神奇的納米效應
神奇的納米效應當我們“俯瞰”這個世界的時候，看到的是，將樹木制成紙張，將石頭刻成雕像，將鋼鐵鑄成鐵軌。那么當我們站在“底部”仰望這個世界呢？是否可以從單個分子甚至原子出發，將它們按照自己的意愿組裝成一片紙、一粒沙甚至一片森林？在納米的世界里，回答是肯定的。這起初只是科學家的一個夢想，但如今這個夢慢慢開始融入現實生活。納米技術從上世紀90年代中后期開始被炒得紅紅火火，到21世紀初慢慢冷卻，到現在又重新頻繁出現在人們視線中，“納米”的世界到底有何變化？在納米尺度下看世界，景觀將會天翻地覆一根頭發絲直徑有8萬納米，物質尺寸小到一定程度就會引起質變納米是一個計量單位，納米尺度的物質其實并不稀有，我們日常每天都與它們親密接觸。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我們的肺部。高防曬指數的防曬霜中普遍都含有納米二氧化鈦、氧化鋅微粒，因為這些納米微粒對在300—400納米波段的紫外線有強吸收作用。還有著名的中國國家大劇院的穹頂，如果北京的雨水多一些的話，它能看起來更光亮。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，表面污垢易被雨水清洗掉。納米有多大？如果將一納米和一米比較，就好像是高爾夫球和地球作比。一根發絲的直徑就能有8萬納米。將10個世界上最小的原子——氫原子排列成一條線，就是一個納米的長度。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。雖然我們日常就能親密接觸納米級物體，但是它們煥發的神奇特性卻不平常。在納米尺度下看世界，景觀將會天翻地覆。納米級的金子還是金燦燦的么？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。石墨片容易分層，當石墨片被剝離到僅有一個碳原子的厚度成為石墨烯后，就具有了超出鋼鐵數十倍的強度。原本導電的銅加工到某個納米尺度就不導電。而絕緣的二氧化硅等，在某個納米尺度時開始導電。為什么會有這樣的逆轉？因為當球形顆粒的尺寸越來越小，它的表面積與體積的比就會越來越大，量變到一定程度就會引起顆粒性質的質變。比如當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，就失去了反射原有富貴的光澤的能力而呈現出五顏六色。“一些并不活潑的金屬在納米尺度時，會變得非常活潑，比如非常容易引起爆炸。”國家納米科學中心科技管理部副主任任紅軒告訴記者。打個并不非常準確的比方幫助理解，在金屬顆粒較大時，金屬原子簇擁在一起，活動受限，“伸個懶腰”也很困難，而當到納米尺度的時候，原先被束縛的化學鍵就能伸展開“胳膊”，金屬原子活潑的天性就被釋放出來。這種物質在納米尺度下產生的奇異的物理、化學特性就被稱為納米效應。而在納米尺度范圍里研究物質的特性和相互作用，包括那個對原子、分子的操縱來組合物體的夢想，如今已經形成一門新學科——納米科技。科學家在納米尺度下編織想象納米技術應用空間巨大，中國與發達國家幾乎處在同一起跑線上窺到了納米的世界，人類就像挖到了無窮盡的寶礦一樣。納米尺度下這些奇異的物理、化學特性讓科學家們開始編織想象。就拿一輛汽車來說，從車身到車輪，納米材料幾乎能夠引起每一個部件的變革。納米級的稀土材料能夠大大提高汽車尾氣及車內空氣凈化效率；納米材料制造的酒精傳感器質量輕，并且能夠極靈敏感受到車內酒精含量超標，將限制汽車發動；納米潤滑油能夠填充金屬發動機或者齒輪的表面微孔，形成單分子有機膜，最大限度地減少金屬表面摩擦，大大降低了能耗，并使機械壽命成倍增長；引入納米電極的電池系統讓高效、低污染的電動汽車成為現實。這還只是納米應用的一個方面。目前，納米技術還在新能源、節能環保、生物醫藥、信息產業、新材料等產業都有用武之地。