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神奇的纳米材料

作者:admin 更新时间:2019年06月03日 09:39:34

  我们生活的世界包含了大大小小许多物体,大到高楼、大山、海洋,小到米粒、灰尘,甚至你看不见的细菌、微生物等,本期要登场的,就是咱们看不见的东东——纳米材料。


  作者:罗光富


  纳米是什么米?


  纳米听起来好像某种高级大米,很好吃的样子,但是对不起,纳米不能吃。就像分米、厘米一样,纳米是一种长度单位。我们日常接触到的最小长度单位是毫米,但是毫米和纳米比起来,简直就是长城。我们把一根头发顺着切割成5万片,每片的厚度差不多就是一纳米了。再直观一点说,纳米和米的大小关系就像乒乓球与地球的大小关系。感冒病毒,还有决定我们长相、性别的DNA都是自然界中纳米尺寸的物体。我们将要介绍的纳米材料指的就是那些尺寸在1纳米到100纳米之间的微小物体。


  大家也许听说过心灵手巧的艺术家能在大米上刻字、写诗,然而着名的美国科学家费曼则在1959年提出更为大胆的设想:借助纳米技术,人们也许能在细小的大头针针尖上写下总共24册,每册都和新华字典一样厚的百科全书。


  现在我们拥有了新式显微镜(扫描隧道显微镜),科学家们实实在在地看到了纳米材料。纳米材料的科学研究开始蓬勃发展。


  纳米材料有啥用?


  纳米材料中有一个“明星”就是碳60。它的形状和足球非常相似,所以也被称为“足球烯”。碳60的其中一个特点是十分光滑,因此人们将它制造成高级润滑剂,用于减少汽车发动机的磨损。


  碳60还有两个“同胞兄弟”:一个叫碳纳米管,另一个叫石墨烯。与圆乎乎的碳60不同,碳纳米管非常细长,而且十分结实。如果把众多的纳米碳管“捆”在一起,做成绳子,那么它将比相同粗细的钢绳结实5倍,而重量却仅仅是钢绳的1/5。目前,碳纳米管已被用于制造更轻、更结实的网球拍和飞机机翼。科学家们甚至还设想利用纳米碳管做成的绳子来实现连接地面和太空站的太空电梯。而石墨烯的特点是非常非常薄,且有许多像蜂窝一样的六边形孔。由于电流通过石墨烯的速度非常非常快,所以科学家正研究用它来制造更快、更节能的电脑CPU。


  听起来纳米材料好像很高端的样子,它们是科学家手中的玩具,但是和咱们普通人有什么关系呢?实际上,纳米材料正悄悄地进入我们的生活,也许有一天,我们会离不开它呢!


  科学家研究出像荷叶一样出淤泥而不染的纳米涂料,把它涂在雨衣上,会让雨衣绝对不湿,而且只需要轻轻跳一下,马上全干!


  还有纳米材料制作的玻璃,在洗澡时不会被热水蒸气弄模糊;纳米陶瓷制成的杯子,掉在地上也不摔坏;把银的纳米颗粒加入袜子中,就可以起到去臭味的效果,把它敷在伤口上,还能帮助伤口愈合。


  随着对纳米材料的深入研究,一定还会出现更多以前只能在科幻小说中才会出现的神奇物品,让我们拭目以待吧!


  纳米材料为啥不一样?


  纳米材料之所以有许许多多奇异的性质,主要是由于物体只有纳米大小时,我们现实中的物理规律会失效,所有的物体将遵循我们通常无法体验到的物理规律:量子效应。就像我们所生活的世界和纳米材料所“生活”的微观世界是两个不同的国家,各自遵循着不同的规则,但是一旦把纳米世界的东西放到我们的世界中,就会觉得非常奇特。想想看,把咱们国家的国宝熊猫给一个从没见过的外国人看,他是不是会觉得非常吃惊呢?


  怎么研究纳米材料?


  科学家研究纳米材料的方法主要有三种。第一种方法称为纯理论研究。科学家们使用纸和笔推导各种理论模型,得出有用的公式。这比较类似数学课上的求解问题。南于纯理论研究通常不需要什么研究设备,所以纯理论科学家有时被戏称为将食物变成各种公式的机器。着名的科学家爱因斯坦,以及华裔科学家杨振宁、李政道就是做纯理论研究的。


  第二种方法称为实验研究。这类似于物理课和化学课上做实验。科学家们首先采用各种物理和化学方法制备出纳米材料,然后使用各种仪器,比如透射电子显微镜、光谱等研究材料的性质。着名的发明家爱迪生就是实验科学家。


  第三种方法称为计算研究。科学家选择好模拟条件,然后使用大型计算机帮助解决问题。由于计算研究方法省钱省力,并且能解决许多纯理论方法和实验方法难以解决的问题,世界各国都在大规模组建超级计算机。我国上海的“魔方”超级计算机,现在能达到每秒200万亿次的计算速度,拥有约2.5万个计算核心。相比之下,目前一般家庭电脑只有一个或两个计算核心。