神奇的纳米世界

　　纳米是新闻吗？当然不是。纳米有新闻吗？当然有！中科院开发出新型纳米结构材料，为下一代核电装置结构材料的设计提供了思路；中科大开发了一种微型“纳米航母”药物递送体系，实现更加精准有效地抗肿瘤药物递送；一种拥有纳米涂层的新纺织品问世，能利用光进行自我清洁；纳米技术解决印刷难题……近期，关于纳米的新闻刷屏科学界。今天，让我们一起来探索神奇的纳米世界。
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　　纳米是种什么“米”

　　如果说20年前，许多人还会为“纳米是一种什么米”而迷惑不解，那么今天，一个初中生甚至小学生都知道，纳米（nm）当然不是任何一种食物，而是一个很小的长度单位，和微米（μm）、毫米（mm）、厘米（cm）、分米（dm）、米（m）、千米（km）是同一个家族，1nm=10-3μm=10-9m。形象地说，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是1nm。人的红细胞直径大概是6~9μm，可见光的波长是几百个nm，病毒的大小约是几十个nm，DNA分子直径约为2nm。更有意思的数据是，男性的胡须大概每秒钟会长长5nm。

　　这个以纳米为尺度来描述的空间，我们不妨称之为纳米世界。研究纳米世界中物质的运动变化规律的科学就是纳米科学，而实现人类对纳米世界的改造目的的技术就是纳米技术。当一种材料，在其三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围时，就可以称之为纳米材料。

　　纳米世界的物质，不仅尺度纳米化，而且拥有许多与宏观体系、微观体系不同的特殊性质和有趣现象。比如，我们看到的金子是黄色的，但如果将金块纳米化，随着尺度的减小，金子就会陆续变成红色、紫色、蓝色直至变成黑色；再比如，银是导电性能最好的金属之一，但纳米化的银则是不折不扣的绝缘体。
 
　　纳米材料当然也有着不同于常规材料的优越性能。利用纳米粒子制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点；经过纳米改造的金属陶瓷，韧性、强度和硬度可以得到极大的提高；纳米催化剂具有很高的催化活性，而且具有无细孔、杂质少、能自由选择组分、条件温和等一系列优点。

　　纳米世界的神奇远不止如此，在纳米尺度下，材料可以被组装成各种有趣的形状，并具有不同的性能。如以C60、C70为代表的纳米碳球，与常规碳的同素异形体金刚石和石墨结构完全不同，物理化学性质非常奇特，如电学性质、光学性质和超导特性等。近年来新发现的纳米碳管也是如此。

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　　大自然中的纳米景观

　　造化之大，无奇不有。人类从自然中走来，许多认识也是植根于自然。纳米科技虽然诞生在实验室，但实际上，大自然中处处都有它的身影。为什么会有“苍山如海，残阳如血”的壮丽，为什么会有“蜂飞蝶舞”的斑斓，为什么会有“出淤泥而不染”的高洁，为什么会有“飞檐走壁”“凌波微步”的神通，为什么会有“请君入瓮”的诡诈……这些都与纳米有关。

　　周敦颐的《爱莲说》中以“出淤泥而不染”赞美莲花的高洁，而造就莲花君子之名的正是其独特的纳米结构。莲叶表面有一层由高分子角质和脂质构成的表面蜡，使之具有超疏水性，而叶面上细小的乳突结构上有纳米级的纤毛，使叶面具有超低的表面能，从而使水珠不能沾附在莲叶上。而使得莲花不受污泥之害的另一个重要原因是其表面为纳米级结构，不仅空隙尺寸小，而且十分致密，不易沾惹尘埃。

　　同样拥有这种本领的还有水黾，足部的纳米颗粒组织具有超疏水性的表面，即使一条腿就能支撑其体重的15倍之多！真正练就了“凌波微步”的盖世神功。

　　鸭子的羽毛上也有纳米尺寸的防水结构，加上它独特的蹼，也算是“铁掌水上飘”的一代宗师。

　　而拥有另一门功夫“飞檐走壁”的壁虎，也是将纳米技术运用得炉火纯青的大师。它脚趾的皮瓣上分布着几十万根角质毛发，每根毛发尖端有几百根的匙突，壁虎正是依靠这些匙突与墙壁间的范德华引力在墙上来去自如的。蚂蚁算作壁虎的同门，它可以站在天花板上扛起百倍于自身体重的物体而不掉落，依靠的也是足部的纳米结构。

　　纳米结构不但可以疏水，也可以形成亲水表面。猪笼草在捕食昆虫时，“口袋”边缘有水存在时才会变得光滑，从而使其上的昆虫成为腹中美餐。为了保持湿润，猪笼草的边缘上有许多凹槽，而在纳米尺度上观察，凹槽里还有凹槽存在，形成了超亲水表面，这种结构甚至可以使水逆重力流动，并沿自己铺展开。

　　此外，自然界还拥有最强的纳米纤维——蜘蛛丝。一条蛛丝是由数十到数百条纳米结构的蛋白质纤维缠绕而成。蛛丝虽细，但承受的张力可达3克重，即使拉伸10倍以上也不会断掉，它的强度是同样粗细的钢丝的5倍，是强度最大的天然高分子化合物。

　　还有一个比较有意思的例子。许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌、蜜蜂、螃蟹、海龟、人的大脑等。亿万年前的螃蟹第一对触角里也有几颗用于定方向的纳米微粒，就像是几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了有趣的横行。

