「纳米技术」中现在有哪些真正的被应用了?或者具有很好的应用前景?


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谢邀。我是中国科学院院士、国家纳米科学中心主任赵宇亮。纳米技术经过多年科普,现在大家已经不陌生了。纳米技术的应用前景,我在参加大师课堂《科学家讲科学》中也跟广大青少年科普了类似的应用。现在回答下知乎网友提出的类似问题。

20 世纪 80 年代,人类通过扫描隧道显微镜,第一次正式开启了对纳米尺度世界的科学观测与研究。纳米是非常小的长度单位,1 纳米是 10 的负 9 次方米。只有“十亿分之一米”,相当于人类头发丝直径的五万分之一。如果把直径为 1 纳米的小球放在乒乓球上,差不多就相当于是把一个乒乓球放在了地球上。

新奇的纳米世界

纳米技术研究的尺寸对象一般在 1 纳米到 100 纳米之间,但在具体的研究中也不局限在这个尺度范围,主要看纳米尺度结构或纳米物质是否出现新奇的物理特性、化学特性、生物学特性或医学功能等。

那么纳米世界能有什么新奇呢?大家知道,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顺磁性。金的熔点一般为 1064 度,但到了 1-2 纳米,在室温就会融化。微粒的尺度不一样,性能会天差地别,这就是纳米尺寸效应。

物质世界从无功能到有功能的过渡临界,发生在纳米尺度;同时,生命世界从非生命到有生命的过渡临界,也发生在纳米尺度。所以,要调控物质世界,比如,获取物质的新功能,从调控纳米尺度上的结构入手最有效。因为,导致物质宏观功能的源头在这里。

目前,全世界有 60 多个国家专门成立了国家层面的国家纳米研究计划。中国也不例外。我国纳米科技研究起源于 20 世纪 80 年代后期。目前,在纳米科技的基础研究和应用基础研究领域,中国是全球最活跃也是最有影响力的国家之一。

纳米技术有哪些真正的应用

有人可能觉得,纳米有什么稀奇的,自己老早就穿上了纳米内裤,垫上了纳米鞋垫,日常生活中的很多物品、商品早就带上了“纳米”二字。

大约二十年前,出现了五花八门的纳米产品,一些不良商家想蹭“纳米”热度,将其作为营销噱头,出现了很多名字带“纳米”二字,却和纳米毫无关系的商品。甚至,那时有消费者认为“纳米科技”就是骗局。

其实,那时纳米技术尚未大规模应用。如今,纳米技术已经应用到很多方面、很多产品中,“纳米”二字反倒不用再强调用来标榜自己了。当它大规模使用的时候,人们可能就不再拿它做噱头,纳米技术一定会改善,也正在改变我们的生活,尤其是,当人类跨入智能社会,纳米技术更是无处不在。

纳米技术最熟悉的应用其实就在身边。手机里面的计算芯片是用人类迄今最为精细的微纳加工技术制造出来的。一部智能手机中有 100 多个零部件都是纳米技术和纳米材料的产品。5nm 芯片每平方毫米的面积上就装有大约 1.5 亿个左右的晶体管,2nm 芯片的晶体管密度大约是 5nm 芯片的 2 倍。一颗比人类指甲稍大的芯片里面装有上百亿个晶体管,其数量比地球人数还多。

另外,U 盘等移动存储也是纳米技术的应用。其原理就是纳米材料巨磁阻效应所带来的变化。巨磁阻效应的发现曾获得 2007 年诺贝尔物理学奖。纳米材料的巨磁阻效应实际上也是纳米领域首批大规模实际应用的技术之一,它使我们的硬盘越来越小。过去,3.5 英寸大小的磁盘只能存储 1.44 兆字节的信息,而现在一个小小的 U 盘差不多增加了上亿倍的存储量。

