微觀世界“精靈”，應(yīng)用潛力無(wú)限——

　　納米材料能帶來(lái)哪些顛覆性技術(shù)(瞰前沿)

　　“實(shí)現(xiàn)原子級(jí)特征尺度與可重構(gòu)光頻相控陣的納米激光器”入選2024年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的納米機(jī)器人可為患者清除血栓……小小納米，潛力無(wú)限，在微觀世界迸發(fā)推動(dòng)科技發(fā)展的動(dòng)能。

　　從我們身邊應(yīng)用荷葉原理制作的防水涂層服飾，到納米藥物、納米傳感器等，納米科技正在各個(gè)領(lǐng)域里“以小博大”、改變生活。未來(lái)，納米功能材料還將助力“太空電梯”等科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。本期“瞰前沿”，讓我們走進(jìn)納米小世界，看見(jiàn)更加廣闊的科技未來(lái)。

　　——編 者

　　微觀“精靈”

　　展現(xiàn)驚人性能

　　在劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》中，名為“納米飛刃”的神奇材料令人印象深刻——一種極其纖細(xì)的透明絲線，能夠輕松將一艘巨輪切割成無(wú)數(shù)薄片。這看似科幻的情節(jié)，其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)。納米功能材料——這一微觀尺度上的“精靈”不僅活躍在科技前沿，也在改變我們的生活。

　　納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1納米等于十億分之一米。物質(zhì)被“切割”到納米級(jí)別時(shí)，會(huì)展現(xiàn)出與宏觀尺度時(shí)截然不同的特性。原本導(dǎo)電的金屬深入到納米尺度后，會(huì)逐漸變成半導(dǎo)體進(jìn)而變成絕緣體；當(dāng)尺寸進(jìn)一步減小時(shí)，表現(xiàn)出量子效應(yīng)，又變成了導(dǎo)體。在微觀世界里，納米功能材料會(huì)呈現(xiàn)宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等神奇性質(zhì)。

　　科幻源自現(xiàn)實(shí)，《三體》中的“納米飛刃”，有自己的原型——碳納米管。這種由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度是鋼的100倍，卻比碳纖維還細(xì)。目前的碳納米管，雖然無(wú)法像小說(shuō)里描述的那樣成為削鐵如泥的利器，但在實(shí)驗(yàn)室里，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的單根結(jié)構(gòu)完美的碳納米管纖維，可以吊起一頭成年亞洲象；在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，利用流化床技術(shù)，工廠里已經(jīng)生產(chǎn)出用于新能源車的萬(wàn)噸級(jí)多壁碳納米管導(dǎo)電漿料；未來(lái)，利用碳納米管，還可以制造碳基芯片、工業(yè)催化劑、顯示屏、X射線管等。

　　其實(shí)，納米功能材料也并非全是人工合成，在大自然中也有這些微觀“精靈”的身影——荷葉表面的納米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)，能夠讓水珠滾落時(shí)不留痕跡；蝴蝶翅膀能隨光線變化呈現(xiàn)不同色彩，也是因?yàn)槌岚蛏系募{米結(jié)構(gòu)；我們牙齒表面的牙釉質(zhì)，也是由納米級(jí)的羥基磷灰石晶體構(gòu)成，這使得牙釉質(zhì)具有極高的堅(jiān)固度和耐磨性……這些天然納米功能材料，在漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)化中展現(xiàn)出驚人性能。

　　特性“變身”

　　在納米尺度施展“魔法”

　　當(dāng)物質(zhì)維度縮小至納米量級(jí)，仿佛被施加了某種“魔法”，其固有屬性會(huì)發(fā)生顛覆性變化，這種由尺度劇變引發(fā)的奇異現(xiàn)象，既為科研探索打開(kāi)新維度，也為技術(shù)應(yīng)用開(kāi)辟新路徑。

　　物質(zhì)本征特性的變化在聲、電、光、磁、力等方面都很顯著。例如，在宏觀尺度下，金需要1064攝氏度高溫方能熔化，在其粒徑縮減至2納米時(shí)，其熔點(diǎn)竟驟降至約327攝氏度，這為冶金工藝節(jié)能增效提供了全新思路。光學(xué)性質(zhì)的重構(gòu)更具視覺(jué)沖擊力——宏觀尺度下，銅呈現(xiàn)典型的紫紅色金屬光澤，在納米尺度下竟然變?yōu)樯铄涞暮谏?。除了變色，原本化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬銅，在納米化后具有自燃特性，呈現(xiàn)前所未有的反應(yīng)活性。

　　特性“變身”，正改寫(xiě)多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)范式。經(jīng)特殊處理的納米活性炭，其比表面積較傳統(tǒng)材料實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)躍升，吸附容量增長(zhǎng)10倍以上，成為凈水系統(tǒng)中重金屬與有機(jī)污染物的“捕手”；基于納米隱身涂層，可在特定頻段實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波的隱身，在國(guó)防安全領(lǐng)域有重要作用。

