納米技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景

梁亨源*

（湛江第一中學(xué)，廣東湛江，524038）

引言

（1）納米材料的性質(zhì)

物質(zhì)在納米尺度下發(fā)生的性質(zhì)變化主要包括小尺度效應(yīng)與表面與界面效應(yīng)。

小尺度效應(yīng)是指物質(zhì)的尺度縮小到納米級(jí)別后，其周期性的邊界條件被破壞，導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生變化，這一效應(yīng)可能體現(xiàn)在物質(zhì)的顏色、導(dǎo)電性、化學(xué)性質(zhì)等上；表面與界面效應(yīng)是指隨著顆粒尺寸的減小，處于表面的原子的比例升高帶來性質(zhì)變化，這些變化主要體現(xiàn)在物質(zhì)的化學(xué)活性的增強(qiáng)上。

（2）納米技術(shù)的發(fā)展

納米技術(shù)的思想最早可以追溯到物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1959年的演講。

1982年，掃描隧道顯微鏡被發(fā)明，這表示著人們終于可以直接檢測到一個(gè)個(gè)原子與分子的位置，為納米技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。

1990年，第一屆國際納米納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國舉辦，這標(biāo)識(shí)這納米技術(shù)的正式誕生。同在1990年，IBM公司就可以完成對(duì)單個(gè)原子的重排，這標(biāo)識(shí)著人們可以將原子排列成他們想要狀態(tài)，納米技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備。

1991年，碳納米管被人們發(fā)現(xiàn)，這是納米科學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)具有應(yīng)用價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，碳納米管的質(zhì)量僅為鋼的六分之一，但其強(qiáng)度卻是鋼的十倍，可以作為高強(qiáng)度纖維使用。同時(shí)由于碳具有導(dǎo)電性，碳納米管還可以應(yīng)用于納米級(jí)電路中。

1999年，納米技術(shù)開始走向市場。

（3）納米技術(shù)的現(xiàn)狀

納米技術(shù)進(jìn)入市場后，世界主要國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略，投入巨資研發(fā)納米技術(shù)。到2003年，納米技術(shù)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面都取得了廣泛的突破。目前納米技術(shù)的研究已經(jīng)開始由納米技術(shù)所需的納米級(jí)儀器、納米材料的基本性質(zhì)等轉(zhuǎn)向由納米材料構(gòu)成的系統(tǒng)的研究。雖然已經(jīng)有很多納米材料走向應(yīng)用，但距離其全面應(yīng)用還有很長的路要走。

1 納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

（1）碳納米管在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

碳納米管是由六邊形排列的碳原子構(gòu)成的多層圓管，有著非常明顯的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，碳納米管中還可以填充其他物質(zhì)來獲得更好的性質(zhì)。

在醫(yī)學(xué)中，各種指標(biāo)的檢測是非常重要的，而利用經(jīng)過修飾的碳納米管可以制成各類生物探測器。如利用殼聚糖修飾的碳納米管可以作為乳酸傳感器，利用核糖酸修飾碳納米管，可以作為生物傳感器。目前利用碳納米管制成的傳感器尺寸小、精度高，可以滿足很多苛刻條件下的應(yīng)用需求。

（2）磁性納米材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

納米Fe3O4粒子是一種典型的磁性納米材料，具有非常優(yōu)秀的磁性質(zhì)，同時(shí)納米Fe3O4本身無毒、具有非常好的生物兼容性。

由于納米Fe3O4粒子可以保持磁性，又具有較好的表面活性，因此其可以在與藥物、抗體、酶等結(jié)合后作為靶向藥物在磁場中實(shí)現(xiàn)靶向定位。

（3）納米機(jī)器人在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

納米機(jī)器人的研發(fā)已成為當(dāng)今科技的前沿?zé)狳c(diǎn)。納米機(jī)器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

中科院國家納米科學(xué)中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮院士課題組與美國亞利桑那州立大學(xué)顏灝課題組合作研制的DNA納米機(jī)器人，利用DNA折紙術(shù)自組織方式來裝載和釋放凝血酶，并在兩端裝載有“雷達(dá)”核酸適配體，實(shí)現(xiàn)靶向識(shí)別和定位功能。這種DNA納米機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)凝血酶在活體內(nèi)的精準(zhǔn)運(yùn)輸和定點(diǎn)栓塞，通過阻塞腫瘤血管的營養(yǎng)和氧氣輸運(yùn)從而“餓死” 腫瘤細(xì)胞，達(dá)到安全高效治療腫瘤的目的。這種技術(shù)對(duì)于包括乳腺原位腫瘤、黑色素瘤、卵巢皮下移植瘤和原發(fā)肺部腫瘤在內(nèi)的多種腫瘤都有良好的治療效果。相關(guān)的論文2018年3月發(fā)表在國際著名期刊《Nature Biotechnology》上。

2 納米技術(shù)在電氣領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 碳納米管在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用

