贡献全球1/3论文,中国领跑纳米

  纳米科技这项在人眼无法辨别的微观尺度上的科学技术正逐渐对人类的电子信息、制造业、能源、环境、医疗产生巨大影响,手机、电脑、化妆品、太阳镜、网球拍、自行车……你的不少日用品中或已用上纳米科技。

  近日,一份由施普林格·自然集团、国家纳米科学中心、中国科学院文献情报中心合作编制的研究报告显示,纳米科技促进了多学科交叉融合,孕育着众多的科技突破和原始创新机会。同时,纳米科技对高技术的诞生,对人们的生产、生活也将产生巨大影响。

  网球拍、防晒霜:纳米技术在身边

  由于具备理想的机械、化学、电学、热学或光学性能,新型纳米材料被应用于日常用品及工业制造之中。

  据估计,目前市场上有1600多种基于纳米技术的消费产品,包括轻便、刚性好的网球拍、自行车、箱包、汽车零件和可充电电池等。

  普通的电吹风或直发器就有可能使用纳米材料降低重量或延长使用寿命。防晒霜使用了皮肤表面看不到的纳米二氧化钛或氧化锌等防晒成分。纳米工程制备的纤维被用于制造防皱、防沾污的衣物,不仅质轻还可防止细菌滋生。

  在制造业,纳米结构的材料被用于机器零件的表面涂层或润滑剂中,以减小磨损、延长机器使用寿命。具有纳米结构的合金由于强度高、耐久、质量轻的特点,是制造飞机和航天航空零部件的理想高性能材料。它们被用于制造机身、过滤材料及其他零部件,带来更强的耐蚀、抗震和防火性能。

  金属、氧化物、碳和其他化合物的纳米颗粒也是很好的催化剂,在石油精炼、生物燃料等领域有着重要的工业应用。

  高清屏幕可弯曲:纳米技术能实现

  研究报告说,纳米技术作为促进信息技术和数码电子行业发展的关键驱动力,进一步提升了诸多电子产品的性能,如电脑、手机和电视等。

  由于纳米技术的进步,集成芯片和晶体管变得越来越小,计算速度却日趋提高。2016年世界上诞生了首个1纳米的晶体管。该晶体管由碳纳米管和二硫化钼而不是硅制成,展示了进一步缩小电子器件尺寸的潜力。

  科学家对纳米材料物理特性的深入理解推动了量子器件的发展,实现了更低能耗下的高速数据传输,并提升信息系统的性能和安全性。

  国家纳米科学中心首席科学家朱星说,量子点或无机半导体纳米晶体的一个应用领域是显示屏产业。基于纳米技术,电视、计算机和移动设备的显示屏可实现超高清、节能、甚至可弯曲,并产生更加逼真的图像。人们在设计新型透明导电材料时采用了碳纳米管或银纳米线,这为开发各种使用柔性屏幕的电子设备开启了大门。

  汽车尾气变能量:环保节能有作为

  专家介绍,纳米技术可促进可替代能源的发展,提高能源使用效率,并为环境治理提供新的解决方案。

  基于纳米技术或新型催化剂,石油和天然气的开采以及燃料的燃烧变得更加高效,这减少了发电厂、交通工具及其他重型设备的污染和能耗。

  科学家通过纳米工程提高太阳能光伏发电设备的性能并降低成本。纳米材料还可用于废热转化,如将汽车尾气转化为有用的能量。

  纳米结构的电极材料可用来提高可充电电池的容量和性能,减轻电池重量,从而提高电动汽车这类交通工具的效能和续航距离。

  此外,纳米技术还可用于水处理和污染物的清理。例如,二硫化钼薄膜等纳米材料能以更高效的过滤性促进盐水淡化,而多孔质的纳米材料可以像海绵一样吸收水中的重金属和浮油等有毒物质。此外,纳米纤维能够吸附空气中的微小颗粒,因此可用作净化空气的滤网。

  纳米技术在环境治理中的应用还包括空气、水和土壤中污染物的检测。由于其独特的化学和物理特性,纳米颗粒对化学或生物试剂的灵敏度更高,因此可用在传感器中鉴别有毒物质,这比传统方法更加简单快捷,甚至能在检测的同时去除污染物。

  癌症诊治更精准:医学领域应用多

  新技术就像双刃剑,带来利益的同时也可能带来风险,纳米技术也不例外。研究报告指出,人们在欢呼其快速发展之际,也应小心它所带来的环境、健康和社会影响。

  当前人们最大的担忧是纳米颗粒对健康的威胁,因为纳米颗粒很容易经肺或皮肤进入人体。此外,纳米材料制造过程中所产生的工业排放,也会带来污染环境的风险。纳米颗粒活性高、尺寸微小,有可能对生态系统产生不利影响,对动植物生存构成威胁。

  纳米药物虽然前景光明,但因为尚不清楚其在人体内是否参与代谢以及如何代谢,所以也有可能带来意料之外的后果。纳米药物的长期使用效果仍不明朗。

  朱星介绍,为应对这些担忧,我国自2001年就投入资金研究纳米安全问题,约有7%的纳米技术研究预算用于有关纳米技术潜在的环境、健康及安全问题的科学研究。这些研究也将支持制定标准,量化相关的环境及健康危害,同时有助于形成监控和管制纳米污染的指导方针。

  新技术是双刃剑:保障安全不松懈

  专家介绍,纳米技术对医疗和健康产业的影响日趋显著,并在药物输送、生物材料、造影、诊断、活性植入等医疗应用中得到发展。

  研究报告说,纳米技术在生物医学方面最引人瞩目的应用或许是被称为纳米孔基因测序技术的出现。其工作原理是利用电场驱动每个DNA单链穿过薄膜上纳米尺寸的孔,即纳米孔。当DNA单链通过纳米孔时,记录孔上产生的电流变化,从而识别出单链上的基因编码序列。该技术有望大幅降低基因测序成本并提高测序速度。

  纳米技术另外一个富有前景的医学应用是药物输送。纳米技术能让药物突破化学、解剖和生理学阻碍,抵达病变组织,提高药物在病灶位置的聚集量,减小对健康组织的损害。例如,经过精心设计的纳米药物可经血管渗漏点渗入癌变组织,并在靶点位置积聚,从而提高癌症靶向治疗的精准度。

  在医学造影方面,纳米颗粒因其尺寸微小和特殊的化学性质,可在特定组织和肿瘤位置形成积聚,从而实现更便捷、更准确的诊断,并提高治疗效果。

  纳米科技还可应用于生物组织工程。石墨烯、纳米管、二硫化钼等纳米材料可用来制造支架,帮助修复或重塑受损的组织。纳米结构支架能够模仿组织特有的微观环境,促进细胞的附着、繁殖和长成,并诱导正常细胞机能及组织生长。