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纳米技术,颠覆已有认知

上传时间:2018-07-03  发布者:光明日报  点击率:68

【科学向未来】

作者:张超星(中国科学院科技战略咨询研究院助理研究员);冷伏海(中国科学院科技战略咨询研究院研究员)

      纳米技术是对100纳米以下的物质进行探索和控制的技术,这一尺度下,物质会呈现出与宏观物体和微观粒子截然不同的特性。

      经过最近二三十年的快速发展,一些具有新奇特性的纳米材料,如导电性能类似金属铜的石墨烯,抗拉强度比同体积钢高100倍的碳纳米管,通过改变尺寸就可以控制发射光谱的量子点,具有隐身功能的超材料等不断被发现,继而在医学、能源、环境及信息,甚至军事等领域得到了广泛的应用。

2018年全国科技活动周,北京军事博物馆的主场活动,国家纳米科学中心任红轩教授为前来参观的学生们展示纳米科技科普最前沿的“纳米梦工坊”便携科普教具产品,让学生们感受纳米科技的魅力。光明图片/视觉中国

      纳米技术的广泛应用

      医学领域,纳米技术为药物的传输和疾病的治疗提供了新的方式和途径。借助纳米载体,药物可以克服人体的生物屏障,通过人为操控直接到达病灶区,在提高局部药物浓度增强治疗效果的同时减少了对其他组织的损害,其优势在癌症治疗中比较明显。目前部分针对癌症的纳米药物已经面市。

      各种具有特定癌症治疗功能的纳米机器人相继被成功研发:能够在60秒内杀死癌细胞的纳米机器人;可找到肿瘤,控制其代谢并能有效抑制肿瘤转移的DNA纳米机器人;锁定癌细胞并投递药物的纳米机器人等等,纳米技术的使用为非侵入性癌症治疗提供了一个良好的发展契机,其商业化必将极大地提高患者的生存率。

      此外,利用纳米技术可以实现疾病的早期诊断及监测。利用金纳米粒子制备的生物条形码可以将疾病生物标记物的检出底线降低106倍,极大地提高了疾病早期发现的可能性;利用石墨烯制备的皮肤贴片改变了传统的手指穿刺测量血糖的方法,以非侵入的方式实现了对糖尿病患者血糖的监测和管理。纳米技术有力促进了医学发展过程中瓶颈问题的解决,成为医药研究领域必不可少的技术和武器。

      能源领域,纳米技术为绿色清洁能源技术的快速发展及应用提供了新的思路,开辟了新的途径。纳米技术为锂电池的发展带来了新机遇。利用纳米技术,传统锂电池领域充放电过程中的安全性(利用硅纳米线或者具有空心壳层结构的S/纳米TiO2等)及速度慢(应用碳纳米管等)、电池不稳定(使用超薄二维BN/石墨烯复合材料等)等重大问题得以妥善解决。

      目前针对锂电池的纳米材料的研究已经完善并实现了产业化,商业锂电池的能量密度已达300Wh/kg,锂电池动力汽车的续航里程可达470公里左右,随着纳米材料的进一步发展,锂电池性能的进一步优化,其能量密度有望达到500Wh/kg,实现800公里的续航目标。超级电容器因为充电速度快,功率密度高等优势成为新能源汽车的“新宠”。纳米技术可以帮助超级电容器减重,同时进一步提升充电速度。近日一款由碳纳米管制备的超级电容器问世,其充放电速度是传统电池的1000倍,能够在短短数秒中完成汽车充电,甚至比传统汽车加油要快3倍,充电周期可以高达100万次。一些性能更为优越、更为轻质、更为环保的应用了纳米技术的新颖超级电容器,如蛋壳膜超级电容器、海绵超级电容器还在不断出现。一旦这些超级电容器成功商业化,将会给稀土市场产生一定的冲击,也会给传统电动汽车行业带来颠覆性改变。

      钙钛矿太阳能电池是近几年新发展起来的能源转换器件,中国科学家合成的全无机钙钛矿太阳能电池实现了14.4%的最高光电转换效率,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已提升到22.1%,接近单晶硅太阳能电池26.3%的光电转化效率。随着加工工艺的发展和成熟,应用了纳米技术的钙钛矿太阳能电池有望超过硅基太阳能电池的光电转化效率,其进一步发展很有可能改变太阳能产业。

      纳米摩擦发电机是纳米技术在机械能发电领域的新应用。利用它可以收集传统发电机不容易获取的机械能,比如摩擦能、风能、海浪能、机械振动等。目前,已有部分利用纳米摩擦发电机的产品问世,如,自供电智能鞋、摩擦电空气净化器等。作为一种全新的绿色能源供给技术,纳米摩擦发电机将为物联网发展中微能源供应问题提供全新的解决方案,可以为大尺度的“蓝色能源”(海洋能)提供一种全新的技术方案,在普适化便携式电子产品的电源供应方面有广泛的应用前景。利用了纳米技术的纳米摩擦发电机有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

