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我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上?

2021-03-24 09:50
陈述根本
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文/陈根

1959年12月,物理学家理查德·费曼以“在微小等级操纵和控制事物的问题”为主题发表了名为“底部充足的空间”的演讲。在那次的演讲中,费曼不满足于在针头上刻字母的技术,进一步提出:“我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上?”

就是这个在当时看似难以实现以至于并没有引起过多关注的想法,成为了纳米技术最早的科学预测,并从根本上开启了纳米技术有意识地科学发展的序幕。1990年,Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子,首次操纵原子写出“IBM”,实现了费曼的设想。

当前,纳米技术经过数十年的发展,已经蔚然成风。纳米技术作为微纳尺度上的创新性技术,能够制造出具有高度柔韧性、导电性、耐用性的新材料。其所使用的纳米仪器和制备的纳米颗粒也使科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变。

陈根:把百科全书写在针头上——纳米技术使能生产未来

从长度单位到技术可能

作为长度单位的纳米,并不让人陌生。纳米是一米的十亿分之一,一个分子和DNA是 1 纳米,一根头发是75000纳米,注射用的针头就是 100 万纳米,而一个身高2米的篮球员运动员则能达到 20 亿纳米。

当材料的三维尺寸中某一维的尺寸达到了纳米级,在 0.1 到 100 纳米之间,具备这样特征的材料就可称之为纳米材料。并且,在纳米尺度上,材料会呈现出与宏观尺度上完全不同的物理学、化学和生物学特性。

比如,在常规的化学反应中,键使原子结合,反应物保持在促进最低自由能的精确方向,每一种反应物都具有不连续的能量。在化学反应中发生的原子的重新排列总是伴随着热的释放或吸收,断裂键吸收能量,形成键则释放能量。

在纳米尺度中进行相同的反应时,反应物可以利用“分子机器”通过输送带上的夹具保持精确方向,在适当角度和力量下结合在一起。输送带随着反应的发生而移动,将达到每秒催化超过100万次的反应。

事实上,纳米尺度上展现的不同特性早在远古时期就已有记录。只不过,当时虽然已经得到一些应用,但并未形成学科。公元前6世纪的莱氏杯(Lycurgus Cup)就是古代工匠在杯子制作材料中加入胶体金和银纳米颗粒,在光照作用下,使得杯子颜色可以从绿变红。莱氏杯现存大英博物馆,也是目前发现最早的纳米技术应用。

显然,尺度的缩小使纳米物质呈现出既不同于宏观物质也不同于单个孤立原子的奇异特性,在这一科学发现基础上,纳米技术应运而生。

纳米技术是对100纳米以下的物质进行探索和控制的技术,在一定的空间内操纵原子和分子,对材料进行加工,制造具有特定功能的器件。事实上,为特定功能而设计的分子一直是现代化学中的一部分。但纳米技术与化学不同,它不仅仅局限于溶液中分子和离子之间的吸引和结合。

也就是说,一旦“自下而上”的具体过程(创建原子级的精确结构)制定出来,那么新型纳米机械和纳米制备系统的设计将非常相似于跟机械工程——既可以应用于单个小型部件,也可以应用于大型系统。

科技革命为人类的生产和生活提供了新工具——纳米科技则通过纳米尺度的精准操作,调控物质的属性,赋予纳米材料理想的机械、化学、电学、磁学、热学或光学性能,使这些新型纳米材料在传统和新兴工业制造领域得到广泛应用。

陈根:把百科全书写在针头上——纳米技术使能生产未来

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