| 納米紙開(kāi)辟“魔法”未來(lái) |
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王寧寰 凌光
新聞背景
近日，一些有關(guān)“納米紙”的報(bào)道，引起許多人的興趣。比如有報(bào)道稱，浙江大學(xué)的科學(xué)家制作出一種新型“納米紙”，這種材料還能與多種化學(xué)分子結(jié)合，制造出不同用途的新材料，實(shí)現(xiàn)抗菌、檢測(cè)等功能的“72變”；還有報(bào)道稱，上海同濟(jì)大學(xué)和美國(guó)馬里蘭大學(xué)科學(xué)家共同研究的一項(xiàng)成果，以全透明、可彎曲、可降解的“納米紙”為襯底，成功制造出同樣透明、可彎曲、可降解的半導(dǎo)體器件，向“紙質(zhì)電子產(chǎn)品”邁出重要一步，科幻電影中的幻想也許不久將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
從頭腦想象開(kāi)始
要介紹納米紙，我們首先要介紹納米技術(shù)的由來(lái)。
早在1959年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)著名物理學(xué)家費(fèi)曼，在世界物理學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表了一篇演講，題目是《在底部有一個(gè)很大的空間》。他在這篇文章中預(yù)言“至少依我來(lái)看，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物質(zhì)的可能性。”這就是納米技術(shù)最早的預(yù)言，也被公認(rèn)為是納米技術(shù)思想的來(lái)源。
費(fèi)曼假定，一旦原子的語(yǔ)言被簡(jiǎn)潔地編碼后，就可以對(duì)分子進(jìn)行精確的工程加工，把一個(gè)原子放到另一個(gè)原子上，制造出最小的人工機(jī)器來(lái)。費(fèi)曼說(shuō)，如果把大頭針的針頭放大2.5萬(wàn)倍，它的面積就相當(dāng)于24卷大英百科全書(shū)所有書(shū)頁(yè)的面積，足以寫(xiě)下這套百科全書(shū)的內(nèi)容。他想，如果能夠以原子的尺度即納米水平控制、制造物質(zhì)，就一定能做到把大英百科全書(shū)寫(xiě)到一個(gè)針頭上。
真正有目的研究和發(fā)現(xiàn)納米材料特性的要算德國(guó)材料科學(xué)家——格萊特。格萊特和同事經(jīng)過(guò)幾年的努力，終于在1984年制得了只有幾個(gè)納米大小的超細(xì)粉末，包括鐵、銅、鉛等金屬粉末，無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的超細(xì)粉末。然后在真空室中原位加壓制得納米固體，這些材料竟然表現(xiàn)出意想不到的特殊性能。隨后又發(fā)現(xiàn)納米二氧化鈦陶瓷在室溫下呈現(xiàn)良好的韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。論文一發(fā)表，立即在世界上引起轟動(dòng)。
小，世界就不一樣
納米是英文namometer的譯音，符號(hào)為nm，是一個(gè)物理學(xué)上的度量單位。1納米是1米的十億分之一。專家測(cè)試發(fā)現(xiàn)，人類世界組成有形物質(zhì)的最小尺度量級(jí)，就是納米。再小的叫原子團(tuán)、分子簇。
一個(gè)納米的尺寸到底有多小呢？等于5至7個(gè)原子的距離，一根頭發(fā)絲的直徑大約是五萬(wàn)個(gè)納米。而納米材料是指1-100納米尺寸之間的材料。研究表明，當(dāng)材料粒子進(jìn)入納米級(jí)粒子時(shí)，其本身就具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特性。由于納米粒子的尺寸已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的特性。比如，導(dǎo)電的變得不導(dǎo)電，不導(dǎo)電的變得導(dǎo)電，陶瓷可以做彈簧。納米材料這種反常的令人驚奇的性能，引起科學(xué)家極大的興趣。大家預(yù)測(cè)，這些看不見(jiàn)的小不點(diǎn)顆粒，有可能給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變化。
有“魔力”的神奇紙
“納米紙”實(shí)際上是一個(gè)籠統(tǒng)的概念，泛指用納米材料制作的紙，或者是采用納米技術(shù)對(duì)紙張的某種性能進(jìn)行改善而制造出來(lái)的紙張。
紙張是各種印刷中最常用的承印物。根據(jù)目前的技術(shù)水平和紙張的實(shí)際應(yīng)用，木纖維只能加工到微米（0.1～10μm）的水平。由于傳統(tǒng)紙張所用的樹(shù)木、竹、麻等纖維物的纖維較粗，而涂料（如碳酸鈣等）、填充物（如高嶺土等）的顆粒較大，使傳統(tǒng)的紙張存在著一些缺陷，如普通紙具有怕水、怕潮等缺點(diǎn)，膠版印刷紙和靜電復(fù)印紙雖然有防水、防潮等功能，但書(shū)寫(xiě)不方便，還有一些特殊的性能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
