圖①：“太空電梯”創(chuàng)意圖。

資料圖片

圖②：碳納米管示意圖。

影像中國

“實現(xiàn)原子級特征尺度與可重構(gòu)光頻相控陣的納米激光器”入選2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，我國科研團(tuán)隊研發(fā)的納米機(jī)器人可為患者清除血栓……小小納米，潛力無限，在微觀世界迸發(fā)推動科技發(fā)展的動能。

從我們身邊應(yīng)用荷葉原理制作的防水涂層服飾，到納米藥物、納米傳感器等，納米科技正在各個領(lǐng)域里“以小博大”、改變生活。未來，納米功能材料還將助力“太空電梯”等科幻場景變?yōu)楝F(xiàn)實。本期“瞰前沿”，讓我們走進(jìn)納米小世界，看見更加廣闊的科技未來。

——編  者

微觀“精靈”

展現(xiàn)驚人性能

在劉慈欣的科幻小說《三體》中，名為“納米飛刃”的神奇材料令人印象深刻——一種極其纖細(xì)的透明絲線，能夠輕松將一艘巨輪切割成無數(shù)薄片。這看似科幻的情節(jié)，其實離我們并不遙遠(yuǎn)。納米功能材料——這一微觀尺度上的“精靈”不僅活躍在科技前沿，也在改變我們的生活。

納米是一個長度單位，1納米等于十億分之一米。物質(zhì)被“切割”到納米級別時，會展現(xiàn)出與宏觀尺度時截然不同的特性。原本導(dǎo)電的金屬深入到納米尺度后，會逐漸變成半導(dǎo)體進(jìn)而變成絕緣體；當(dāng)尺寸進(jìn)一步減小時，表現(xiàn)出量子效應(yīng)，又變成了導(dǎo)體。在微觀世界里，納米功能材料會呈現(xiàn)宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等神奇性質(zhì)。

科幻源自現(xiàn)實，《三體》中的“納米飛刃”，有自己的原型——碳納米管。這種由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度是鋼的100倍，卻比碳纖維還細(xì)。目前的碳納米管，雖然無法像小說里描述的那樣成為削鐵如泥的利器，但在實驗室里，我國科學(xué)家研發(fā)的單根結(jié)構(gòu)完美的碳納米管纖維，可以吊起一頭成年亞洲象；在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，利用流化床技術(shù)，工廠里已經(jīng)生產(chǎn)出用于新能源車的萬噸級多壁碳納米管導(dǎo)電漿料；未來，利用碳納米管，還可以制造碳基芯片、工業(yè)催化劑、顯示屏、X射線管等。

其實，納米功能材料也并非全是人工合成，在大自然中也有這些微觀“精靈”的身影——荷葉表面的納米級乳突結(jié)構(gòu)，能夠讓水珠滾落時不留痕跡；蝴蝶翅膀能隨光線變化呈現(xiàn)不同色彩，也是因為翅膀上的納米結(jié)構(gòu)；我們牙齒表面的牙釉質(zhì)，也是由納米級的羥基磷灰石晶體構(gòu)成，這使得牙釉質(zhì)具有極高的堅固度和耐磨性……這些天然納米功能材料，在漫長的歷史進(jìn)化中展現(xiàn)出驚人性能。

特性“變身”

在納米尺度施展“魔法”

當(dāng)物質(zhì)維度縮小至納米量級，仿佛被施加了某種“魔法”，其固有屬性會發(fā)生顛覆性變化，這種由尺度劇變引發(fā)的奇異現(xiàn)象，既為科研探索打開新維度，也為技術(shù)應(yīng)用開辟新路徑。

物質(zhì)本征特性的變化在聲、電、光、磁、力等方面都很顯著。例如，在宏觀尺度下，金需要1064攝氏度高溫方能熔化，在其粒徑縮減至2納米時，其熔點竟驟降至約327攝氏度，這為冶金工藝節(jié)能增效提供了全新思路。光學(xué)性質(zhì)的重構(gòu)更具視覺沖擊力——宏觀尺度下，銅呈現(xiàn)典型的紫紅色金屬光澤，在納米尺度下竟然變?yōu)樯铄涞暮谏?。除了變色，原本化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬銅，在納米化后具有自燃特性，呈現(xiàn)前所未有的反應(yīng)活性。

特性“變身”，正改寫多個領(lǐng)域的技術(shù)范式。經(jīng)特殊處理的納米活性炭，其比表面積較傳統(tǒng)材料實現(xiàn)數(shù)量級躍升，吸附容量增長10倍以上，成為凈水系統(tǒng)中重金屬與有機(jī)污染物的“捕手”；基于納米隱身涂層，可在特定頻段實現(xiàn)雷達(dá)波的隱身，在國防安全領(lǐng)域有重要作用。