纳米技术在生物医药上的应用是重点发展方向。现阶段,人类疾病的诊断和治疗都是建立在分子间反应基础上的,所以,以前人们吃的药物也可以叫分子药物。而纳米药物则是单一分子聚集到一起形成一个颗粒,也可以叫颗粒药物。通过控制颗粒表面上装载的不同药物,让其一层一层地往外释放。纳米颗粒作为治疗性药物的载体,让它去输送药物,定点地把药物输送到体内的某一个部位,就像我们现在的快递员一样,可以在人的身体内定点输送药物。这种定点输运,通常叫作药物输送或递药靶向性。

在新冠肺炎研究中纳米技术有项重要的应用,有一种磁性纳米颗粒,它可以吸附和病毒相关的一些蛋白,包括抗体,这样可以用它来做抗体检测。

未来,纳米技术的颠覆性医疗应用就是纳米机器人。它实际是机器人工程学一个新兴的技术,借鉴生命体自组装的过程,研发自组装纳米机器人,在纳米尺度上应用生物学的原理去发现新的现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。

未来,纳米机器人也可能进入人体,来给人们看病。它是能在纳米空间进行操作的“功能分子器件”集合形成的系统。这个“机器人”和通常的机器人形象有着很大差别。一根纳米棒、纳米管就可以是一个纳米机器人。人们有望利用自组装纳米机器人通过血管直达病灶,进行疾病治疗以及自我修复,比如,消除体内的肿瘤细胞,进行微创手术等。

现在,纳米机器人发展已有三代,而且几乎是每五年更新一代。新一代纳米机器人需要实现从体外对体内的操控,进而控制它在人体内的行为和工作进度。这是现在体内纳米机器人研发的难点,也是全世界在攻克的方向。

目前,纳米技术在生物医药领域的广泛应用正越来越受到世界各国的重视,纳米安全确实越来越重要!我们团队在 2001 年就创建了中国乃至世界第一个“纳米生物效应与安全性”实验室,专门研究纳米尺度颗粒和纳米结构物质对生命的影响,实现了纳米毒理学领域在中国的起步、形成和发展,使中国在该领域成为最具影响力的国家之一。

还有,纳米技术在能源方面,用太阳光加纳米催化剂,可以把水分解成氢和氧,这个技术最近几年发展很快。在纳米催化剂出来之前,原来分解效率大概只有 1%左右,通过纳米催化剂的使用,分解效率已经达到了百分之十几。这有可能引起整个能源领域的变革。而在能源环保方面,比如,现在的新能源电池技术,性能最好的快充电池,其电极、隔膜、浆料应该都是纳米材料。

此外,纳米技术在农业方面也有大量应用。除了中国农科院在研究纳米农药、纳米肥料以外,纳米技术在农业里面的应用比我们想象得还要更尖端,把不同的技术,包括纳米技术就是微纳传感、信息处理技术以及大数据的算法技术全部融合到一起。

纳米材料已在航天航空里面已经有众多应用。因为纳米材料的强度和重量,恰恰能满足减重的要求。

纳米概念未必就是真正的纳米技术

当然,掌握纳米技术和熟练运用纳米概念还是两回事,一些科幻电影可能起到推波助澜的作用。有些特效借助纳米概念技术进行加工创作,比如,“纳米战甲”能在需要时迅速释放覆盖全身,必要时也可在局部集中形成“盾牌”、“铁锤”,堪称万能道具。

这些科幻电影有一定科学依据但与真正的科学又不一样。它给人类带来天马行空的想法,也是能够成为技术变革的推动力之一,在某种意义上来看,它有一定道理。但是,从科幻到现实科技,还需要有很多的、基础的研究和技术的开发。不敢说将来不会有,但在近期内还不会有。不过,这并不意味着将来不可能拥有。

纳米科技是我国优势学科研究领域,在基础研究和应用基础研究目前已领跑全球,论文总量、高引论文和专利授权都处于世界领先地位。截止 2020 年,中国纳米科技累计申请专利已超过 30 万件,论文发表数量和质量排在全球第一。但是,这些研究成果多半没有转化和落地,还停留在纸上。

未来,我希望更多年轻人加入纳米技术研究和成果转化领域,真正把科研成果写在祖国大地上。

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