　　自然界在38亿年的进化中，已经将纳米技术运用得精巧无比，有一些是人类目前所望尘莫及的。纳米结构的存在不仅让自然界变得丰富多彩，也在仿生学上给了人们许多的启示。

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    纳米科技改变生活

　　纳米科技如此神奇，如果能为人类所掌握，并让纳米产品全面走进我们的生活，该是多么美好的事情！实际上，中国古代人很早就有与纳米材料打交道的记载。比较典型的是古代的铸剑大师们，在铸剑时把头发、指甲或骨骼加入到钢中，提供了钢种缺乏的矿物质或金属，经过连续的敲打，铸成的剑就具有纳米结构，不但不会生锈，而且坚硬无比，削铁如泥。甚至有的铸剑师如传说中的干将莫邪，不惜生命，以身伺剑，诚为痴者。

　　而人类制备纳米材料的历史也至少可以追溯到一千年之前。当时的中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成炭黑，作为墨的原料或着色染料，现代科学家将其誉为最早的纳米材料。著名的“徽墨”即属此类。

　　中国古代的铜镜表面防锈层是由SnO2纳米颗粒构成的薄膜。当然，那个时代的人们没有纳米的概念，也并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。

　　在科学技术迅猛发展的今天，我们可以说，21世纪是纳米时代，纳米材料的使用会使我们生活、工作、学习的各个方面发生质的飞跃。
 
　　最先受到影响的，当然是我们的衣食住行等方面。通过加入具有特殊性能的纳米金属离子、金属氧化物，可以纺出抗菌纤维、抗紫外纤维。在合成纤维中加入纳米级SiO2可制得高介电绝缘纤维，能够有效减少用电设备周围的电磁波对人体的心脏、神经，尤其对孕妇、胎儿的危害。

　　比较有意思的是，纳米光敏染料对各种不同波长的可见光敏感，因此可以感知周边环境的颜色并作出相应的调节，同时改变自己的色泽，变成与周边环境一致的保护色。利用它的这种特性，将这种光敏染料植入纤维内部，制成的服装就具有了可以调节成与周边环境一致的隐身功能。

　　纳米材料也应用在食品的包装和检测方面。例如在传统的抗菌保鲜膜材料中加入纳米银或者纳米TiO2，可塑性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等都会得到显著提高。
 
　　在装修房子的时候，很多人会为新宅的刺激性气味头疼不已，纳米TiO2涂料完全可以解决这个问题。除了拥有比常规涂料更优异的性能外，它还具有净化空气、除臭甚至杀菌的功能，对枯草芽孢杆菌、黑色变种芽孢杆菌的杀灭率达到99.8%。

　　此外，纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米ZnO等在建筑涂料、绝热材料和新型混凝土改性剂中都有广泛的应用前景。

　　2005年环法自行车赛上，瑞士Phonak队的运动员骑着车架中含有碳纳米管的自行车参与比赛，这一款名为ProMachine的自行车车架重不到1千克，并且具有很好的刚性与强度。此车架的组件中只有五通主轴为铝合金，其余皆采用含碳纳米管的新材料。怎么样，够拉风吧？

　　21世纪是信息时代，纳米技术则是信息技术发展的基石。我们使用的电脑和智能手机的CPU能够更新换代，离不开纳米技术的不断发展。CPU的制造工艺已由0.18μm向0.13μm甚至0.09μm进军。此后，CPU制程从45nm（2007年）、32nm（2009年）、22nm（2012年）一直发展到目前的14nm（2014年）。据悉，英特尔下一代CPU将采用10nm制程。而在2015年7月，IBM公司则宣称研制出了第一款采用7nm制程的芯片处理器，有望实现对英特尔的弯道超车。手机芯片的发展也大致相同。韩国三星宣布，将于2016年底实现10nm芯片制造工艺的规模化应用。

　　纳米科技不仅会改变我们的个人生活，也将参与绿色能源、节能减排、环境保护、太阳能开发等一系列社会生活。

　　纳米催化剂可以迅速有效地净化汽车尾气，处理空气污染，包括含硫化合物、含氮化合物、一氧化碳和二氧化碳以及易挥发有机物。

　　而在污水处理中，以纳米TiO2为代表的光氧化催化剂也大有作为，只需利用光照即可氧化分解污水中的有机物，比如染料、染料中间体等。美中不足的是，目前这一过程还需采用紫外光照射，无法充分利用太阳光中的可见光部分，科学家们正在研究如何高效利用可见光对有机物进行氧化降解。可以想象，假如这项技术能够走向工业应用，只需要有太阳光照，就可以轻松廉价地处理有机废水，这对于我们的环境保护有着重要的意义。

　　对太阳能的有效利用一直是人类新能源开发的梦想之一，光解水无疑是最理想的途径。我们知道，氢气是一种很清洁高效的能源，它的燃烧产物是水，对环境没有任何污染，燃烧热是同等质量汽油的3倍多。而水电解后的产物是氢气和氧气，如果我们能够利用太阳能实现水的分解，那么这个完美的循环将使人类的能源危机不复存在。纳米光催化剂则是最有希望实现这一过程的使者。

　　碳纳米管自行车 

　　纳米保鲜膜

　　纳米陶瓷刀

　　纳米芯片

　　纳米薄膜手机

　　纳米医学机器人

　　纳米雨伞

　　纳米织物