　　在納米尺度構(gòu)筑功能結(jié)構(gòu)，研究人員需依賴原子力顯微鏡、聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)等尖端設(shè)備，在埃米級(jí)精度下實(shí)現(xiàn)材料組裝。當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入納米王國(guó)，其展現(xiàn)的奇異特性正在催生一批顛覆性技術(shù)，驅(qū)動(dòng)人類認(rèn)知與工程實(shí)踐向更微觀尺度的縱深挺進(jìn)。

　　日常應(yīng)用

　　多個(gè)領(lǐng)域大有可為

　　納米功能材料并非擺在實(shí)驗(yàn)室里的“花瓶”，它們正在各個(gè)領(lǐng)域大顯神通。

　　當(dāng)納米科技與醫(yī)療領(lǐng)域深度融合，人類對(duì)抗疾病就有了新“武器”。納米藥物如同精確制導(dǎo)導(dǎo)彈，通過(guò)表面修飾的靶向分子精準(zhǔn)識(shí)別癌細(xì)胞特有的生物標(biāo)記物，將藥物直接輸送至病灶核心。在臨床中，淋巴示蹤劑以納米活性炭為基底，能在術(shù)前清晰勾勒出腫瘤邊界，為外科醫(yī)生提供三維導(dǎo)航；而納米脂質(zhì)體包裹的化療藥物，則能突破腫瘤血管屏障，在靶區(qū)將藥物濃度提升數(shù)十倍，顯著增強(qiáng)療效的同時(shí)降低全身毒副反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室里的納米機(jī)器人更具未來(lái)感，可以用于血液循環(huán)系統(tǒng)巡航，實(shí)時(shí)清除血管沉積物，甚至對(duì)受損細(xì)胞進(jìn)行納米級(jí)手術(shù)修復(fù)，為癌癥治療開(kāi)辟全新范式。

　　能源領(lǐng)域，鋰離子電池中碳納米管構(gòu)建的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為電極材料獲得電子帶來(lái)一條“高速公路”，充電速度以指數(shù)級(jí)提升。不僅如此，納米改性電池還可以通過(guò)石墨烯散熱涂層在冬天實(shí)現(xiàn)熱量二次利用，突破續(xù)航瓶頸。在安全防護(hù)方面，納米隔熱涂層具有熱屏障性能，即便電池遭遇極端熱失控，也能維持15分鐘左右的結(jié)構(gòu)完整，為車禍逃生爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

　　納米尺度上的信息產(chǎn)業(yè)也大放光彩：當(dāng)光刻機(jī)突破2納米工藝節(jié)點(diǎn)，指甲大小的芯片內(nèi)晶體管數(shù)量突破百億大關(guān)，算力洪流驅(qū)動(dòng)著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域跨越式發(fā)展，與之并行的納米傳感器技術(shù)，正將環(huán)境監(jiān)測(cè)與健康管理推向?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)的新階段。

　　未來(lái)應(yīng)用

　　重塑人類探索的邊界

　　納米功能材料擁有廣闊的應(yīng)用前景，納米技術(shù)正在重塑人類感知與探索的邊界。

　　在AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))領(lǐng)域，納米光波導(dǎo)技術(shù)正將科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。AR眼鏡采用納米級(jí)光波導(dǎo)鏡片，重量?jī)H幾十克卻擁有超過(guò)80度的視場(chǎng)角，透過(guò)鏡片，用戶可體驗(yàn)信息獲取、導(dǎo)航、翻譯等功能。鏡架上集成的納米天線陣列，在厘米級(jí)空間內(nèi)構(gòu)建起高速通信通道，使設(shè)備擺脫線纜束縛，真正融入智能生活場(chǎng)景。

　　智能穿戴設(shè)備在納米技術(shù)加持下正突破形態(tài)與能源限制。納米柔性屏采用可拉伸的銀納米線電極，使智能手表能像皮膚般貼合腕部；納米發(fā)電機(jī)技術(shù)利用氧化鋅納米線在機(jī)械形變中產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，可以將人體運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

　　當(dāng)人類將目光投向星辰大海，納米材料展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用潛力。碳納米管構(gòu)成的太空電梯纜繩，理論強(qiáng)度可達(dá)鋼材的百倍，使未來(lái)低成本天地運(yùn)輸成為可能。而納米防護(hù)層技術(shù)則為航天器披上了“鎧甲”：納米氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)既能阻隔太空極低溫，又能耐受返回艙再入大氣層時(shí)的超高溫；納米復(fù)合涂層通過(guò)多層界面反射機(jī)制，將宇宙輻射劑量降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，為深空探測(cè)生命保障系統(tǒng)提供關(guān)鍵解決方案。

　　從日常穿戴到探索太空，從《三體》中的“納米飛刃”到現(xiàn)實(shí)中的納米機(jī)器人、納米電池等，納米功能材料正在以驚人的速度改變著我們的世界。讓我們期待，這些微觀世界里的“魔法道具”，能帶來(lái)更多驚喜！

　　任紅軒 作者為國(guó)家納米科學(xué)中心成果轉(zhuǎn)化處處長(zhǎng)、正高級(jí)工程師

　　學(xué)術(shù)支持：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心

　　(人民日?qǐng)?bào))