“實(shí)現原子級特征尺度與可重構光頻相控陣的納米激光器”入選2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，我國科研團隊研發(fā)的納米機器人可為患者清除血栓……小小納米，潛力無(wú)限，在微觀(guān)世界迸發(fā)推動(dòng)科技發(fā)展的動(dòng)能。

從我們身邊應用荷葉原理制作的防水涂層服飾，到納米藥物、納米傳感器等，納米科技正在各個(gè)領(lǐng)域里“以小博大”、改變生活。未來(lái)，納米功能材料還將助力“太空電梯”等科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F實(shí)。本期“瞰前沿”，讓我們走進(jìn)納米小世界，看見(jiàn)更加廣闊的科技未來(lái)。

微觀(guān)“精靈”

展現驚人性能

在劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》中，名為“納米飛刃”的神奇材料令人印象深刻——一種極其纖細的透明絲線(xiàn)，能夠輕松將一艘巨輪切割成無(wú)數薄片。這看似科幻的情節，其實(shí)離我們并不遙遠。納米功能材料——這一微觀(guān)尺度上的“精靈”不僅活躍在科技前沿，也在改變我們的生活。

納米是一個(gè)長(cháng)度單位，1納米等于十億分之一米。物質(zhì)被“切割”到納米級別時(shí)，會(huì )展現出與宏觀(guān)尺度時(shí)截然不同的特性。原本導電的金屬深入到納米尺度后，會(huì )逐漸變成半導體進(jìn)而變成絕緣體；當尺寸進(jìn)一步減小時(shí)，表現出量子效應，又變成了導體。在微觀(guān)世界里，納米功能材料會(huì )呈現宏觀(guān)量子隧道效應、表面效應、小尺寸效應等神奇性質(zhì)。

科幻源自現實(shí)，《三體》中的“納米飛刃”，有自己的原型——碳納米管。這種由碳原子組成的管狀結構，強度是鋼的100倍，卻比碳纖維還細。目前的碳納米管，雖然無(wú)法像小說(shuō)里描述的那樣成為削鐵如泥的利器，但在實(shí)驗室里，我國科學(xué)家研發(fā)的單根結構完美的碳納米管纖維，可以吊起一頭成年亞洲象；在產(chǎn)業(yè)應用方面，利用流化床技術(shù)，工廠(chǎng)里已經(jīng)生產(chǎn)出用于新能源車(chē)的萬(wàn)噸級多壁碳納米管導電漿料；未來(lái)，利用碳納米管，還可以制造碳基芯片、工業(yè)催化劑、顯示屏、X射線(xiàn)管等。

其實(shí)，納米功能材料也并非全是人工合成，在大自然中也有這些微觀(guān)“精靈”的身影——荷葉表面的納米級乳突結構，能夠讓水珠滾落時(shí)不留痕跡；蝴蝶翅膀能隨光線(xiàn)變化呈現不同色彩，也是因為翅膀上的納米結構；我們牙齒表面的牙釉質(zhì)，也是由納米級的羥基磷灰石晶體構成，這使得牙釉質(zhì)具有極高的堅固度和耐磨性……這些天然納米功能材料，在漫長(cháng)的歷史進(jìn)化中展現出驚人性能。

特性“變身”

在納米尺度施展“魔法”

當物質(zhì)維度縮小至納米量級，仿佛被施加了某種“魔法”，其固有屬性會(huì )發(fā)生顛覆性變化，這種由尺度劇變引發(fā)的奇異現象，既為科研探索打開(kāi)新維度，也為技術(shù)應用開(kāi)辟新路徑。

物質(zhì)本征特性的變化在聲、電、光、磁、力等方面都很顯著(zhù)。例如，在宏觀(guān)尺度下，金需要1064攝氏度高溫方能熔化，在其粒徑縮減至2納米時(shí)，其熔點(diǎn)竟驟降至約327攝氏度，這為冶金工藝節能增效提供了全新思路。光學(xué)性質(zhì)的重構更具視覺(jué)沖擊力——宏觀(guān)尺度下，銅呈現典型的紫紅色金屬光澤，在納米尺度下竟然變?yōu)樯铄涞暮谏?。除了變色，原本化學(xué)性質(zhì)穩定的金屬銅，在納米化后具有自燃特性，呈現前所未有的反應活性。

特性“變身”，正改寫(xiě)多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)范式。經(jīng)特殊處理的納米活性炭，其比表面積較傳統材料實(shí)現數量級躍升，吸附容量增長(cháng)10倍以上，成為凈水系統中重金屬與有機污染物的“捕手”；基于納米隱身涂層，可在特定頻段實(shí)現雷達波的隱身，在國防安全領(lǐng)域有重要作用。

