游泳

纳米世界尽现神奇魅力

2019-11-14 09:06:32来源:励志吧0次阅读

科学家研制的纳米发电机

21世纪初,国内曾兴起过一阵“纳米热”,纳米钢皂、纳米衣服……此后,纳米科技与人们的日常生活似乎越来越“脱节”。但其实,纳米科技是身边“最熟悉的陌生人”。

进入手机店选购智能手机,苹果、三星等大牌手机使用的大都是纳米芯片;走进医院检查身体,所使用的试纸和试剂很多都是纳米产品;回到家中打开电视,用碳纳米管制作的显示屏为你带来高清晰的电视节目……纳米,其实从未远离。它一直和其他技术相结合,包装在层层“外衣”下,默默为人类提供便利。

展望未来,纳米科技也有望在信息技术、生物医药、能源环境等领域,给人类带来更多的福祉,甚至成为未来世界的改变者。

绿色印刷

不产生废水,不造成重金属污染,可带来印刷业的革命

对于公众来说,纳米技术似乎远不如3D打印技术那么“看得见摸得着”,也不如智慧城市那样耳熟能详。它似乎被束之高阁,仅仅停留在实验室里。

事实真的如此吗?

实际上,就在不久前,《中国科学报》记者随着中科院北京综合研究中心的工作人员,到位于怀柔科教园区的中科纳新印刷技术有限公司,与印刷领域的纳米科技来了次“面对面”的接触。

“我们的核心技术是纳米材料绿色制版技术,这是一种非感光、无污染、低成本的新型印刷制版技术,”在中科纳新工作的中科院化学所博士纪艺琼自豪地介绍,“如果进一步推广,它必将引发整个印刷业颠覆性的变革。”

走进生产车间,几台看似不起眼的制版机躺在中间,几名工作人员正将一张铝板放进机器内,不多时,一张制好的版材就从机器尾端的出口“跑”了出来。没有刺鼻的化学药水味,没有排污的管道,甚至没有大的噪音,报纸、杂志的制版过程轻而易举地在车间内完成了。

“喷墨是手段,纳米是我们的核心技术,我们用纳米的手段来实现亲水亲油区域的自由调控。”据纪艺琼介绍,纳米科技给印刷技术带来新的突破,不但环保,还可以节约成本,“用我们的印刷设备,可以节约30%左右的成本”。据了解,该项技术的产业化正在稳步推进之中,目前山东等地的报社已经开始利用中科纳新的设备大规模印刷报纸。

无处不在

纳米衣服、纳米级芯片,纳米显示屏……纳米科技已无处不在

除了纳米印刷制版技术,纳米科技其实早已应用于人们的日常生活之中。只不过,它如同春雨一般,“随风潜入夜,润物细无声”,以至于公众都忽视了它的存在。

“拿纳米钢皂来说,其实技术早就成熟了,在很多地方也买得到。”国家纳米科学技术指导协调委员会专家组秘书长、国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩向《中国科学报》记者介绍,纳米钢皂最早在德国生产出来,近年来国内也出现同类产品。这种不锈钢肥皂,能有效去除鱼腥味等多种异味,但由于价格高昂,并未进入超市销售,而主要在大商场贩卖。

“纳米科技早就无孔不入了。”在办公室里,任红轩拿起一部苹果手机向记者比画了一下,“这里面的芯片都是利用纳米技术制造出来的,但一般人谁知道呢?”

在芯片制造领域,纳米科技的进步意义重大。每一台电脑、智能手机的生产,都离不开芯片。目前,英特尔最先进的移动SoC(系统级芯片)采用22纳米工艺,高通的高端SoC采用28纳米工艺。采用纳米级较低的工艺生产芯片,可以提高芯片的性能和能耗效率。

最新的消息是,英特尔今年将公布14纳米制造工艺,并表示将利用这项新工艺生产新一代智能手机和平板电脑芯片。毫无疑问,这将带来智能手机、平板电脑性能的新飞跃。

“前两年红火的纳米衣服,在技术上也有了新的发展。”据任红轩介绍,国家纳米科学中心正在帮助一家企业研制一种耐高温、透气的纳米衣服,可用于在高温下作业的特种行业,“我们提供材料和技术支持,他们生产”。

