为什么纳米技术是革命性的技术?
纳米,就在人们刚刚熟悉了计算机和网络,对基因技术也刚有了一个初步认识的时候,这个物理学名词带来的新技术,又开始席卷全球。
科学家们普遍认为,纳米技术是一项划时代和革命性的技术。目前,对纳米技术的研究还刚刚起步,而在已研制出的最新产品中,纳米技术已经发挥出神奇的力量。预计在今后二三十年中,纳米技术将一定是科技领域最热门的课题之一。因此,有人称纳米科技是新世纪产业革命的支柱;也有人称纳米材料为神奇的新材料。
自从地球上出现了人类,满足人类社会生存和发展所必需的材料也同时产生和发展,材料发展史同人类社会发展史同样悠久。在漫长的历史长河中,材料的进展成为人类社会进步的里程碑。历史学家把材料及其器具作为划分时代的标志:石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等。这些都标志着材料在社会进步中的巨大作用。人类发现、制造和利用材料的发展阶段在逐步提升,这也是人类智慧不断提高的过程。从最初的利用天然材料(如树木、矿石等)发展到按照人类自身的需求制造人工材料;从一个时代进入另一个新时代,从陶器时代进入青铜器时代,继之进入铁器时代,都极大地促进了人类社会的发展和进步。这有力地说明了新材料技术的发展对社会生产力的发展有巨大推动作用。社会生产力的巨大变化,必将加速人类社会发展进程,把人类物质文明社会推向前进。可以肯定,在21世纪中,4人类社会的发展和进步与新材料特别是纳米材料技术发展和进步是密切相关的。
要想在激烈的国际竞争中立于不败之地,就要拥有强大的经济实力,而经济的发展必须以科技实力作后盾。
当代,新兴高科技产业成为国民经济最有活力的部门,如原子能工业、电子工业、海洋开发、能源技术等。原子能工业迫切要求耐辐射和耐腐蚀材料;电子工业的发展要求提供超高纯、超薄膜、特纤细、特均匀的电子材料;海洋开发需要耐腐蚀、耐高压的材料;能源开发同样要求新型的高性能材料,如太阳能的利用,需要寻找光电转换效率高的材料。太阳能是无污染,取之不尽,用之不竭的能源,每秒钟送到地面上的能量高达80万亿千瓦,相当于全世界发电量的十几万倍,能量密度达到每平方米0.2~1千瓦。假定光电转换为10%,那么,在我国960万平方千米的国土上,每年接收的太阳能相当于165亿吨标准煤,这相当于我国煤年产量的10倍以上。现在最重要的是要找到能把太阳光能量转换成电能的高效率光电转换材料。以上种种新型的材料都与纳米技术开发有着十分密切的关系。原子能工业的耐辐射和耐腐蚀材料如果是用纳米材料代替现实的普通材料,则可提高其耐辐射和耐腐蚀强度很多倍;电子元件采用了纳米技术将使其在纯度、薄度等多方面比现实的材料优越,而且特纤细、特均匀;太阳能器件如涂上纳米材料,其吸收光和热的能量将比一般的太阳能板更多,转换的电能更大。由此可以想像纳米材料的开发将带来巨大的经济效益。
没有强大的国防实力,一个国家在世界上的地位就要受到影响甚至会受到别国的欺负。今天高科技在现代战争中的地位日益重要,没有先进的武器装备很难打胜仗。因此,一个国家武器装备的水平是其国防实力的重要标志。
高性能的新型武器的出现往往与军用纳米材料的开发应用密切相关。在现代军事领域很多新武器装备系统,都包含有新材料特别是纳米材料。1991年,海湾战争中就出现许多新型的军用材料,其中也包括了纳米材料。因此,海湾战争被看做是高技术武器和军用新材料以至纳米材料武器的实验场。无论是精确制导武器、反辐射导弹,还是隐形飞机、复合装甲坦克,无一例外地与新材料及纳米材料的应用分不开。在现代战争中,精确制导武器,包括制导炸弹、炸弹子每弹、巡航导弹等。这些武器实质上是一种能够利用被攻击目标所提供的位置信息,修正自已的弹道,以击中目标为目的,具有一定智能的武器”海湾战争已经证明,精确制导武器是高技术战争中的主要火力。从本书前面内容可以看出纳米武器所具有的巨大威力。如此看来,提高国防实力,发展纳米技术已经是我们必然的选择。
发展纳米科技有利于我国科学技术整体水平的提高。纳米技术横跨多个学科,它的发展需要各个学科的科技成果,同时,把成熟的纳米技术应用于各个学科又可以取得意想不到的效果。纳米技术向人类揭示了一个可见的原子、分子世界,人们可以按照自己的意愿操纵单个原子和分子,实现对微观世界的控制,进而制造各种新奇的材料。
人类社会已进入信息时代,人们很容易体会到纳米技术的存在,看到纳米材料的重要性。可以说,一切高新技术的发展无不依赖这一新材料的应用。人类社会已进入21世纪,世界各国为了保持各自的经济活力、国防实力和科技能力,都在制定21世纪的国家关键技术。各个技术先进国家都把纳米材料技术列入国家关键技术的前位,这正是纳米材料技术极为重要的标志。
纳米的成果
