纳米在生活中有哪些应用?
美国科学家尼尔·赖斯说:“纳米技术是未来最有可能取得突破的科学和工程领域”。这项技术不仅是向微型化迈进了一步,也是一个新的微观世界,物质的运动受量子原理支配。
传统的解释材料性质的理论只适用于临界长度为100 nm的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度,那么物质的性质往往不能用传统理论来解释。20世纪末,全世界的科学家都在努力寻找中层领域的新奇现象,即从单个分子或原子水平到几十万个分子。对这一基础理论的研究推动了我们今天对纳米技术研究的进展。
我们知道,物质的基本单位是原子。所以今天纳米科技的研究,其实就是人们在原子层面上认识世界。
早在1993年,中科院北京真空物理实验室的研究人员就把原子像下棋一样自如地放在显微镜下,写下了“中国”二字。这只是一个实验,但人类可以发现并看到纳米世界存在的奇迹;人类将在纳米技术这个新领域获得越来越大的利益。
纳米材料和纳米结构的科学家描述了纳米产品的应用前景,并预测在不久的将来将出现特殊的新型材料。这些材料将具有多种功能,能够感知环境变化并做出相应的反应。纳米技术专家预计,钢还会有另一种强度。10倍的材料,其重量仅为纸的1/10,具有超导性、透明性和较高的熔点。
精妙绝伦的纳米技术将如何改变我们的生活?有许多例子,例如,碳纳米管,其尺寸小于人类头发直径的十分之一,可以用作极细的电线或用于超小型电子设备。在内存中使用纳米技术可以大大提高电子设备的存储功能,拥有数百万册图书的图书馆的信息可以放入一个只有糖果棒大小的设备中。
再比如,有人把纳米称为“工业味精”,因为如果把它“撒”到许多传统材料中,老产品就会焕然一新。砧板、抹布、瓷砖、地铁磁卡,这些干净的小东西,一旦加入纳米颗粒,就能除臭杀菌。用掺有人体纳米粒子的水泥混凝土来建筑,可以吸收和降解空气中的有害物质,钢筋混凝土也可以像森林一样“深呼吸”。现有的硅芯片将被体积小几百倍的纳米管元件取代,现在占据几个房间的巨型计算机可以小到可以随意放进口袋。
最吸引人的是未来的“纳米机器人”,它可以进入人体,在不损伤健康细胞的情况下摧毁所有癌细胞;它可以在人体内来回送药,清洁动脉,修复心、脑等器官,无需手术。
1999,在关于纳米技术的报告中,美国政府呼吁加快纳米技术和工程的基础研究。美国总统认为纳米技术对保持美国科技和经济的领先地位非常重要,提出将纳米技术研究的联邦预算增加一倍,即在2001年达到4.95亿美元。美国国家纳米技术计划的研究工作将由一个委员会协调,其成员是来自各个政府研发项目的高级代表。国防部、能源部、商务部、航天局、国家科学基金会和国家卫生研究所将在国家科学技术委员会的指导下发挥重要作用。在初始阶段,美国国家纳米技术计划侧重于在分子水平上具有新颖特征并显著改善物理和化学性质的材料。
各国纳米技术研究人员感兴趣的一些纳米技术前沿领域可以归纳为以下五个方面:
-在纳米水平上,电子和原子之间的相互作用会受到变化因素的影响。这样,科学家就有可能在不改变材料化学成分的情况下,控制材料的基本特性,如磁性、存储能力和催化能力。
-在纳米水平上,生物系统有一套系统的组织,使科学家能够将人工部件和组装系统放入人体细胞,人类有可能模拟自然,创造分子机器。
纳米元件具有很大的表面积,这使它们成为理想的催化剂和吸收剂,并可用于释放电能和将药物应用于人体细胞。
与普通材料相比,纳米技术制造的材料在成分不变的情况下,体积会大大减小,强度和韧性也会提高。因为纳米颗粒很小,不会出现表面缺陷,又因为纳米颗粒表面能高,强度会提高。这将对制造高强度复合材料非常有用。
-与宏观结构相比,纳米结构在所有维度上的数量级都更小,因此相互作用会发生得更快,这将给人们带来能效更高、性能更好的系统。
在世界各地纳米专家的努力下,纳米时代正向我们走来。一些科学家预测,纳米技术的这场革命可以与用微电子设备取代晶体管引起的革命相提并论。未来微纳米晶体管和纳米存储芯片的出现,将使计算机的速度和效率提高数百万倍,使磁盘的存储容量达到今天的数百倍,能耗降低到现在的十分之一。通信带宽将增加数百倍,可折叠显示屏将比当前显示屏亮10倍。此外,在纳米水平上有可能的是,生物和非生物组件将被结合到交互式传感器和处理器中,为人类服务。
科学家能预见未来多远?美国半导体工业协会制定了处理器、传感器、存储器和传输设备的发展路线图,但这个路线图只延伸到2010年,只达到100纳米大小的结构,比所有纳米结构的器件都大。该协会表示,科学发现成为商业上可行的技术需要时间,估计纳米技术要到2010 ~ 2015才能成熟。
可见,在不久的将来,纳米级的产品将大量出现是不争的事实。随着纳米技术和产品的深入研究,十几年后纳米技术和技术专利将实现商业化。看来纳米技术真的会成为我们日常生活中的一员,我们渴望那一天早日到来。