅局限于溶液中分子和离子之间的吸引和结合。
 
也就是说,一旦“自下而上”的具体过程(创建原子级的精确结构)制定出来,那么新型纳米机械和纳米制备系统的设计将非常相似于跟机械工程——既可以应用于单个小型部件,也可以应用于大型系统。
 
科技革命为人类的生产和生活提供了新工具——纳米科技则通过纳米尺度的精准操作,调控物质的属性,赋予纳米材料理想的机械、化学、电学、磁学、热学或光学性能,使这些新型纳米材料在传统和新兴工业制造领域得到广泛应用。
 
纳米技术在产业
 
当前,纳米技术为物理、材料、化学、能源科学、生命科学、药理学与毒理学、工程学等七大基础学科提供了创新推动力,成为变革性产业制造技术的重要源泉。
 
医学领域,纳米技术为药物传输和疾病治疗提供了新的方式和途径。借助纳米载体,药物可以克服人体的生物屏障,通过人为操控直接到达病灶区,在提高局部药物浓度增强治疗效果的同时减少了对其他组织的损害,其优势在癌症治疗中已然显露。
 
在医疗防护方面,利用静电纺丝技术制造的纳米级直径聚合物细丝,具有滤材孔径小、纤维均一性好等特性,用这种材料制造的纳米口罩经过100次清洗还能保持99%以上的病毒过滤效果。这种材料还可以用于制造防护服、手套等医疗防护用品。
 
相较于医学领域,纳米材料在工业制造领域的应用更是对现在以及未来产生着广泛而深远的影响。比如,在新能源领域,纳米技术为锂电池的发展带来了新机遇。利用纳米技术,传统锂电池领域充放电过程中的安全性(利用硅纳米线或者具有空心壳层结构的S/纳米TiO2等)及速度慢(应用碳纳米管等)、电池不稳定(使用超薄二维BN/石墨烯复合材料等)等重大问题得以妥善解决。
 
实际上,当前针对锂电池的纳米材料的研究已经完善并实现了产业化。商业锂电池的能量密度已达300Wh/kg,锂电池动力汽车的续航里程可达470公里左右。随着纳米材料的进一步发展,锂电池性能的进一步优化,其能量密度有望达到500Wh/kg,实现800公里的续航目标。
 
在电子信息产业中,纳米技术的应用将有助于克服以强场效应、量子隧穿效应为代表的物理限制和以功耗、散热、传输延迟为代表的技术限制,制造出基于量子效应的新型纳米器件,推动高性价比制备工艺的发展。
 
而在轻工业领域,人们日常使用的防晒霜,其主要成分是纳米二氧化钛或氧化锌,而纳米纤维则用于制造防皱、防沾污、抗菌的衣物,还有各类体育用品如网球拍、自行车等。
 
尽管纳米技术是以新兴的前沿技术出现,但纳米技术离人们的生活却并不遥远。可以说,纳米技术已经实现,只不过是以人们不易察觉的方式。比如,防晒霜通常含有二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)的纳米颗粒,两者都是高度紫外线吸收剂。
 
显然,纳米技术可以在微纳尺度上进行创新,以制造出具有高度柔韧性、导电性、耐用性的新材料,所使用的纳米仪器和制备的纳米颗粒使科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变。在日益发展的科技时代中,纳米技术对人们生产和生活的影响还远未止步。
 
纳米布局带来纳米思维
 
基于纳米技术广泛的应用未来,各国都在不断布局纳米技术的战略和行动。
 
2000年,美国率先发布国家纳米计划,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。近20年来,美国除了保持在纳米技术基础研究、基础设施两个领域的持续高投入以外,更注重发展纳米使能技术(NEPs),即利用纳米技术开发材料、器件和系统,支撑传统产业升级和新兴产业应用。
 
此外,世界上几乎所有的工业化国家都加快了推进纳米技术战略和研究计划的步伐,韩国、俄罗斯、中国、越南、以色列等新兴工业化国家和发展中国家也纷纷根据本国国情制定了系列纳米发展战略和计划。
 
在中国,2001年,科技部联合国家多部委发布了《国家纳米科技发展纲要》,成立了国家纳米科学技术指导协调委员会,提出加强基础研究、攻克关键技术及培养骨干人才等任务目标。各部委分别通过国家的“973计划”、“863计划”等对纳米新材料和新技术的研发进行了支持。
 
2013年,中国科学院启动“纳米先导专项”,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,还需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,解决若干制约国家骨干行业发展的关键技术瓶颈问题,带动新兴产业的发展。
 
2016年,科技部发布“十三五”国家科技创新规划,将新型纳米功能材料、纳米光电器件及集成系统、纳米生物医用材料、纳米药物、纳米能源材料与器件、纳米环境材料等的研发作为重大专项进行研究部署。
 
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,已经成为世界纳米技术研发大国。我国成功研发出22纳米及以下集成电路技术研发的工艺平台;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,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;实现40纳米,28纳米系统级芯片工艺的试生产等。
 
事实上,纳米技术的战略和行动除了在技术层面影响社会的生产生活,更重要的是,纳米技术还可以衍生到方法论的层面——纳米技术带来的纳米思维,将从纳米尺寸、纳米特性、纳米技术的角度去思考重新定位产品的边界,进而带来产品升级、产业升级的全新思路和解决方案。
 
就像互联网技术带来的互联网思维,改变了传统行业很多原有的模式,包括传统行业运行的效率一样,纳米技术则将更加深入地改变产品的品质和性能。每缩短一纳米的距离就意味着,材料工艺重新选择,配套系统的调整,进而提供了一个长期的参考标准。
 
当前,纳米技术经过数十年的发展,已经蔚然成风。从纳米技术到纳米思维,人类社会还将实现新的进步。