纳米科技的神奇畅想

来源: 发布时间:2019-07-11 09:13:37

  摘要:纳米技术已经取得了举世瞩目的成绩,在21世纪充满了活力,如今纳米技术已经渗透到各个领域,并且影响着人们的生活方式,本文主要介绍它的应用前景。

  关键词:纳米科技、纳米虫、碳纳米管、纳米污染物

  一、概念

  纳米技术即是在0.1-100nm的尺度空间研究电子、原子、分子运动规律和特性的崭新科技。纳米科技的理念在上世纪就初露头角,费曼曾设想:“如果有一天人们能够按照自己的意愿控制原子,那会产生怎样的奇迹。”在当时异想天开的想法今天看来已经很正常并很现实(大家肯定已经见过高中物理课本封面上用56个铁原子围成的铁栅栏),并由此催生了这门新技术。

  二、应用前景

  (1)纳米材料

  纳米材料是纳米技术的重要部分,大致可分为天然纳米材料和人工纳米材料,海龟、鸽子在长途跋涉中不会迷失方向得益于它们头部的纳米磁性材料,利用地磁场来辨别方向。人造纳米材料源于上世纪德国科学家Gleiter的突发奇想,当时的主流观点是晶体以有序排列为主体,而其中的缺陷和杂质是次要的,因为晶体最典型的特征是长程有序,Gleiter则研制出了具有原子排列顺序不规则的界面组元结构的材料——纳米材料。纳米材料具有五大效应——体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域。基于它的这五大效应,形形色色的纳米材料被应用于各个领域。一定尺寸的纳米粒子具有较高的吸收系数,可被用于隐形飞机(人眼能看见但雷达难以探测到)的研制;当纳米粒子表面原子周围有不饱和键时,易于结合其他原子而稳定下来,表现出很强的催化活性,可能成为一种新型催化剂。

  (2)纳米机器人

  纳米科技在医疗领域的应用前景非常诱人,设想之一是纳米尺度的机器人,红血球的直径约为6000-9000nm,而纳米机器人很小,进入血液中不会伤害到血细胞,当遇到癌细胞等病变细胞时却可以识别并将其清除,纳米机器人的研究已经取得很大进展,但离成熟的临床应用还有很大距离。21世纪人工智能迎来了蓬勃发展时期,也许未来有望和纳米机器人结合,形成一种纳米智能机器人,之前听过一位医生给我打比喻:“脑梗患者的发病脑部就如同一片将要枯死的农作物,由于地堑没被打通,所以水渠里的水流不进去。”现在的方法是用人血蛋白药物打通脑血管,如果有朝一日能研制出纳米智能机器人,当它检测到脑血管中脂肪等沉淀物含量过高时,它可以将酶输运至堵塞的脑血管,用于打开“地堑”,疏通“水渠”,这比随血液循环的普通药物见效更快,针对性更强。

  纳米虫是另一种构想中的纳米级别的机器人,《特种部队:眼镜蛇的崛起》电影中的纳米虫(nanomites)拥有极强的再生能力和吞噬金属的能力,是眼镜蛇军火商利用军方资金研发的高科技武器。同时纳米虫可以增强人体的各种机能,有些特定的纳米虫还有特定的功能,比如在电影《特种部队:眼镜蛇的崛起》中已经变成美国总统(Jonathan Pryce饰)模样的撒旦(Arnold Vosloo饰)在自己脸上划了一刀,露出自己的真面容,而体内的纳米虫机器人迅速地将伤口愈合起来。

  (3)碳纳米管

  1991年日本的一家电器公司研制出了由六边形环状碳原子组成的碳纳米管,它的导电率比铜还高,强度约为钢的100倍,同体积情况下,它的重量约为钢的六分之一,直径仅有1.4nm(相当于头发丝直径的1/50000)。碳纳米管的两端通常是封闭的,但当加热到700℃时两端的碳原子因氧化而被破坏,然后用电子束将低熔点金属(如:Pb,Hg)蒸发后而凝聚,由于虹吸作用(原指由于液态分子存在引力与势能的差能,液体会由压力大的一端流向压力小的一端)而进入中空芯部形成纳米丝,它的尺寸效应可能具有超导性。还有一种有趣的设想,将许多根碳纳米管“捆”成一束,从地面至高空形成太空天梯,由于其强度极高,所以可以支撑很大重量,即使设想实现,恐怕我们也难以在去“天堂”的旅途中安逸舒适,因为所受重力的变化肯定会令很多人头晕目眩。

  (4)纳米飞行器

  纳米尺寸的飞行器在未来的军事领域和外太空探索方面可能发挥重要作用。2016年霍金与扎克伯格联手开启了“突破摄星”计划,打算用高能激光将纳米飞行器加速到光速的1/5发往半人马座α星(《三体》中三体世界的原型,距地球约4028光年),预计二十年左右就可到达目的地,但将1克物体加速到1/5光速大约消耗400吨TNT的能量,而且以如此高的速度运行,哪怕是与宇宙尘埃发生碰撞也会给飞行器带来毁灭性的灾难,由于耗费能量巨大和技术原因,此计划能否成功还不确定。

  三、纳米污染

  纳米污染物不是近些年才出现的,而是在自然界原本就存在的,只是当纳米尺度的观念被人意识之后,人们才开始关注起纳米污染物,纳米污染物不是由于纳米科技的实行而产生的,它的来源主要有两种:一是火山喷发等地质活动产生的,二是由于垃圾焚烧、电焊等人类农业活动产生的。比如纳米碳颗粒当尺度达到5-10纳米时,会刺激人体具有免疫功能的巨噬细胞,使多种激素含量异常增加,这是造成人体器官炎症原因之一。而且由于纳米污染物的尺度极小,它们很容易随风传播,甚至漂浮在大气层上部,难以沉淀下来,它们还有可能与大气层中的其它化学物质结合凝聚成较大的团体在重力作用下沉积,从此残留在土壤中。

  四、结语

  纳米科技作为一个极具吸引力的研究领域,在解决环境问题上可发挥巨大作用,纳米半导体材料对提高太阳能电池的能量转换效率和电子运输效率上有很大潜力,纳米材料的储氢和释放效率也明显优于传统材料。总的来说,纳米科技的蓬勃发展,推动了人类文明的进程,也许在不远的将来将会有新的机遇和挑战。

  参考文献:

  【1】王直华 《科学速递》【M】 中国青年出版社 2002年9月北京第一版

  【2】张立德 环境纳米科技研究的新动向的机遇【J】《科学前沿与未来》 2009年第十一期

  【3】百度百科【EB】 虹吸作用

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