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纳米,最熟悉的“陌生人”_0

发布时间:2019-12-05 08:52:12

中科院院长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家白春礼,至今记得这样一个小插曲:十几年前,一位大娘在街头接受随机采访,当被问及纳米,她的第一反应是:“这是不是一种能吃的新大米?”

这与许多科学家们最初的态度如出一辙。25年前,《自然》杂志在日本东京召开了一次有关纳米的会议,对于这个新兴的研究领域,当时诸多科学家认为,尽管这是一种“奇妙的科学工具”,但预计未来25年内,不会对主流电子技术产生任何影响。然而,事实证明,与该领域许多奠基人的谨慎相反,纳米科技正在快速走进人们的生活

如今,纳米科技作为最具突破性的战略性前沿技术之一,已在材料、医疗、环境等领域引起颠覆性改变,并成为大家身边最熟悉的“陌生人”。

小小纳米很神奇

纳米科技的研究对象主要是纳米尺度之间的极小物体。在如此小的尺度上,物质属性能够发生巨大改变,对科学、技术、工程等领域具有实用意义

纳米科学和技术作为一个独立的研究领域,是近些年才发展起来的。其研究对象主要是纳米尺度(1纳米等于十亿分之一米),即1至100个纳米之间的极小物体。这是什么概念?按照诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼的说法,如果可以控制单一原子,理论上可以在大头针的针头上写下整套大英百科全书的内容。

在如此小的尺度上,材料的物理、化学和生物学特性跟宏观尺度的物体相比,通常会大相径庭。比如,低强度或脆性合金会获得高强度、高延展性,化学活性低的化合物会变成强力催化剂,不能受激发光的半导体会变得能够发射强光。“纳米尺度级的处理能够改变物质属性,这对大多数的科学、技术、工程和医学领域都具有实用意义。”中国科学院院士、香港科技大学教授唐本忠说。

在科学家们看来,纳米技术的优势主要是通过控制原子级或分子级的物质创造新材料。由于具备理想的机械、化学、电学等性能,这些新型纳米材料可被应用于日常用品及工业制造中。电子墨水的发明就是一例。这是一种类似纸张的显示技术,墨水由极小的胶囊组成,现已广泛应用于Kindle等电子阅读器产品。而一份制造商清单显示:目前,市场上有1600多种基于纳米技术的消费产品。

比如,电吹风或直发器使用纳米材料能降低重量或延长使用寿命;防晒霜使用了从皮肤表面上看不到的纳米二氧化钛或氧化锌等防晒成分;纳米结构的材料被用于机器零件的表面涂层或润滑剂中,以减少磨损、延长机器使用寿命;具有纳米结构的合金,具有强度高、耐久、质量轻等特点,是制造飞机和航天航空零部件的理想材料;纳米工程制备的纤维被用于制造防皱、防沾污的衣物,不仅质轻,甚至还可能防止细菌的滋生;金属、氧化物、碳和其他化合物的纳米颗粒是很好的催化剂,在石油精炼、生物燃料等领域有着重要的工业应用……

“微观之下,还有充足的空间。”费曼称。

新技术是把双刃剑

由于会给生产方式带来翻天覆地的变化,人们尚不清楚纳米技术会带来怎样的经济影响和社会巨变

1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔观察并预言:集成芯片上的晶体管数量每18至24个月左右,将会增加一倍。

彼时,纳米技术还处于发展初期。而今,随着纳米技术的进步,集成芯片和晶体管已如摩尔预测的那样,变得越来越小,计算速度却日趋提高,然而摩尔定律因存在现有技术将达到可加工尺寸极限的问题,正面临逐渐失效的风险。2016年,全球首个1纳米的晶体管诞生。该晶体管由碳纳米管和二硫化钼,而不是硅制备而成,展示了进一步缩小电子器件尺寸的潜力,使得摩尔定律至少能在一段时间里继续有效。

