Вы когда-нибудь представляли себе материал, из которого можно было бы сделать зонтики никогда не намокающими, сделать роботов достаточно маленькими, чтобы работать внутри кровеносных сосудов, и сделать керамику такой же небьющейся, как металл? Это не научная фантастика; это настоящая революция, вызванная наноматериалами.
Что такое нанометр? На самом деле это единица длины; один нанометр — это всего лишь одна миллиардная метра. Диаметр человеческого волоса составляет примерно от 50 000 до 100 000 нанометров. Наноматериалы — это материалы, размер которых хотя бы в одном измерении составляет от 1 до 100 нанометров.
I. Почему «маленький» «мощный»?
Когда материалы сжимаются до наномасштаба, они больше не подчиняются привычным правилам физики, но проявляют множество удивительных свойств.
Во-первых, существенно изменяются оптические, электрические, магнитные и термические свойства наноматериалов. Например, цвет и цвет излучения полупроводникового сульфида кадмия меняются с желтого на синий по мере уменьшения размера частиц. Это означает, что нам не нужно менять состав материала; простое изменение его размера может создать новые материалы с совершенно другими свойствами. Типы материи конечны, но с помощью нанотехнологий мы, похоже, получили бесчисленное множество «новых веществ».
Во-вторых, наночастицы обладают огромной площадью поверхности. Один грамм наноматериалов может иметь площадь поверхности размером с футбольное поле. Это делает их высокоэффективными адсорбентами и катализаторами, которые находят широкое применение в хранении энергии, химическом производстве и защите окружающей среды.
Для производства наноматериалы означают «легче, выше и прочнее».
Легче: устройства, изготовленные из наноматериалов, могут быть значительно меньше по размеру, сохраняя при этом или даже улучшая производительность. Учтите, что первые компьютеры заполняли целые комнаты, а современные мобильные телефоны намного превосходят свою прежнюю вычислительную мощность-, это чудо миниатюризации материала.
Высшее: наноматериалы часто обладают превосходными оптическими, электрическими и магнитными свойствами.
Сильнее: нанокерамика может разрушить традиционное представление о керамике как о хрупкой, демонстрируя прочность, приближающуюся к прочности металлов.
[Сравнительное изображение, созданное-ИИ: слева показана макроскопическая структура материала, справа – структура наноматериала]
II. Наноматериалы: уже в нашей повседневной жизни
Нанотехнология звучит сложно, но некоторые из ее применений уже вошли в повседневную жизнь.
1. Нано-дождевики: водоотталкивающие-как листья лотоса
Вы когда-нибудь завидовали каплям воды, скатывающимся с листьев лотоса? В нано-дождевиках используется аналогичный принцип. Покрывая поверхность ткани слоем наноразмерных частиц кремнезема, угол контакта между тканью и водой или маслом увеличивается, предотвращая проникновение капель воды и заставляя их скатываться.
В настоящее время существуют две основные технологии: одна — экологически чистая, но дорогостоящая технология вакуумного покрытия; другой — более дешевая-стоимость, но потенциально загрязняющая воду-технология нанесения иммерсионного покрытия. Баланс между производительностью, стоимостью и защитой окружающей среды остается проблемой для обрабатывающей промышленности.
[Ссылка для скачивания изображения: изображение капель воды на ткани в-высоком разрешении - Лицензионное изображение 600336933 - Photostock.cn]
2. Нанороботы: заря медицины будущего
В то время как по-настоящему наномасштабные программируемые молекулярные роботы все еще находятся на лабораторной стадии, устройства для наномасштабных манипуляций быстро развиваются. Например, сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (АСМ) имеют зонды с наконечниками, достигающими атомного масштаба, способными перемещать отдельные атомы.
Ожидается, что в обозримом будущем нанороботы смогут нацеливаться на доставку лекарств, точно удалять повреждения и даже восстанавливать клетки in vivo, что произведет революцию в области медицины и здравоохранения. Их развитие представляет собой парадигму междисциплинарного сотрудничества химии, физики, биологии, медицины и материаловедения.
Американские ученые решили проблему столетней-давней давности: нанороботами можно удаленно управлять кровеносными сосудами в режиме реального времени — Phoenix.com Концептуальное изображение нанороботов, работающих в кровеносных сосудах
3. Наноспонги: волшебство уборки
Возможно, вы использовали белую «волшебную губку», которая удаляет пятна без моющего средства, просто намочив ее. Это меламиновая пена, также известная как наногубки. Его трехмерная сетчатая структура-имеет чрезвычайно высокую пористость, создавая сильные адсорбционные силы во время трения и удаляя грязь подобно сверхтонкой наждачной бумаге.
Этот материал стабилен, -огнезащитен, устойчив к кислотам и щелочам и даже подходит для пищевых продуктов-, что делает его типичным примером успешной коммерциализации нанопористых материалов.
Энергетический свет: Китайско--Британский исследовательский центр наноэнергетических материалов – микроскопическая вселенная «супергубок»
III. Будущее уже здесь: как наноматериалы изменят производство?
Потенциал наноматериалов выходит далеко за рамки этого. Его будущие применения могут полностью изменить многие отрасли промышленности.
Наноэлектронные устройства: делаем компьютеры меньше, быстрее и энергоэффективнее.
Аэрокосмическая промышленность и исследования: производство космических аппаратов из более легких и прочных наноматериалов, что значительно снижает затраты на запуск.
Окружающая среда и энергетика: Разработка высокоэффективных нанокатализаторов и адсорбентов для контроля загрязнения и производства экологически чистой энергии.
Яркий пример – биотехнология. Мы знаем, что ДНК имеет структуру двойной спирали диаметром около десятков нанометров. Ученые пытаются использовать люминесцентные полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров для маркировки различных участков ДНК. Это похоже на подвешивание «фонарей» на темную «пагоду» ДНК, позволяющих нам ясно видеть ее структуру и изменения, что имеет большое значение для исследования генов и диагностики заболеваний.
IV. Трезвый взгляд: «Нано» — не панацея
Учитывая популярность концепции нано, нам также следует опасаться ее «вульгаризации». В последние годы на рынке появились «нанохолодильники» и «наностиральные машины». Возможно, они добавили несколько наночастиц, некоторые антибактериальные или простые в--очистке функции, но основной принцип работы продукта не изменился. Это скорее маркетинговый ход.
В настоящее время применение наноматериалов в основном все еще находится на начальной стадии добавления порошка, что не является основой нанотехнологий. Настоящая нанотехнология заключается в точном манипулировании и использовании новых свойств на наноуровне для разработки совершенно новых продуктов. Для обрабатывающей промышленности ключ к прорыву заключается в превращении наноматериалов из простых «добавок» в «конструкционные материалы» или «функциональные компоненты», выполняющие основные функции.
Вывод: Мир наноматериалов — это совершенно новая область, построенная снизу вверх, начиная с атомов и молекул. Оно стирает границы между физикой, химией, биологией и инженерией и порождает новое поколение технологической революции.
Для передового производства внедрение нанотехнологий означает достижение качественного скачка в производительности продукции, потреблении энергии и интеллекте. Однако это также требует непрерывных фундаментальных исследований, тщательной разработки процессов и рациональных ожиданий рынка.