9月27日,中国科学院化学所的专家宣布研制成功新型纳米材料———超双疏性界面材料。这种材料具有超疏水性及超疏油性,制成纺织品,不用洗涤,不染油污;用于建筑物表面,防雾、防霜,更免去了人工清洗。专家称:纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域,将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”。 随着科学家的一次次努力,“纳米”这个几年前对我们还十分生疏的字眼,眼下却频频出现在我们的视线。 纳米是一个长度单位,1纳米等于十亿分之一米,20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。90年代起,各国科学家纷纷投入一场“纳米战”:在0.10至100纳米尺度的空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性。
中国当然不甘人后,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。
1998年,清华大学范守善小组在国际上首次把氮化镓制成一维纳米晶体。同年,我国科学家成功制备出金刚石纳米粉,被国际刊物誉为:“稻草变黄金———从四氯化碳制成金刚石。”
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。
中科院成会明博士领导的研究组合成出高质量的碳纳米材料,被认定为迄今为止“储氢纳米碳管研究”领域最令人信服的结果。
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”。
在主题为“纳米”的争夺战中,中国人频频露脸,尤其在碳纳米管合成以及高密度信息存储等领域,中国实力不容小觑。科学界的努力,使“纳米”不再是冷冰冰的科学词,它走出实验室,渗透到百姓的衣食住行中,居室环境日益讲究环保。传统的涂料耐洗刷性差,时间不长,墙壁就会变得斑驳陆离。现在有了加入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,有效解决了建筑物密封性增强所带来的有害气体不能尽快排出的问题。
人体长期受电磁波、紫外线照射,会导致各种发病率增多或影响正常生育。现在,加入纳米技术的高效防辐射服装———高科技电脑工作装和孕妇装问世了。科技人员将纳米大小的抗辐射物质掺入到纤维中,制成了可阻隔95%以上紫外线或电磁波辐射的“纳米服装”,而且不挥发、不溶水,持久保持防辐射能力。同样,化纤布料制成的衣服因摩擦容易产生静电,在生产时加入少量的金属纳米微粒,就可以摆脱烦人的静电现象。白色污染也遭遇到“纳米”的有力挑战。科学家将可降解的淀粉和不可降解的塑料通过特殊研制的设备粉碎至“纳米级”后,进行物理结合。用这种新型原料,可生产出100%降解的农用地膜、一次性餐具、各种包装袋等类似产品。农用地膜经4至5年的大田实验表明:70到90天内,淀粉完全降解为水和二氧化碳,塑料则变成对土壤和空气无害的细小颗粒,并在17个月内同样完全降解为水和二氧化碳。专家评价说,这是彻底解决白色污染的实质性突破。
从电视广播、书刊报章、互联网络,我们一点点认识了“纳米”,“纳米”也悄悄改变着我们。纳米精确新闻 1959年 理论物理学家理查·费伊曼在加州理工学院发表演讲,提出,组装原子或分子是可能的。
1981年,科学家发明研究纳米的重要工具———扫描隧道显微镜,原子、分子世界从此可见。
1990年,首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办,纳米技术形式诞生。
1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是铁的10倍,成为纳米技术研究的热点。
继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字,1999年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后,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。
1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。同年,美国纽约大学科学发现,DNA可用于建造纳米层次上的机械装置。
1999年,巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。同年,美国科学家在单个分子上实现有机开关,证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。 纳米花边新闻倾听细菌游弋
美国加利福尼亚州Pasadena市的喷气飞机推进器实验室目前正在研制一种被称为“纳米麦克风”的微型扩音器,据《商业周刊》报道,这种微型传感器可以使科学家倾听到正在游弋的单个细菌的声音,以及细胞体液流动的声音。这种人造纳米麦克风由细微的碳管制成,正是因为构成物体积细小和灵敏度极高,这种麦克风才能够在受到非常小的压力作用下作出反应,使得对其进行监测的研究人员获得相关的声音信息。
利用这种新产品,科学家将可以对其他星球上是否存在生命进行探测,可以探测到生物体内单个细胞的生长发育。这一仪器研制项目已获得美国航空航天局(NASA)的批准,而且NASA还向上述实验室提供了必要的技术支持。