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关注·走进科技新时代⑧:纳米世界有多神奇?

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国内首片15英寸单层石墨烯日前在重庆问世。图为研究人员在弯曲的单层石墨烯触摸屏上测试书写功能。

当我们“俯瞰”这个世界的时候,看到的是,将树木制成纸张,将石头刻成雕像,将钢铁铸成铁轨。那么当我们站在“底部”仰望这个世界呢?是否可以从单个分子甚至原子出发,将它们按照自己的意愿组装成一片纸、一粒沙甚至一片森林?

在纳米的世界里,回答是肯定的。这起初只是科学家的一个梦想,但如今这个梦慢慢开始融入现实生活。

纳米技术从上世纪90年代中后期开始被炒得红红火火,到21世纪初慢慢冷却,到现在又重新频繁出现在人们视线中,“纳米”的世界到底有何变化?

纳米是一个计量单位,纳米尺度的物质其实并不稀有,我们日常每天都与它们亲密接触。

让人畏惧的PM2.5,其中就有许多纳米级的颗粒,凭借微小身躯可以侵入我们的肺部。高防晒指数的防晒霜中普遍都含有纳米二氧化钛、氧化锌微粒,因为这些纳米微粒对在300—400纳米波段的紫外线有强吸收作用。

还有著名的中国国家大剧院的穹顶,如果北京的雨水多一些的话,它能看起来更光亮。因为它是由超亲水、光催化等性能的纳米自清洁玻璃和自清洁钛板组成,表面污垢易被雨水清洗掉。

纳米有多大?如果将一纳米和一米比较,就好像是高尔夫球和地球作比。一根发丝的直径就能有8万纳米。将10个世界上最小的原子——氢原子排列成一条线,就是一个纳米的长度。

1到100纳米这个微小的特定区域,被科学家们称为纳米尺度。虽然我们日常就能亲密接触纳米级物体,但是它们焕发的神奇特性却不平常。

在纳米尺度下看世界,景观将会天翻地覆。纳米级的金子还是金灿灿的么?事实上,所有的金属在纳米尺度下都呈现出与宏观尺度不同的色彩,尺寸越小,颜色愈黑。

石墨片容易分层,当石墨片被剥离到仅有一个碳原子的厚度成为石墨烯后,就具有了超出钢铁数十倍的强度。

原本导电的铜加工到某个纳米尺度就不导电。而绝缘的二氧化硅等,在某个纳米尺度时开始导电。

为什么会有这样的逆转?因为当球形颗粒的尺寸越来越小,它的表面积与体积的比就会越来越大,量变到一定程度就会引起颗粒性质的质变。比如当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,就失去了反射原有富贵的光泽的能力而呈现出五颜六色。

“一些并不活泼的金属在纳米尺度时,会变得非常活泼,比如非常容易引起爆炸。”国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩告诉记者。

打个并不非常准确的比方帮助理解,在金属颗粒较大时,金属原子簇拥在一起,活动受限,“伸个懒腰”也很困难,而当到纳米尺度的时候,原先被束缚的化学键就能伸展开“胳膊”,金属原子活泼的天性就被释放出来。

这种物质在纳米尺度下产生的奇异的物理、化学特性就被称为纳米效应。而在纳米尺度范围里研究物质的特性和相互作用,包括那个对原子、分子的操纵来组合物体的梦想,如今已经形成一门新学科——纳米科技。

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