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纳米鞋垫、纳米洗衣机、纳米杯子……其实这些大多是伪纳米

不久前,甘肃省科学院纳米应用技术研究室首席研究员闫鹏勋教授做客深圳市民文化大讲堂,为大家介绍了神奇的纳米技术。以下为讲座主要内容。

『我们身边的纳米』

纳米热已经持续了 20 多年,经常有很多产品标榜自己采用了纳米技术,比如纳米鞋垫、纳米洗衣机、纳米杯子、纳米鞋等,其实这些大部分都是伪纳米。

纳米既神奇又不神奇,因为它在自然界中早已存在,下面我举几个例子。

第一个是 " 横行霸道 " 的螃蟹。其实,亿万年前,螃蟹并不是横着走的。螃蟹的第一对触角里有几颗磁性纳米微粒,这使它拥有了可以定向的 " 指南针 "。螃蟹的祖先也和大多数动物一样前进后退,行动自如。但后来,由于地球的磁场发生多次剧烈倒转,螃蟹触角里的纳米小磁粒发生错乱,失去了正确指示方向的功能。于是,晕晕乎乎的螃蟹开始横行。

第二个是飞檐走壁的壁虎。壁虎可以在任何墙面上爬行,甚至能倒挂在天花板上,它靠的就是纳米技术。壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛,可以为壁虎提供数百万个附着点,从而支撑其体重。这种附着力可通过 " 剥落 " 轻易打破,就像撕开胶带一样,因此壁虎能够运用这种纳米级结构轻而易举地在天花板上爬行。

第三个是绚丽多彩的蝴蝶。生物学家常常感到疑惑:蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的?又有什么不同的意义?荷兰格罗宁根大学的希拉尔多博士在研究了菜粉蝶和其他蝴蝶的翅膀后揭开了这个秘密:翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的 " 色彩工厂 "。蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质,它们就像圣诞树上小小的彩灯,在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一个身份标志,不同颜色的翅膀,让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就识别出同伴,甚至辨别出对方是雄是雌。

此外,我们身边还有很多纳米现象。比如,中国古代的墨汁,使用燃烧蜡烛而成的炭黑作为原料,其中是有纳米成分的;削铁如泥的宝剑,像有名的干将、莫邪宝剑,它们之所以锋利,是因为表面经处理后形成纳米结构,性能变得非常优异,削铁如泥;人牙齿表面的牙釉质也是纳米结构,所以质地非常坚硬。

『究竟什么是纳米』

什么是纳米?实际上它是长度单位,1 纳米(nm)等于 1 米的 10 亿分之一,也就是说,1000 纳米等于 1 微米(μ m ) 。如果把直径 1 纳米的小球放到乒乓球上,就相当于把乒乓球放到地球上。如果一根头发丝的直径为 50 微米的话,1nm 相当于它的 5 万分之一。一个氢原子的直径是 0.1 纳米,所以 1 纳米约等于 10 个氢原子排起来的长度。

我们通常把尺度范围在 1 — 100nm,且呈现出与常规材料有显著差别的特殊物理化学效应的材料,称为纳米材料。

从化学成分来说,纳米材料可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等。从物理性质来说,纳米材料又可以分为纳米半导体、纳米磁性、纳米非线性光学、纳米铁电体、纳米超导、纳米热电等材料。从应用的角度,我们也可以把纳米材料进行分类,比如纳米电子、纳米光电子、纳米生物应用、纳米敏感、纳米储能等等。

『纳米中的王冠——金属纳米』

纳米材料种类众多,其中数金属纳米粉体最难制造,所以它非常昂贵。同时,由于金属纳米用途广泛、性能优异,因此被称为纳米技术中的 " 王冠技术 "。

金属纳米粉体可以应用于很多领域,包括 3D 打印、自修复润滑油、生物磁珠、粉末冶金、高效农业、高效催化、抗菌服装及涂料、吸波隐身、金属燃料等等。

比如,3D 打印最核心的是材料,打印的东西如果强度不够,再复杂的结构也没有用。因此,添加金属纳米的材料可以保证核心构件的强度和硬度达到设计要求。

车辆设备上用的润滑油,加入颗粒直径为 50 — 100nm 的球形纳米金属粉后,这些金属粉颗粒与固体表面相结合,形成超光滑的保护层,同时填塞微划痕,可以大幅度降低摩擦和磨损。

还比如,纳米镍粉、铁粉、铁氧体粉以及铁镍合金粉等都是优良的电磁波吸收材料,不仅能吸收雷达波,而且能很好地吸收可见光和红外线。用其配制的吸波涂料和结构吸波材料,可显著改善飞机、坦克、舰船、导弹、鱼雷等武器装备的隐身性能。

未来,金属纳米技术还将在沙漠治理、草原生态修复、水氢汽车、超级磁铁、纳米硅增强太阳能电池转换效率、纳米防腐、纳米化妆品等领域发挥更大的作用,改善人们的生活。

栏目主编:龚丹韵 本文作者:闫鹏勋 文字编辑:徐蓓 题图来源:图虫创意 图片编辑:雍凯

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