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纳米科技 “以小搏大”

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纳米尺度——释放物质奇异特性

纳米科技越来越受到科研界和产业界重视。研究显示,21世纪以来,全球960个最显著的科研方向中,89%与纳米科技有关。作为多学科交叉融合而成的前沿型、基础型、平台型科学,纳米科学为物理、材料、化学、能源科学、生命科学、药理学与毒理学、工程学等七大基础学科提供了创新推动力,成为人类最具创新能力的科学研究领域之一以及变革性产业制造技术的重要源泉。

什么是纳米科技?首先得了解纳米。纳米是长度单位,1纳米相当于4倍原子大小,比单个细菌的长度还要小得多。科学家们研究发现,在纳米尺度上,材料会呈现出与宏观尺度上完全不同的物理学、化学和生物学特性。比如,低强度或脆性合金会获得高强度、高延展性,化学活性低的化合物会变成强力催化剂,不能受激发光的半导体会变成高效光源……总之,尺度的缩小使纳米物质呈现出既不同于宏观物质也不同于单个孤立原子的奇异特性,仿佛具有了“特异功能”。

在这一科学发现基础上,人类发展出纳米科学和纳米技术。纳米科学以尺度在0.1—100纳米之间的物质为研究对象,探索其特有的物理、化学、生物性质和功能;纳米技术则是在这一空间尺度内操纵原子和分子,对材料进行加工,制造具有特定功能的器件。科技革命提供了新工具,深刻改变着人与自然的关系。纳米科技通过纳米尺度的精准操作,调控物质的属性,赋予纳米材料理想的机械、化学、电学、磁学、热学或光学性能,使这些新型纳米材料在传统和新兴工业制造领域得到广泛应用。

纳米材料——提高生产生活质量

纳米材料如今已经广泛应用于工业制造领域。在传统机械制造业,纳米材料被用作机器零件的表面涂层或润滑剂,以减少磨损、延长机器使用寿命。在航空航天器制造业,质量轻、强度高的纳米结构合金是制造飞机机身以及过滤、抗振、防火零部件的理想材料。在电子信息产业中,纳米技术的应用将有助于克服以强场效应、量子隧穿效应为代表的物理限制和以功耗、散热、传输延迟为代表的技术限制,制造出基于量子效应的新型纳米器件,推动高性价比制备工艺的发展。在轻工业领域,人们日常使用的防晒霜,其主要成分是纳米二氧化钛或氧化锌,而纳米纤维则用于制造防皱、防沾污、抗菌的衣物,以及各类体育用品如网球拍、自行车等。

在生态文明建设、推进节能减排和低碳发展方面,纳米技术作为多学科交叉领域,能够显著促进可替代能源的发展,提高能源使用效率。在石油化工行业,金属、氧化物、碳和其他化合物的纳米颗粒是很好的催化剂,在石油精炼、生物燃料制造等领域有重要应用,可以显著提高燃料的燃烧效率,减少污染和能耗。在清洁能源领域,纳米材料用于研发制造低成本固态太阳能电池,高性能可充电电池(含超级电容器)和温差电池、燃料电池等;高效纳米储能材料、热电转换材料等,是新型能源材料主要发展方向,将对解决日益突出的能源问题起到重要作用。

利用纳米环境技术可以显著减少现有重型污染源对环境的破坏,提高人类生存的环境质量,实现材料、水和空气的良性循环。例如纳米颗粒可通过化学反应有效降解印染、电镀等工业废水的污染物,纳米纤维能够高效吸附空气中的污染物颗粒,缓解汽车尾气、工业废气、家庭装修等造成的大气污染,二硫化钼薄膜能高效实现盐水淡化,多孔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。

纳米医学——增进生命健康福祉

作为医学与健康科技成果转化的重点关注学科,纳米科技在生物医学、药学等生命科学领域有重大应用,对疾病诊断和治疗产生深远影响,具有重要的社会与经济前景。

迄今为止,纳米技术在生物医学方面有很多引人瞩目的成就和富有前景的应用。纳米孔基因测序技术,利用电场驱动DNA单链穿过薄膜上的纳米孔,并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。纳米药物递送技术,较传统药物具有显著优势,它能让药物突破化学、解剖学和生理学方面的阻碍,抵达病变组织,提高药物在病灶位置的聚集量,减少对健康组织的损害。例如,经过精心设计的纳米药物可以经血管渗漏点渗入癌变组织,并在靶点位置积聚,提高癌症靶向治疗的精度。近年来,该领域一个突破性进展是药物缓释纳米机器人的研发。这种全新的智能给药系统将药物装入经过编程并折叠的DNA,让其通过血液循环运输。一旦抵达目标肿瘤,DNA就会展开并释放一种能导致血栓的蛋白质,使癌细胞死亡。这一技术已经在小鼠身上进行了测试,在治疗乳腺癌方面具有积极作用,有望开创纳米医学全新领域。

面对突如其来的新冠肺炎疫情,我国科学家运用纳米技术助力新冠肺炎的预防、检测和治疗等,在疫情防控中发挥了重要作用。

在医疗防护方面,利用静电纺丝技术制造的纳米级直径聚合物细丝,具有滤材孔径小、纤维均一性好等特性,用这种材料制造的纳米口罩经过100次清洗还能保持99%以上的病毒过滤效果。这种材料还可以用于制造防护服、手套等医疗防护用品。纳米技术还应用在病毒检测方面。目前,新冠病毒的临床诊断主要依赖酶联免疫法、化学发光法以及纳米胶体金法。酶联免疫法和化学发光法都可以进行定量检测,但缺点是反应时间较长。纳米胶体金检测法是一种即时检测方法,与前两种检测方法相比,具有快速出具结果、检测场地不受限制以及对操作者专业性要求低等优点,更加适用于“后疫情时期”。在治疗方面,传统抗病毒药物稳定性较差、生物利用度低,且易导致耐药性,经纳米制剂技术改造后的抗病毒药物,能够有效提高药物稳定性、靶向性及生物利用度。相信在不久的将来,纳米抗病毒药物会在防疫抗疫工作中大显身手。

纳米科技在世界范围内受到重视,被视为引领科学技术发展、带动新的工业革命的重要学科。进入21世纪,全球主要经济体纷纷制定纳米科技相关发展规划,不断增加投入,推进纳米科技快速发展。我国一贯高度重视纳米科学研究和技术开发,成为国际上推动纳米科技发展的主要力量之一。纳米科技已经广泛应用于我国的信息技术、人工智能、量子技术、新能源、新材料、化工催化与绿色制造、大健康与新医学、类脑科学、深海、深空等领域,成为驱动我国科学创新和产业变革的新引擎,对经济社会发展、人民生活改善发挥越来越重要的作用。

我们要抓住前沿科技领域跨越发展的历史机遇,一方面继续加强纳米科技领域的基础研究,争取更多科学突破;一方面强化纳米科技对产业技术的推动作用,构建纳米技术产业创新链,完善价值链,为经济社会发展提供强劲动力,助推人类社会实现新的进步。

来源:人民日报,作者:中国科学院院士、国家纳米科学中心主任 赵宇亮

 

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