由华中科技大学材料学院谢长生教授等人研制的金属纳米材料,最近上演了一曲“孔雀东南飞”。谢教授等人从1993年开始研究只有头发丝1/7000细的金属纳米材料。他采用激光加热使金属蒸发而获得金属纳米微粒。这种新方法在国际处于领先地位,已申请了国内及国际专利。金属纳米材料用途十分广泛,涂在飞机上,可躲开雷达监视;用于制造电脑硬盘,储存容量可提高10倍;加入塑料中,塑料便可“杀死”细菌……每一项都可能形成十分庞大的产业。可当谢教授找到几家有实力的武汉企业时,却遭到拒绝。因为该项目技术当时还处于实验阶段,需大批资金进行中试,显然,短期内不能获得效益。正当谢教授为技术找不到“婆家”发愁时,深圳尊业公司却主动找上门来。去年10月,该公司决定投资1000万元进行中试。 这样的遭遇其实可能就是纳米真实状况的反映。纳米是前一时期较热门的话题。人们不禁要问:纳米到底是什么?纳米时代是否已经真正来临?纳米概念是否是新一轮市场热点?纳米热中有无泡沫成分?
“纳米”是英文namometer的译名,是一种度量单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。1982年扫描隧道显微镜发明后,便诞生了一门以0.1至100纳米长度为研究对象的前沿科学,这就是纳米科技。纳米技术以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
纳米技术之所以重要,是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时,其物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化,主要表现在强度、韧性、比热、导电率、扩散率、磁化率以及对电磁吸收性发生巨大变化等。因此,利用纳米技术选定原子构成分子,制造出各种各样具有“特异功能”的新材料,将这些功能特异的新材料添加到产品中,从而使产品表现出意想不到的新性能。
纳米技术能够广泛应用于材料、机械、计算机、半导体、光学、医药和化工等众多领域。纳米技术一方面可以使大型机器设备微型化,如在计算机硬件方面,可使量子元件代替微电子器件,从而使巨型计算机成为“掌中宝”;在计算机软件方面,正如今年年初克林顿总统宣布为美国纳米技术研究拨款50亿美元的讲话中所说:“请大家想象,整个国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小的芯片中。”这多么令人惊奇。人们还可以利用纳米技术制造出蜜蜂大小的可控飞机,像米粒大小的汽车,比头发丝还要小的马达,世界上还将出现1微米以下的机器甚至机器人等等。
另一方面,可以利用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊的材料,从而表现出新的性能,如可以使易碎的陶瓷变得具有韧性,达到类似于铁的耐弯曲性,或具有特殊的刚性,从而制成防弹装甲车,产生导弹滑落或弹回去的奇迹。在纺织品中添加具有灭菌和自动消毒的纳米材料便可以制成具有保健功能的布料;在护肤化妆品中添加具有美容保健功能的新材料,就可满足人们的爱美之心。仅就涂料来说,将使用纳米技术制造出来的硬度极强的涂料涂在刀具上,机械工人就不会因刀具不锋利而苦恼了;将抗磨的涂料镀在玻璃和眼镜片上,玻璃和镜片再不会有划痕;将抗热又抗压的涂料涂在建筑物的玻璃墙上,不仅抗压,而且可以防火。将纳米技术制成的特殊材料添加到电缆中,电缆就可以自动报警,像莫斯科电视塔大火就可能防止。纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径,可以使药物进入人体后主动搜索病灶或修补损伤组织,使用纳米技术的新型诊断材料只需少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。1999年全球纳米技术的年产值已达到500亿美元,预计到2010年将达到14400亿美元。
其实,纳米技术已经悄悄渗透到我们的衣、食、住、行等日常生活的各个方面。应用纳米技术与纳米材料,可以制成抗菌冰箱、抗菌洗衣机等。现在,应用纳米技术与纳米材料的无菌餐具、无菌扑克牌、无菌纱布等产品也已面世。如果食品制造中采用纳米技术,可以帮助我们提高肠胃吸收能力。
纳米热可以追溯到80年代。自80年代以来,科学界兴起一股纳米热。纳米的无限美好的应用前景,使得世界许多国家的科学家不约而同地断言:纳米技术将推进人类科学技术步入一个新的时代———纳米科技时代。纳米材料已经在电子、化工、通信、环保等领域应用。在医药领域,包括我国在内的科学家正将纳米技术应用于靶向药物、纳米机器人、纳米生物芯片等。1991年人类发现了碳纳米管,这是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管,管直径一般为几个纳米到几十个纳米,管壁厚度仅为几个纳米,像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小,5万个并排起来才有人的一根头发丝宽,实际上是长度和直径之比很高的纤维。
