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纳米技术研究“静悄悄”
更新时间:2022-11-27 12:43:58

人类社会进入20世纪80年代以来,科学技术更加突飞猛进、日新月异,纳米技术在被视为“发明之母”和“产业粮食”的新材料领域异军突起、异常活跃,并在90年代出现了遍及全球的纳米技术研究热潮。从此,科学家开始了材料的微观结构设计,在显微构造层次、原子分子层次及电子层次开展新材料的研究与开发,“材料革命”进入一个新时期。

21世纪初年,世界纳米技术研究方兴未艾,某些成熟的技术开始在航空航天、微电子、医药卫生等领域得到局部应用。2002年,世界纳米技术研究在平静中扎实地向前发展,取得了令人振奋的成果。

碳纳米管仍是个大课题

纵观2002年世界纳米技术研究的状况,可以看出,碳纳米管仍是研究的热点。拥有众多奇特性能的碳纳米管,近年来受到科学界的普遍青睐。但利用传统方法制造的碳纳米管束长度通常只有几十微米,其应用开发受到局限。但是,中国清华大学和美国伦塞勒理工学院的合作研究取得了突破性进展。科学家用简单的方法,合成出厘米级的由单层碳纳米管组成的碳纳米管束。这是2002年碳纳米管研究领域带给人们的一个可喜的信息。

中美科学家制造的碳纳米管束最长达到了20厘米,状如人的发丝。此前,科学家曾利用一些复杂方法制造出了碳纳米管束,但它们的长度都很有限。中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化学气相淀积方法进行了改进,在化学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后,不仅制造出更长的碳纳米管束,而且这些碳纳米管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排列形成。科学家评论说,新方法作为一种更为简便的替代工艺,还可以用来生产高纯度的单层碳纳米管材料。

美国赖斯大学教授、诺贝尔化学奖得主理查德?斯莫利发现,碳纳米管具有在特定条件下发荧光的性能。这也是碳纳米管告诉人们的它所具有的一项新“本领”。

斯莫利和他的同事在研究中,用高频声波轰击成块的大批碳纳米管,使之分离为单个的碳纳米管。随后进行的实验显示,这些单个碳纳米管能够在近红外波段吸收并发出荧光。科学家仅在独立的单层碳纳米管中观察到发荧光现象,这在世界上尚属首次。

清华大学博士生姜开利等人成功地从几百微米长的碳纳米管阵列中,“拉出”了一根30厘米长的碳纳米管线。这个过程非常像从蚕茧中抽丝一样,而“蚕茧”就是碳纳米管阵列。据估计,在一平方厘米的碳纳米管阵列上,可以抽出10米长的纳米管线。

姜开利等人研制的碳纳米管线是良好的导电体。将这样的碳纳米管线绕在2根金属电极之间,做成碳纳米管灯丝,在两电极之间施加直流电压,则碳纳米管线发出白炽光;如果将碳纳米管线平行排列,则构成一个偏振片,可产生偏振光。这种偏振片可以工作在紫外光区域,甚至工作在波长在几十纳米的真空紫外区。这是中国研究人员在2002年世界碳纳米管研究方面的另一个经典之作。

科学家一直希望能用碳纳米管制造更好的碳纤维材料,对单个碳纳米管的测试也表明,它比一般用于制造赛车、网球拍的碳纤维更坚固。但是,用大量碳纳米管制造超硬材料的尝试一直不太成功,因为如果把它们像普通碳纤维那样与聚合物混合,碳纳米管很容易聚集成无用的团块,无法发挥其优越性能。

美国俄克拉荷马州立大学的研究实现了科学家的上述宿愿。他们发现,用一层碳纳米管、一层聚合物层层交叠出的“夹心饼干式碳纳米管”具有超强硬度,可与超硬陶瓷材料媲美。科学家把材料交替浸在碳纳米管水“溶液”和聚合物溶液里,使材料表面交替生成单分子层的碳纳米管和聚合物。这样就避免了碳纳米管聚集成团的问题,并进一步提高了硬度。这是2002年科学家在碳纳米管研究方面给人们带来的另一次喜悦。

此外,俄罗斯研制的由两种原子组成的氧化铝纳米管、纳米银杀菌涂料、纳米颗粒炸药,日本研制的碳纳米管温度计、超细硅丝,美国研制的原子级纳米晶体管、原子级硅记忆材料、可开关的纳米马达以及精确测出多种碳纳米管的光谱等等,都从不同方面展现了2002年纳米技术研究与开发取得的进步。

关注日本关注欧盟

作为科技大国的日本,自20世纪80年代就一直重视纳米技术研究,并且在这一领域具有一定的优势。在政府引导下,日本产业界也钟情于纳米技术,认识到要开发小型化、高性能的产品,在未来的国际竞争中立于不败之地,纳米技术不可或缺。

调查显示,日本已经有271家主要企业着手纳米技术研究。日本企业目前用于纳米技术研究的资金数额巨大,这271家企业中的99家在2002年的纳米技术研究经费就高达327亿日元,明年这99家企业的投入将在今年的基础上再增加24%。

日本企业发展纳米技术有一个共同的特点,那就是根据各自的实力制定发展战略,有的希望与大学和研究机构联合,有的希望搞技术引进,还有的希望政府资助,把纳米研究列为产学官联合的共同项目。

日本还利用自己的资金和设备优势,广泛开展纳米技术研究的国际合作,就重点研究课题进行共同攻关。最近,日本纳米专家信州大学教授远藤守信等人与来自美国12家科研机构的13名专家一起组成研究会,利用性能最好的超级计算机解析最有希望实用化的纳米管性能,以尽快用纳米管开发超高速、低电耗的半导体元件。

目前,日本已经能够制造出多种纳米管,有的纳米管已达到可批量生产的水平。据专家估计,到2010年比现在大30倍的大容量光传输系统可以达到实用化,2012年没有一点痛感的注射器能够问世,2014年,造价只有现在十分之一的燃料电池可以普及,2022年以蛋白质、 D NA为元件的计算机能够诞生。专家预测,到2010年,纳米产品在日本国内市场的产值将达到10万亿日元。

来自欧盟的一个重要信号,就是欧盟各国将共同发展纳米技术。欧盟委员会10月7日在布鲁塞尔发表新闻公报说,欧盟将于2003年建立纳米技术工业平台,推动纳米技术在欧盟成员国的应用。

欧盟委员会指出,建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料科学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战,把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学物质和运输领域,生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品,同时降低能源消耗,减少垃圾。

据欧盟委员会科学研究委员菲利普?比斯坎透露,欧盟计划在2003年至2006年期间投资7亿欧元用于纳米技术的研究与开发。目前欧盟的研究项目比较分散,没有形成规模。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国的水平。

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