近年來(lái)，隨著納米材料學(xué)的迅速發(fā)展，納米技術(shù)在造紙工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，新成果不斷涌現(xiàn)，它可能會(huì)使造紙工業(yè)發(fā)生新的飛躍。而應(yīng)用納米技術(shù)，也產(chǎn)生了各種各樣具有特殊功能的“納米紙”。比如：
強(qiáng)度奇高的納米紙。2008年6月，瑞士科學(xué)家宣布成功研制出了一種高強(qiáng)度的納米紙。該紙的發(fā)明人伯格倫德博士表示，這種納米紙韌性極佳，且硬度很高。機(jī)械測(cè)試顯示，該紙的強(qiáng)度比普通紙整整高出200倍，達(dá)到了目前建筑用鋼的水平。從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，防彈衣、太空服，還有汽車、飛機(jī)以及航天器的結(jié)構(gòu)材料，都必將成為這種納米紙的用武之地。
具抗菌功能的納米紙。許多有機(jī)抗菌劑都存在著耐熱性差、易揮發(fā)、易分解產(chǎn)生有害物質(zhì)、安全性能差等缺點(diǎn)。為此，人們積極開(kāi)發(fā)研究無(wú)機(jī)抗菌劑，而利用超微細(xì)技術(shù)能夠生產(chǎn)亞微米及納米級(jí)的無(wú)機(jī)抗菌劑，可以很好地解決有機(jī)抗菌劑的缺點(diǎn)。
納米阻燃紙。對(duì)它來(lái)說(shuō)，無(wú)論多大的火力，都不會(huì)引起燃燒，它只能燒焦、炭化，但不著火。阻燃紙一般可用于煙花、禮花、彩炮、圣誕玩具、旅游炊具等，甚至有人提出用這種紙做成消防隊(duì)員等經(jīng)常要與火打交道人員的衣服。
磁性納米紙。它可以像錄音磁帶那樣在錄音機(jī)上錄音，也能放送出聲音。
心靈密碼
哈利-波特魔法報(bào)紙
能變成現(xiàn)實(shí)嗎
看過(guò)電影《哈利-波特》的讀者，都會(huì)對(duì)其中的“魔法報(bào)紙”留有深刻的印象。而可彎曲、便攜化、低成本化、綠色環(huán)保，這些恰恰也是當(dāng)前電子產(chǎn)品的重要的發(fā)展趨勢(shì)。最近同濟(jì)大學(xué)黃佳教授和美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵教授聯(lián)合研發(fā)的納米紙晶體管，正是這一發(fā)展方向上的重要一步。
晶體管是半導(dǎo)體器件的最基本、同時(shí)也是最重要的元件之一。普通的晶體管基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，比如晶體硅，是堅(jiān)硬而不可彎曲的。而要制備可彎曲的晶體管，首先所使用的半導(dǎo)體材料就需要可彎曲。有機(jī)半導(dǎo)體就是一種可彎曲的半導(dǎo)體材料。更重要的是，很大一部分有機(jī)半導(dǎo)體可以溶于溶劑中，因而與紙的親和力比較強(qiáng)，能用多種低成本的沉積方式在紙上面成膜，包括印刷、打印、旋涂、蒸鍍等。
而要將電子產(chǎn)品做在紙張上，則面臨不少困難，對(duì)相關(guān)技術(shù)和制備工藝提出了挑戰(zhàn)。普通紙張纖維粗，透光但不透明；而且普通紙張的表面粗糙，凹凸不平，要在它上面制備半導(dǎo)體層，不僅很難形成完整、連續(xù)、均勻的膜，而且還容易導(dǎo)致晶體管漏電。為此，研究者就將普通造紙所用的木漿纖維，經(jīng)特殊處理使其尺度達(dá)到納米量級(jí)。如此制作出來(lái)的“納米紙”可有效減少對(duì)光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面有如塑料一般光滑，這為接下來(lái)在它上面制備性能優(yōu)良的晶體管奠定了重要基礎(chǔ)。以這一新型“納米紙”為襯底材料，在上面制備出由碳納米管、絕緣層、有機(jī)半導(dǎo)體組成的透明度高達(dá)84%、可彎曲的晶體管。實(shí)際的性能測(cè)試表明，即便將整個(gè)器件以3.5毫米的半徑彎曲起來(lái)時(shí)，它上面的透明晶體管仍能保持優(yōu)良的工作性能。
而部分有機(jī)半導(dǎo)體材料所具備的“可溶性”這一優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合紙質(zhì)襯底材料的可打印特性，使得通過(guò)全打印方式來(lái)制備器件成為可能，這樣一來(lái)將進(jìn)一步降低電子產(chǎn)品的成本?；蛟S在不久的將來(lái)，人們就能利用可再生資源印刷出透明可彎曲的電子設(shè)備，類似于電影《哈利-波特》中“魔法報(bào)紙”的紙質(zhì)電子產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)。
你知道嗎
納米材料的“黑色效應(yīng)”
眾所周知，不同的材料具有各種不同的顏色?？墒牵坏┧羞@些材料都被制成納米超細(xì)粉末時(shí)，它們的顏色便一律都是黑色的。原來(lái)，當(dāng)材料的顆粒尺寸變到小于光波的波長(zhǎng)時(shí)，形不成反射面，它對(duì)光的反射能力變得非常低，大約低到小于1％，因此，我們見(jiàn)到的納米材料便都是黑色的了。這種現(xiàn)象被稱為納米材料的“黑色效應(yīng)”。
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