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【科学强国】纳米技术的世界有什么新奇?

2023-03-01 13:52250

 

自从纳米技术的概念提出以来,人们就对它产生了无限遐想,不少科学家、科幻小说作家都曾在作品中描述过它的巨大能力。


不止如此,现如今,越来越多的生活产品都标注使用先进纳米材料强化产品性能,甚至开发出前所未有的新功能。


那么,这些使用了纳米材料的产品真的如同宣传说的那样吗?纳米材料真的有那么神吗?


看不见的纳米世界


纳米科学和纳米技术背后的思想和概念始于1959年12月29日,物理学家理查德·费曼在加州理工学院(CalTech)举行的美国物理学会会议上发表了一篇震惊世人的演讲,那就是《微观世界有无垠的空间》(There's Plenty of Room at the Bottom)。在演讲中,费曼描述了一个科学家能够操纵和控制单个原子和分子的过程,他所说的“无垠的空间”可以把大量的信息和操作都集中在一个极微小的空间里。十多年后,在对超精密加工的探索中,Norio Taniguchi教授创造了纳米技术一词。直到1981年,随着可以“看到”单个原子的扫描隧道显微镜的发展,现代纳米技术才开始。


你很难想象纳米技术有多小。一纳米就是十亿分之一米,大致相当于10个氢原子排列在一起的长度。以下是一些说明性示例:


一英寸有25,400,000纳米


一张报纸的厚度约为 100,000纳米


在比较尺度上,如果大理石是纳米,那么一米就是地球的大小



图源:央广网


事实上,用高中科学课上通常使用的显微镜是不可能看到的。一旦科学家们拥有了合适的工具,例如扫描隧道显微镜(STM) 和原子力显微镜(AFM),纳米技术时代就诞生了。


数百年前,交替大小的金银颗粒在中世纪教堂的彩色玻璃窗中创造了色彩。当时的艺术家们并不知道,他们用来创作这些精美艺术品的过程实际上导致了他们所使用的材料的成分发生了变化。


许多物质在纳米尺度范围会出现很多新奇的物理、化学、生物学特性或医学功能等。比如,金的熔点约为1064摄氏度,但在1到2纳米尺度下,它在室温下就会熔化。另外,一些金属氧化物通常情况下没有磁性,但在20纳米尺度以下就会表现出磁性。


“这就叫纳米尺寸效应。随着尺度的变化,物质的属性也会发生改变。”北京理工大学化学与化工学院院长、教授张加涛张加涛表示,一般认为,三维空间内尺寸小于100纳米的材料,就可被称为纳米材料。而纳米材料制备、加工和应用等相关的工艺及方法,则被统称为纳米技术。


生活中,纳米应用无处不在


日常生活中的很多物品、商品早就带上了“纳米”二字。


在橡胶中添加一定量纳米二氧化硅能改善橡胶的物理机械性能,提升其耐磨性、拉伸强度和、撕裂强度以及硬度,起到补强作用。在塑料、橡胶中添加少量层状水滑石纳米材料则能提升阻燃、抗紫外线氧化等性能。


由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用,在产品和材料中添加少量(一般不超过含量的2%)的纳米材料,就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用,使之更加具有耐久性和透明性,因而被广泛用于护肤产品、装饰材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。


比如纳米银材料,早在2002年,韩国成功地将纳米银嫁接到化妆品中,填补了纳米银化妆品行业的空白。


很多缓释胶囊也运用到了纳米技术。这些胶囊里的    


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