微观世界精灵展现惊人性能：纳米材料如何颠覆科技与生活

微世界的“精灵”，具有无限的应用潜力 -

纳米材料可以带来哪些破坏性技术（看看最前沿）

“纳米剂实现了原子水平的特征性量表和可重建的光学频率分阶段阵列”，被选为2024年的“中国科学中十大进步”。由我国家的科学研究团队开发的纳米动物可以清除患者的血栓形成……小纳米仪的潜在潜在的潜在潜力，并与动向促进了科学和科学技术的发展，并与动向促进了动力，从而促进了科学和技术的发展。

从我们周围的莲花叶原理制造的防水涂料，到纳米医学，纳米传感器等，纳米技术正在“赚取少量利润”，并改变了各个领域的生活。将来，纳米功能材料还将帮助科幻小说场景（例如“太空电梯”）成为现实。这个“看边境”的问题使我们能够进入纳米的小世界，并看到更广阔的技术未来。

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微观“精灵”

表现出惊人的表现

在Liu Cixin的科幻小说“三体问题”中，称为“ Nano Flying Blade”的魔法材料令人印象深刻 - 这是一种非常细长的透明丝线，可以轻松地将一艘巨型船切成无数的薄片。这个看似科幻小说的情节实际上离我们不远。纳米功能材料 - 这种微观量表的“精灵”不仅在科学技术的最前沿，而且还改变了我们的生活。

纳米是一个长度单位，1纳米等于十亿米。当物质“切入”纳米级时，它将表现出与宏观尺度上完全不同的特性。在最初的导电金属深入纳米级后，它将逐渐成为半导体，然后成为绝缘体。当进一步降低尺寸时，它将显示出量子效应并成为导体。在微观世界中，纳米功能材料将表现出神奇的特性，例如宏观量子隧道效应，表面效应和尺寸较小。

科幻小说起源于现实。 “三体问题”中的“纳米飞行刀片”具有自己的原型 - 碳纳米管。这种由碳原子组成的管状结构的强度是钢的100倍，但比碳纤维薄。尽管当前的碳纳米管不能像小说中描述的那样变成像泥浆一样的强大工具，但在实验室中，中国科学家开发的完美结构化的碳纳米管纤维的唯一结构可以抬起成年的亚洲大象。在工业应用方面，使用流化的床技术，工厂生产了10,000吨的多壁碳纳米管导电糊，用于新的能量车；将来，碳纳米管也可用于生产碳基芯片，工业催化剂，显示屏，X射线管等。

实际上，纳米功能材料并非全部人为合成。自然界中还有这些微观“精灵” - 莲花叶表面的纳米级乳突结构，当水滴向下滚动时，它们不会留下痕迹；蝴蝶翅膀可以随着光变化而显示出不同的颜色，这也是由于机翼上的纳米结构。我们牙齿表面的搪瓷还由纳米级羟基磷灰石晶体组成，这使搪瓷极强和耐磨损……这些天然的纳米功能材料在长期的历史演化中表现出惊人的性能。

特征“变换”

在纳米级显示“魔术”

当物质的维度缩小到纳米顺序时，似乎应用了某种“魔术”，其固有的属性将经历颠覆性变化。这种奇怪的现象是由大规模变化引起的，不仅为科学研究探索打开了新的维度，而且为技术应用开辟了新的途径。

物质内在特征的变化在声音，电力，光，磁性，力等方面都显着。当将其粒径降低到2纳米时，其熔点突然下降到约327摄氏度，这为节能和效率增强冶金过程提供了新的想法。光学性质的重建在视觉上更具影响力 - 在宏观尺度上，铜表现出典型的紫色金属光泽，在纳米级处变成深黑。除变色外，最初是化学稳定的金属铜在纳米化后具有自发的点火特性，并具有前所未有的反应活性。

特征的“转换”是在多个领域重写技术范式。与传统材料相比，经过特殊处理的纳米活化碳的特定表面积具有数量级，并且其吸附能力增加了10倍以上，成为水纯化系统中重金属和有机污染物的“捕获器”。基于纳米隐形涂层，它可以实现特定频带中雷达波的隐身，并在国防和安全领域中起着重要作用。