进入90年代后,许多国家先后投入巨资组织力量竞相加紧研究纳米。美国自1991年开始,把纳米技术列入了“政府关键技术”,每年为此拨款3500万美元作为重大研究经费开支。日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划,1995年又将其列为今后10年开发的四大基础科技项目之一。德国在1993年提出了今后10年重点发展的9个领域关键技术,其中4个领域涉及纳米技术。欧盟在1995年发表的一份研究报告预测,今后10年内,纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的第二大制造业。为了保持在纳米技术方面的领先地位,日本政府科学技术会议已决定,将于近期在其政策委员会里设立“关于在战略上推进纳米技术的恳谈会”。这一新设的专门机构主要负责研究和制订今后日本纳米技术研究开发的重点课题以及实行“产官学”联合攻关的具体方针政策。日本通产省决定从明年起实施为期7年的“纳米材料工程”计划,将就精密和自由地控制高分子的分子结构、极微粒的高效率合成与加工、在高纯度金属里添加微量元素以创制新材料等基础性技术进行研究开发。为了便于企业利用这些科研成果,该计划还将建立纳米材料数据库及制订有关的标准。另外,日本科技厅还计划在明年设立“纳米材料研究中心”。该中心研究开发课题集中在制造新的电子元器件和能源方面,其中包括使用精微加工技术制作低电耗、高性能的半导体元件,研制高效率的太阳能电池用材料以及高效率净化大气和水质的环保材料等。
中国在纳米技术的研究领域几乎与国际上最先进水平同步。90年代初,科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院就将纳米技术研究列入了攀登计划项目和相关的重大、重点项目,去年科技部又启动了有关纳米材料的国家重点基础研究项目,投入的基础研究与支持资金已达数千万元。目前,中国已经建成了几个纳米技术研究基地。中科院、北京大学、清华大学等单位已形成了一支支从事纳米技术研究的队伍,并在国际上取得了一系列令人瞩目的成果,个别方面甚至走在了世界最前沿。我国科学家在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能———室温下的超塑性:纳米铜“能屈能伸”达50多倍而“不折不挠”。在深圳召开的国内首届纳米生物医药学术研讨会上,深圳安信纳米科技控股有限公司宣布利用纳米技术研制生产出“广谱速效纳米抗菌颗粒”,并以此为原料成功开发出纳米医药类产品。中科院化学所最近研制出不粘油水的神奇“纳米布”。这些都意味着这项技术将给我们的生活带来革命性的变化。
据统计,在我国以纳米技术为基础的企业已有100家,10多条纳米生产线已投入生产或正在开发之中。
毋庸置疑,纳米技术是一项革命性的技术。但由此断言纳米时代已经来临,恐怕还太乐观了一些。无论是国内还是国外,纳米仍是一门前瞻性、战略性、基础性的科技,目前仍集中在基础研究方面。科学家认为,纳米技术从本质上来说是用原子重新构造物质的技术,虽然90年代初科学家已经成功搬动原子,但离自如操纵原子还很远。像基因组技术一样,纳米技术还有很长一段路要走。“我们必须冷静地看待纳米科技。”中科院副院长、纳米研究首席科学家白春礼院士说,“尽管纳米技术已经走入百姓的生活,但是纳米科技要像信息技术一样产生广泛而深刻的影响,那将是二三十年以后的事情。”
即使是那些较为成熟的纳米技术,离产业化开发还有一段路要走。纳米技术的应用还有一个认识过程以及产品的升级配套过程。比如目前国内有一家生产纳米材料的生产线,因为产品的应用市场狭小,一时难以实现盈利或较大盈利。从某种角度上讲,新型材料对人类未来发展的影响一点也不亚于网络和基因工程,甚至可以说新型材料对网络和基因工程发展起着至关重要的作用。
对于企业的参与,科学家们感到喜忧参半。纳米技术研究需要全社会的投入。在美国,纳米方面的民间投资远远超过政府的投入。随着我国科研机构的改制,纳米研究也更加需要企业的投入。但是,对于市场上一些企业不理解纳米技术,盲目投资,或借机用“纳米”概念推广产品,误导消费者,出现了“伪纳米”现象,科学家认为这对纳米技术今后的发展是有害无利的。科学家呼吁,纳米高科技发展需要呵护,挤掉“伪纳米”的水分,为今后真正纳米技术走向市场创造条件,这样才真正有助于我国纳米技术在国际上占有一席之地。任何的概念炒作,都将对纳米研究和产业不利,这样会打破正常的规范秩序,使真正的纳米技术和产业失去生存空间。
专家指出,面对纳米技术的未来,当前最需要做的,是全面分析纳米技术对我国的意义,从全局的战略高度把握纳米技术发展趋势,在研究和产业上合理布局。当然,作为一项综合性技术,在纳米领域基础研究、应用研究和产业开发是同时进行的,这三者之间必须协调发展。
正是基于这种认识,经过认真论证,中科院将在3年内投入2500万元用于纳米科技的研究。科学家说,我们必须做一些实实在在的工作,在科学面前,是来不得半点“虚火”的。真正有志于发展纳米产业的企业也应该沉下心来,理性对待纳米技术,为我国纳米技术的研发助一臂之力。
纳米材料的用途很广,主要用途有:
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
家电用纳米材料制成的纳米多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。
电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米化材料后,可以缩小成为“掌上电脑”。
环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。
纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料,经抽丝、织布,可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装,可用于制造抗菌内衣、用品,可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
机械工业采用纳米技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
为推进我国功能纳米材料的产业化进程,中国商品交易中心和中国科学院化学研究所共同组建了北京中商世纪纳米技术有限公司,该公司将以中国科学院化学研究所功能纳米界面材料研究组为技术依托,致力于功能纳米界面材料技术的开发与推广。