在納米尺度構(gòu)筑功能結(jié)構(gòu)，研究人員需依賴原子力顯微鏡、聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)等尖端設(shè)備，在埃米級精度下實現(xiàn)材料組裝。當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入納米王國，其展現(xiàn)的奇異特性正在催生一批顛覆性技術(shù)，驅(qū)動人類認(rèn)知與工程實踐向更微觀尺度的縱深挺進(jìn)。

日常應(yīng)用

多個領(lǐng)域大有可為

納米功能材料并非擺在實驗室里的“花瓶”，它們正在各個領(lǐng)域大顯神通。

當(dāng)納米科技與醫(yī)療領(lǐng)域深度融合，人類對抗疾病就有了新“武器”。納米藥物如同精確制導(dǎo)導(dǎo)彈，通過表面修飾的靶向分子精準(zhǔn)識別癌細(xì)胞特有的生物標(biāo)記物，將藥物直接輸送至病灶核心。在臨床中，淋巴示蹤劑以納米活性炭為基底，能在術(shù)前清晰勾勒出腫瘤邊界，為外科醫(yī)生提供三維導(dǎo)航；而納米脂質(zhì)體包裹的化療藥物，則能突破腫瘤血管屏障，在靶區(qū)將藥物濃度提升數(shù)十倍，顯著增強(qiáng)療效的同時降低全身毒副反應(yīng)。實驗室里的納米機(jī)器人更具未來感，可以用于血液循環(huán)系統(tǒng)巡航，實時清除血管沉積物，甚至對受損細(xì)胞進(jìn)行納米級手術(shù)修復(fù)，為癌癥治療開辟全新范式。

能源領(lǐng)域，鋰離子電池中碳納米管構(gòu)建的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為電極材料獲得電子帶來一條“高速公路”，充電速度以指數(shù)級提升。不僅如此，納米改性電池還可以通過石墨烯散熱涂層在冬天實現(xiàn)熱量二次利用，突破續(xù)航瓶頸。在安全防護(hù)方面，納米隔熱涂層具有熱屏障性能，即便電池遭遇極端熱失控，也能維持15分鐘左右的結(jié)構(gòu)完整，為車禍逃生爭取寶貴時間。

納米尺度上的信息產(chǎn)業(yè)也大放光彩：當(dāng)光刻機(jī)突破2納米工藝節(jié)點，指甲大小的芯片內(nèi)晶體管數(shù)量突破百億大關(guān)，算力洪流驅(qū)動著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域跨越式發(fā)展，與之并行的納米傳感器技術(shù)，正將環(huán)境監(jiān)測與健康管理推向?qū)崟r精準(zhǔn)的新階段。

未來應(yīng)用

重塑人類探索的邊界

納米功能材料擁有廣闊的應(yīng)用前景，納米技術(shù)正在重塑人類感知與探索的邊界。

在AR（增強(qiáng)現(xiàn)實）領(lǐng)域，納米光波導(dǎo)技術(shù)正將科幻場景變?yōu)楝F(xiàn)實。AR眼鏡采用納米級光波導(dǎo)鏡片，重量僅幾十克卻擁有超過80度的視場角，透過鏡片，用戶可體驗信息獲取、導(dǎo)航、翻譯等功能。鏡架上集成的納米天線陣列，在厘米級空間內(nèi)構(gòu)建起高速通信通道，使設(shè)備擺脫線纜束縛，真正融入智能生活場景。

智能穿戴設(shè)備在納米技術(shù)加持下正突破形態(tài)與能源限制。納米柔性屏采用可拉伸的銀納米線電極，使智能手表能像皮膚般貼合腕部；納米發(fā)電機(jī)技術(shù)利用氧化鋅納米線在機(jī)械形變中產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，可以將人體運(yùn)動能轉(zhuǎn)化為電能。

當(dāng)人類將目光投向星辰大海，納米材料展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用潛力。碳納米管構(gòu)成的太空電梯纜繩，理論強(qiáng)度可達(dá)鋼材的百倍，使未來低成本天地運(yùn)輸成為可能。而納米防護(hù)層技術(shù)則為航天器披上了“鎧甲”：納米氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)既能阻隔太空極低溫，又能耐受返回艙再入大氣層時的超高溫；納米復(fù)合涂層通過多層界面反射機(jī)制，將宇宙輻射劑量降低3個數(shù)量級，為深空探測生命保障系統(tǒng)提供關(guān)鍵解決方案。

從日常穿戴到探索太空，從《三體》中的“納米飛刃”到現(xiàn)實中的納米機(jī)器人、納米電池等，納米功能材料正在以驚人的速度改變著我們的世界。讓我們期待，這些微觀世界里的“魔法道具”，能帶來更多驚喜！

（作者為國家納米科學(xué)中心成果轉(zhuǎn)化處處長、正高級工程師）

學(xué)術(shù)支持：中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、國家納米科學(xué)中心