在功能结构的纳米级构建中，研究人员需要依靠诸如原子力显微镜和聚焦离子束蚀刻系统等尖端设备以具有EM级精度实现材料组装。当物质进入纳米王国时，它显示的奇怪特征正在诞生许多破坏性的技术，这些技术推动了人类的认知和工程实践，从而迈向了更微观的深度。

每日申请

许多领域都有很大的潜力

纳米功能的材料不是放置在实验室中的“花瓶”，而是在各个领域展示其力量。

当纳米技术和医疗领域深入融合时，人类将拥有新的“武器”来抗击疾病。纳米药物就像精确的导弹一样，它通过表面修饰的靶向分子准确地鉴定出癌细胞独有的生物标志物，并将该药物直接传递到病变的核心。在临床实践中，淋巴示踪剂基于纳米活化的碳，可以清楚地概述手术前的肿瘤边界，并为外科医生提供三维导航。虽然包裹在纳米注合体中的化学疗法药物可以突破肿瘤血管屏障，但在目标区域中增加了数十倍的药物浓度，从而显着提高了功效，同时降低了全身毒性和副作用。实验室中的纳米机器人更具未来派，可用于巡航血液循环系统，实时清晰的血管沉积物，甚至对受损细胞进行纳米级手术修复，从而为癌症治疗开辟了新的范式。

在能源场中，由锂离子电池中的碳纳米管构建的三维导电网络带来了“高速公路”以从电极材料中获取电子，并且充电速度指数提高。不仅如此，纳米改装的电池还可以通过石墨烯散热涂层在冬季实现次要热利用，从而突破了电池寿命瓶颈。在安全保护方面，纳米热绝缘涂层具有热屏障性能。即使电池遇到了极端的热失控，它也可以保持大约15分钟的结构完整性，从而为车祸逃脱而赢得了宝贵的时间。

纳米级的信息行业还闪耀：光刻机器突破了2纳米的过程节点时，钉子内晶体管的数量大于指甲的数量超过100亿分，并且计算能力驱动力驱动力驱动器跨越了诸如人工智能和事物互联网等最先进领域的发展。与之并行的纳米传感器技术正在将环境监测和健康管理推向实时和准确的新阶段。

未来的应用

重塑人类探索的边界

纳米功能材料具有广泛的应用前景，纳米技术正在重塑人类的感知和探索的边界。

在AR（增强现实）领域，纳米光学波导技术正在将科幻小说变成现实。 AR眼镜使用纳米级光学波导透镜，重量仅几十克，但视野超过80度。通过镜头，用户可以体验信息获取，导航，翻译和其他功能。集成在框架上的纳米 - 安特纳阵列在厘米级的空间中构建了高速通信通道，从而使设备可以摆脱电缆约束，并真正集成到智能寿命的情况下。

在纳米技术的支持下，智能可穿戴设备正在通过形式和能源限制进行破坏。 Nanoflexible屏幕使用可拉伸的银纳米线电极，使智能手表像皮肤一样适合手腕。纳米生成器技术使用机械变形中氧化纳米线产生的压电效应，该效应可以将人体的运动能量转化为电能。

当人类将注意力转向恒星和海洋时，纳米材料会显示出空前的应用潜力。由碳纳米管组成的太空电缆的理论强度可以达到钢的一百倍，从而使未来运输低成本世界成为可能。纳米保护层技术已为航天器上戴上“装甲”：纳米凝胶的多孔结构不仅可以阻止空间中极低的温度，而且还可以承受当回流胶囊重新进入大气时的超高温度；纳米复合涂层通过多层界面反射机制通过三个数量级减少了宇宙辐射的剂量，为深空探索提供了生命支持系统的关键解决方案。

从日常磨损到探索空间，从“三体”中的“纳米飞行刀片”到纳米机器人，纳米物质等。实际上，纳米功能材料正在以惊人的速度改变我们的世界。让我们期待微观世界中的这些“魔术道具”，这些“魔术道具”可以带来更多惊喜！

Ren Hongxuan是国家纳米科学中心成就转型部的主任兼高级工程师。

学术支持：中国科学技术协会，国家纳米科学中心

（人们每天）