“作为促进信息技术和数码电子行业发展的关键驱动力,纳米技术进一步提升了诸多电子产品的性能,如电脑、手机和电视等。”科学家们表示。

根据施普林格·自然集团、国家纳米科学中心、中科院文献情报中心3家单位联合发布的《中国纳米科技发展白皮书》,在生物医学领域,纳米技术最引人瞩目的应用或许是纳米孔基因测序技术。其工作原理是利用电场驱动每个DNA单链穿过薄膜上纳米尺寸的孔,即纳米孔。当DNA单链通过纳米孔时,记录孔上产生的电流变化,从而识别出单链上的基因编码序列。该技术有望大幅降低基因测序成本并提高测序速度。

另外一个富有前景的医学应用则是药物输送。纳米技术能让药物突破化学、解剖和生理学阻碍,抵达病变组织,提高药物在病灶位置的聚集量,减小对健康组织的损害。例如,经过精心设计的纳米药物可以经血管渗漏点渗入癌变组织,并在靶点位置积聚,从而提高癌症靶向治疗的精准度。

不过,新技术就像双刃剑,带来利益的同时也可能带来风险。纳米技术也不例外。

《白皮书》揭露,当前人们最大的担忧是纳米颗粒对健康的威胁,因为纳米颗粒很容易经肺或皮肤进入人体系统。例如,人们已发现碳纳米管内的金属污染物和柴油的纳米颗粒对健康有不良影响;生产作业中暴露于纳米污染物的工人会有较高的健康风险,基于纳米技术的产品也会让消费者面临风险;纳米药物虽然前景光明,但因为尚不清楚其在人体内是否参与代谢以及如何代谢,所以也有可能带来意料之外的后果。而且,纳米药物的长期使用效果仍不明朗。

此外,纳米材料制造过程中所产生的工业排放,以及纳米产品使用后的回收,也会带来环境污染风险。纳米颗粒活性高、尺寸微小,有可能对生态系统产生不利影响,对动植物生存构成威胁。“由于纳米技术会给产品生产方式带来翻天覆地的变化,并让很多商品的尺寸发生改变,人们尚不清楚这会带来怎样的经济影响和社会巨变,这要求我们对该技术应用的伦理问题进行审慎的判断。”《白皮书》呼吁。

中国已是纳米大国

中国在纳米科学领域已成为全球重要贡献者,部分基础研究国际领先,但产业影响力仍然有限,纳米科学和技术产业化间仍存在差距

在世界纳米科技舞台上,中国处于什么样的位置?

《白皮书》显示,目前,中国贡献了全球超过三分之一的纳米科研论文,几乎是美国的2倍;中国纳米专利申请量位列世界第一,过去20年中国纳米专利申请量累计达209344件,占全球总量的45%,是美国同期累计申请总量的2倍以上;中国纳米领域的高被引论文持续增加,复合年均增长率达22%,是全球的3倍多。

“经过近30年发展,我国已崛起为纳米科研大国。”中国科学院科技战略咨询研究院院长潘教峰称。

根据《白皮书》,目前,中国科学院已是全球纳米领域最主要的高影响力论文产出机构,在前1%高被引纳米科研论文的产量上,已是位居其后竞争者的2倍以上。另有5家中国机构也位居高被引纳米科研论文全球前20强,即清华大学、复旦大学、浙江大学、中国科学技术大学和北京大学。

“中国在纳米科学领域已成为当今世界纳米科学与技术进步重要的贡献者,部分基础研究居国际领先水平,纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。”《白皮书》认为,这些成绩的取得与中国在纳米科技领域的持续投入密切相关,当下中国纳米科技研究正在向原创性突破转变,并更加关注纳米科技的产业化应用。

值得注意的是,我国在国外申请的纳米专利数量仍较少,仅占过去20年累计专利申请总量的2.61%,而在美国,这一比例高达近50%。一些欧洲国家,如英国和法国,超过70%的纳米专利都是非本国专利。同时,一些业内专家表示,中国纳米技术的产业影响力仍旧有限,纳米科学和纳米技术产业化之间仍存在差距。

“展望未来,纳米科技面临诸多机遇和多方挑战。我们需要实现对于纳米尺度基础研究的突破,需要加快填补基础与应用之间的沟壑,更需要满足更多来自于世界能源、环境与健康领域的重大需求。”白春礼表示。

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