碳納米管可以表現(xiàn)出金屬的良好電學(xué)性質(zhì)，加上其優(yōu)秀的力學(xué)性質(zhì)，碳納米管可以作為導(dǎo)線的材料。碳納米管的超導(dǎo)特性已經(jīng)被研究發(fā)現(xiàn)，如果可以在電網(wǎng)中將碳納米管的超導(dǎo)特性利用起來，加上其密度低、強(qiáng)度高的特性，電網(wǎng)的建設(shè)、維護(hù)、運(yùn)行成本都將顯著降低。

2.2 納米材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

在儲(chǔ)能領(lǐng)域，一些納米材料具有超導(dǎo)特性，可以利用這些材料進(jìn)行超導(dǎo)儲(chǔ)能。另一方面，可以用納米材料制成具有高化學(xué)活性的催化劑，以此來提高化學(xué)電池的充放電速率并降低損耗。

在高能量密度動(dòng)力鋰電池的研究和應(yīng)用上，采用納米技術(shù)來提高儲(chǔ)能材料的能量密度一直是行業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)研究方向之一，近幾年國內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)在這方面的研究取得了一些突破性進(jìn)展。

2.3 半導(dǎo)體量子點(diǎn)在電氣傳感器中的應(yīng)用

半導(dǎo)體量子點(diǎn)是一種由化合物組成的納米顆粒，有極高的表面活性、易與其他原子結(jié)合，具有發(fā)出光子的能力?？梢岳昧孔狱c(diǎn)在不同條件下光化學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)電器設(shè)施進(jìn)行檢測、作為傳感器等。

3 納米技術(shù)在電子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 納米技術(shù)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)可以直接移動(dòng)原子并讀取原子的位置信息，這意味著納米技術(shù)可以作為一種信息存儲(chǔ)技術(shù)，人們可以通過在平面上擺放不同的原子以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再利用掃描隧道顯微鏡等儀器讀取原子的位置以實(shí)現(xiàn)信息的讀取。

如果這種技術(shù)能得到可靠的應(yīng)用，那么計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)元件的信息密度可以顯著升高，同時(shí)人們還可以通過在同一位置擺放不同原子來表示同一地址下的多種信息可能，這意味著如果這項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)用，人們不必再限于二進(jìn)制存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 納米技術(shù)在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用

碳納米管有著優(yōu)良的電氣特性，因此其可以作為微型電路的導(dǎo)線、開關(guān)等。過去半個(gè)世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)性能的提升主要依靠的就是芯片電路尺寸的縮小。當(dāng)前芯片中電路的尺寸依然遠(yuǎn)大于納米尺寸，因此如果納米技術(shù)可以在微電路中得到應(yīng)用，那么當(dāng)前計(jì)算機(jī)的性能將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)質(zhì)的飛躍。

3.3 納米技術(shù)在反偵察方面的應(yīng)用

由于納米材料特殊的電磁性質(zhì)，可以利用納米涂層減少戰(zhàn)斗機(jī)反射的電磁波，以防止其被雷達(dá)檢測到。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在美軍中得到應(yīng)用，美軍戰(zhàn)斗機(jī)正是利用這項(xiàng)技術(shù)得以躲過伊拉克嚴(yán)密的雷達(dá)監(jiān)視。

4 納米技術(shù)可能存在的一些潛在風(fēng)險(xiǎn)

納米技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，雖然帶來許多領(lǐng)域的技術(shù)革新，然而，納米技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，在大多數(shù)人憧憬其美好前景時(shí)，也有業(yè)界專家開始冷靜考慮納米材料及納米技術(shù)可能帶給人類的不利影響。這些不利影響包括人類健康、環(huán)境污染、社會(huì)安全、倫理道德等方面。例如，人們已發(fā)現(xiàn)碳納米管內(nèi)的金屬污染物和柴油的納米顆粒對(duì)健康有不良影響；納米材料制造過程中所產(chǎn)生的工業(yè)排放，以及納米產(chǎn)品用后的回收，也會(huì)帶來污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在納米技術(shù)的應(yīng)用上，我們還應(yīng)該持審慎態(tài)度來看待，其中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)當(dāng)引起人們足夠的重視。

5 結(jié)束語

納米技術(shù)從出現(xiàn)至今二十年以來已經(jīng)取得了令人震撼的進(jìn)步，但是其進(jìn)步空間依然很大，當(dāng)前距離納米技術(shù)的全面應(yīng)用依然有著巨大的距離。如果納米技術(shù)能在醫(yī)學(xué)、能源、信息領(lǐng)域得到全面應(yīng)用可以使當(dāng)前的各種設(shè)施性能取得質(zhì)的飛躍，我們應(yīng)當(dāng)在納米技術(shù)中投入一定資金，確保不在這一新興領(lǐng)域落后于人。同時(shí)由于一些納米材料可能具有毒性或其他危險(xiǎn)性質(zhì)，我們也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督，確保新技術(shù)應(yīng)用于改善人們生活的方面。

[1] 丁大尉,李正風(fēng),胡明艷.新興技術(shù)發(fā)展的潛在風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)治理問題研究[J].中國軟科學(xué),2013(06):62-70.

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[5] 李泓,鄭杰允.發(fā)展下一代高能量密度動(dòng)力鋰電池——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦長續(xù)航動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)院院刊,2016,31(09):1120-1127+971.

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