      由此可见,纳米技术不仅改变了人们认识世界的角度,将人们的视野聚焦到100纳米以下的范围,催生了新的研究领域和技术(如自旋电子学,纳米压印光刻技术等),还为其应用领域开辟了新的天地,为瓶颈问题的解决提供了有效途径,为传统行业带来了新的发展机遇,同时其衍生的新产品和新方法形成了巨大的新兴市场,其进一步的发展非常有可能引发生产革命和消费革命。

微纳米材料经900倍放大,颇似“小蘑菇”。光明图片/视觉中国

      各国纳米技术的发展战略和行动

      纳米技术作为一项新兴技术,首先受到了美国的高度关注。2000年美国率先发布国家纳米计划,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。随后,世界上几乎所有的工业化国家都加快了推进纳米技术战略和研究计划的步伐,韩国、俄罗斯、中国、越南、以色列等新兴工业化国家和发展中国家也纷纷根据本国国情制定了系列纳米发展战略和计划。

      比如韩国,2002年发布了“纳米技术开发行动计划”,支持纳米核心技术的开发并培育纳米技术领域的专家;2008年发布了“面向先进一流国家的李明博政府的科学技术基本计划”,将纳米基础机能性材料技术等领域列为重点培育技术,希望凭借这些技术的发展使韩国跻身于七大科技强国之列。随后韩国又出台了一系列研究计划,如每五年修订一次的“纳米技术综合发展计划”等,以“把韩国发展成为以技术创新促进可持续发展的纳米技术领先国家”为发展蓝图,促进纳米技术在本国的发展。

      德国2004年发布了纳米技术新战略,提出“德国创新向纳米技术进军”的战略计划,促进纳米技术应用潜力的开发;随后德国颁布了系列“纳米技术行动计划”,希望利用纳米技术解决其制定的高新技术战略中能源、交通、健康等领域中的关键问题,提高德国企业的竞争力,扩大自己在欧洲的领先地位。

      中国也制定了纳米技术发展的计划。2001年,科技部联合国家多部委发布了《国家纳米科技发展纲要》,并成立了国家纳米科学技术指导协调委员会,提出加强基础研究、攻克关键技术及培养骨干人才等任务目标。各部委分别通过国家的“973计划”、“863计划”等对纳米新材料和新技术的研发进行了支持。

      2013年,中国科学院启动“纳米先导专项”,希望利用纳米技术促进长续航动力锂电池和纳米绿色印刷等产业技术的变革性创新,同时培育和推动一批纳米核心技术在特定能源、环境与健康领域中的应用,解决若干制约国家骨干行业发展的关键技术瓶颈问题,带动新兴产业的发展;2016年,科技部发布“十三五”国家科技创新规划,将新型纳米功能材料、纳米光电器件及集成系统、纳米生物医用材料、纳米药物、纳米能源材料与器件、纳米环境材料等的研发作为重大专项进行研究部署。

化学反应产生的自我组合的纳米“花朵”。光明图片/视觉中国

      在各类项目和计划的支持下,我国纳米技术的发展态势良好,已经成为世界纳米技术研发大国,贡献了全球超过三分之一的纳米科技论文,约占全球一半的纳米专利申请。我国的部分基础研究跃居国际领先水平;首次化学合成了具有自主知识产权的新型纳米材料石墨炔,不仅在能源、光电子器件等领域展示出了巨大的应用潜力,在国际上产生了重要影响,且正在全球范围内形成新的研究方向;在国际上首次提出了“纳米限域催化”概念,成功实现了甲烷一步转化直接生产低碳烯烃。这项成果颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的费托路线,被业界誉为“煤转化领域里程碑式的重大突破”,在国际学术界和产业界形成了重大影响;首次合成了性能超越传统硅基的5纳米栅长碳纳米晶体管,将晶体管性能推至理论极限;研发的新型“肿瘤捕手”-多肽纳米材料,实现了对循环肿瘤细胞的高效富集和检测,其性能显著高于国内外同类型材料;首次合成了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,其拉伸强度超越了目前全世界范围内发现的所有其他纤维材料。

      我国已经建立了国际性纳米技术学术据点——国家纳米科学中心,并在苏州建成了大型产官学工业园区-苏州纳米科技协同创新中心,以促进纳米技术的研发及产业化。我国纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模:我国已经成功研发出22纳米及以下集成电路技术研发的工艺平台(全球只有英特尔公司量产);已经建成了世界上第一条真正实现规模化、低成本制备高品质石墨烯的生产线,最近我国还启动了首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件的生产线;已实现40纳米,28纳米系统级芯片工艺的试生产;突破传统版材电解氧化的工艺路线,建成世界上首条无电解氧化工艺600万平方米纳米绿色版基示印刷范线;我国已建成年产达10万平米的超材料板生产线;能大幅降低空气中有害气体的纳米空气净化器已进入实用化生产阶段。

      总之,纳米技术的发展方兴未艾,未来的纳米技术将作为一项通用技术在更多的领域发挥更大的作用。

 

《光明日报》( 2018年06月28日 13版)