在医疗领域,纳米科技也早已应用多年。但相对于治疗,目前纳米科技主要是在疾病检测领域发挥作用。科学家针对不同的病情,设计出不同的试纸,“最简单的应用就是检查女性是否怀孕的试纸,用的也是纳米技术。”任红轩说。

据悉,2011年,国家纳米科学中心和检验检疫部门合作,研发了用于快速检测植物病毒的试剂盒,目前这种试剂盒已经被海关部门投入使用。

中科院生物物理所研究员阎锡蕴也向《中国科学报》记者介绍,纳米科技在医学成像、农药检测等领域用途很广。她曾利用纳米模拟酶发展了肿瘤诊断新技术。该技术简便、快捷,突破了免疫组化法依赖于昂贵抗体的限制。

人们日常生活中必须用到的电池、手机显示屏等,也离不开纳米技术。“碳纳米管被用作导电材料,已经用于锂离子电池中,且实现了产业化;利用碳纳米管场发射性质制造的显示屏,在手机上的运用效果非常好,也已实现了产业化。”任红轩告诉记者,每当人们打开手机享受其带来的便利时,就已经在不自觉地享受着纳米科技带给人类的福祉。

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往何处去

治疗肿瘤,制造新材料,提高存储器性能,纳米将改变生活

1991年,碳纳米管为人类发现,此后被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等研究中;1999年,纳米技术逐步走向市场,全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元……

如今,纳米技术与信息技术、生物技术共同构成当今世界高新技术三大支柱。包括美国、日本、欧盟、俄罗斯等在内的50多个国家和地区都有各自明确的纳米科技发展战略,并投入巨资,抢占战略制高点。美国甚至将纳米计划视为下一次工业革命的核心。

“从我国对纳米技术的支持力度来看,纳米研究一直是热点,从未冷却。”据任红轩介绍,近年来国家在这方面投入的经费基本上每年都在10亿元以上。此外,地方政府也有相应的投入。

当前及未来纳米科技的热点在哪里?任红轩认为,主要还是集中在以石墨烯为代表的纳米材料、生物医药、信息技术、能源环境这几方面。

“石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体,可能是制备功耗更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料。它的发现是纳米科技的发展史上,距离现在最近的一个里程碑事件。”任红轩表示。

在生物医药方面,尽管纳米科技用于新药研发成功的案例不多,但这并非纳米本身的原因,而是因为世界上对药品的研发、上市有着严格的审定程序。

实际上,科学家们已经在实验室研发出很多种新药,在临床数据的表现都很好,但因为审批的原因,正式上市尚需时日。

任红轩举例说,经过10多年的努力,一种名为“富勒烯包钆”的药物被研发出来,可用于治疗各种肿瘤。它的原理是可在肿瘤组织外围形成一个包围圈,阻断肿瘤组织与外界的物质交换,从而实现抑制其生长的目的。目前,研究人员通过实验发现,它在治疗乳腺癌、胰腺癌方面疗效显著,已经申请了三个国际专利和20多个附属专利,并通过了动物实验的阶段,未来如果能够走入市场,可能会改变目前现有的肿瘤治疗方式。

在信息技术方面,纳米科技对提高每平方英寸存储器的存储密度、提高中央处理器的计算速度有着至关重要的作用。目前,中科院上海微系统所在纳米相变存储器的产业化关键技术上已经取得重大突破。“时下流行的可穿戴智能设备,其芯片、材料将来都离不开纳米技术。纳米技术的进步将推进这些智能设备的发展。”任红轩说。

谈到中国纳米科技未来的发展,任红轩认为,和国外的主要区别是,我国企业在纳米科技创新方面所承担的角色不同。国内发展纳米科技的主体是科研院所和高校,大型企业参与较少,导致很多技术“沉淀”在机构与院校。

“科技创新本来就应该以企业为主体,如果没有企业参与,国家的投入再多,都没有用。”他认为,未来国家应该在制度上做好顶层设计,让一些大型央企拿出一定比例的经费进行科技创新。

此外,纳米技术也亟须建立标准以及认证、认可制度。现在国内在纳米试纸、纳米太阳镜等部分成形的产品生产方面有相关企业标准,但谈不上国家标准,更多的产品则缺乏标准,行业有些混乱。任红轩认为,有关方面应该在产业规范方面作出更多努力。

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