未來世界，我們或許可以用著幾秒鐘就能充滿電的手機，有納米機器人幫我們治病……“也正是因為納米技術是一項應用空間還十分巨大的新興技術，我們國家的納米技術發展與發達國家幾乎處在同一起跑線上。”任紅軒說。根據美國科學引文數據庫“Web of Science”（SCIE）的統計，2009年我國發表的納米科技論文總量排名世界第一，目前我國納米科技專利授權數量已位居世界第二。我國的一些納米研究成果解決了重大科學問題，引起了國際上的極大關注。例如，我國首次“拍攝”到碳原子間單鍵和雙鍵的分子圖像；合成了碳材料“家族”的又一個新成員——石墨炔；合成出新型納米抗腫瘤藥物；碳納米管器件研究進入國際半導體發展路線圖等等。同時，在產業化方面也已取得進展。為了加速納米科技成果產業化進程，北京市啟動了納米科技產業園建設，目前29項國字頭納米項目落戶產業園，形成了納米綠色印刷、納米能源、納米膜材料、碳納米材料等板塊快速聚集態勢。比如近期正式落戶的超順排碳納米管陣列產業化項目，可通過精確排列獲得碳納米管薄膜，目前在全世界只有中國才能生產制作，在觸摸屏、超細導線、瞬時加熱器、超薄揚聲器等多個領域具有廣闊的應用空間。納米技術不僅僅代表了新興技術，它的特種功能及結構材料還能夠促進傳統產業的升級換代，比如汽車、建筑、紡織、機械行業等。“如果把總體經濟比作一個盛水的木桶，那么納米技術不僅能補上傳統經濟轉型不足的短板，還能筑高與國際差距較小的新興產業的長板，這樣，木桶能存儲更多的水。”任紅軒用“木桶效應”來解釋納米技術對中國經濟的意義。錢學森先生也曾預言：“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。”對納米科技的想象走在了成果前頭當前最需攻克技術成果轉化問題，未來基礎研究向應用研究及產業化轉變納米技術的前景很光明，但是在任紅軒看來，還得先按捺下激動的心情，“納米技術成果轉化及應用的周期比較長，真正實現產業化的成果仍然十分有限，比如迄今為止，世界范圍內真正納米化且商業化的汽車零件仍然不多。”“目前想象遠遠走在了成果的前頭。”任紅軒認為納米技術當前最需攻克的是技術成果產業化。“納米”一詞從科學家的實驗室中蹦出來，到為世人所熟知，這個過程其實是一個從默默無聞到大鳴大放、又重新遇冷的階段。曾有一段時間“納米”頻現、魚龍混雜，讓許多人甚至有了反感的抵觸情緒。如今，經過一個階段的大浪淘沙，納米科技步入了一個冷靜良性的發展階段，意味著人們更清醒地看到納米技術應用仍十分有限。一種納米銀粉打印的地鐵票和景區門票，目前已經在北京部分地區試用，對比以前的蝕刻工藝，這種票的制造流程簡化，非感光、無污染，成本降低，回收效率和價值更高。在研發這種綠色門票的北京中科納通電子技術有限公司總經理殷文鋼看來，這只是公司納米材料走向應用的一小步，“我對前景十分樂觀，但是真正做起來才發現至少有三大難：技術轉化周期長，工藝設備‘先天不足’，產業鏈還需要進一步聚合打通。”當前的困境也是未來發展趨勢，任紅軒認為，未來納米技術投入會由基礎研究向應用研究及產業化轉變，納米研發會由從單打獨斗向合作發展，更加重視微納米加工和檢測儀器的研發，更加著重向生物和電子方面應用發展。與此同時，科學家們還要回答這些問題：納米級顆粒如此微小，能夠穿透皮膚進入人體肺部甚至自由漫游，會不會成為體內“殺手”？如果有人通過納米材料操控生物基因，會不會制造出什么“怪物”？納米炸彈會不會帶來更大災難？“一方面是大力發展納米技術的應用，另一方面當務之急是要制定標準。”任紅軒認為應該鼓勵研究單位與產業界結合，共同制定納米產品及檢測標準。“這樣既能夠規范市場行為，將一些低質量無競爭力的企業洗牌出局，又能夠約束納米技術造成的潛在危害。”正如科學家們所講，不成熟的技術仍是幻想，納米夢想的真正實現依然還有很長的路要走。
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