在納米尺度構筑功能結構，研究人員需依賴(lài)原子力顯微鏡、聚焦離子束刻蝕系統等尖端設備，在埃米級精度下實(shí)現材料組裝。當物質(zhì)進(jìn)入納米王國，其展現的奇異特性正在催生一批顛覆性技術(shù)，驅動(dòng)人類(lèi)認知與工程實(shí)踐向更微觀(guān)尺度的縱深挺進(jìn)。

日常應用

多個(gè)領(lǐng)域大有可為

納米功能材料并非擺在實(shí)驗室里的“花瓶”，它們正在各個(gè)領(lǐng)域大顯神通。

當納米科技與醫療領(lǐng)域深度融合，人類(lèi)對抗疾病就有了新“武器”。納米藥物如同精確制導導彈，通過(guò)表面修飾的靶向分子精準識別癌細胞特有的生物標記物，將藥物直接輸送至病灶核心。在臨床中，淋巴示蹤劑以納米活性炭為基底，能在術(shù)前清晰勾勒出腫瘤邊界，為外科醫生提供三維導航；而納米脂質(zhì)體包裹的化療藥物，則能突破腫瘤血管屏障，在靶區將藥物濃度提升數十倍，顯著(zhù)增強療效的同時(shí)降低全身毒副反應。實(shí)驗室里的納米機器人更具未來(lái)感，可以用于血液循環(huán)系統巡航，實(shí)時(shí)清除血管沉積物，甚至對受損細胞進(jìn)行納米級手術(shù)修復，為癌癥治療開(kāi)辟全新范式。

能源領(lǐng)域，鋰離子電池中碳納米管構建的三維導電網(wǎng)絡(luò )，為電極材料獲得電子帶來(lái)一條“高速公路”，充電速度以指數級提升。不僅如此，納米改性電池還可以通過(guò)石墨烯散熱涂層在冬天實(shí)現熱量二次利用，突破續航瓶頸。在安全防護方面，納米隔熱涂層具有熱屏障性能，即便電池遭遇極端熱失控，也能維持15分鐘左右的結構完整，為車(chē)禍逃生爭取寶貴時(shí)間。

納米尺度上的信息產(chǎn)業(yè)也大放光彩：當光刻機突破2納米工藝節點(diǎn)，指甲大小的芯片內晶體管數量突破百億大關(guān)，算力洪流驅動(dòng)著(zhù)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域跨越式發(fā)展，與之并行的納米傳感器技術(shù)，正將環(huán)境監測與健康管理推向實(shí)時(shí)精準的新階段。

未來(lái)應用

重塑人類(lèi)探索的邊界

納米功能材料擁有廣闊的應用前景，納米技術(shù)正在重塑人類(lèi)感知與探索的邊界。

在A(yíng)R（增強現實(shí)）領(lǐng)域，納米光波導技術(shù)正將科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F實(shí)。AR眼鏡采用納米級光波導鏡片，重量?jì)H幾十克卻擁有超過(guò)80度的視場(chǎng)角，透過(guò)鏡片，用戶(hù)可體驗信息獲取、導航、翻譯等功能。鏡架上集成的納米天線(xiàn)陣列，在厘米級空間內構建起高速通信通道，使設備擺脫線(xiàn)纜束縛，真正融入智能生活場(chǎng)景。

智能穿戴設備在納米技術(shù)加持下正突破形態(tài)與能源限制。納米柔性屏采用可拉伸的銀納米線(xiàn)電極，使智能手表能像皮膚般貼合腕部；納米發(fā)電機技術(shù)利用氧化鋅納米線(xiàn)在機械形變中產(chǎn)生的壓電效應，可以將人體運動(dòng)能轉化為電能。

當人類(lèi)將目光投向星辰大海，納米材料展現出前所未有的應用潛力。碳納米管構成的太空電梯纜繩，理論強度可達鋼材的百倍，使未來(lái)低成本天地運輸成為可能。而納米防護層技術(shù)則為航天器披上了“鎧甲”：納米氣凝膠的多孔結構既能阻隔太空極低溫，又能耐受返回艙再入大氣層時(shí)的超高溫；納米復合涂層通過(guò)多層界面反射機制，將宇宙輻射劑量降低3個(gè)數量級，為深空探測生命保障系統提供關(guān)鍵解決方案。

從日常穿戴到探索太空，從《三體》中的“納米飛刃”到現實(shí)中的納米機器人、納米電池等，納米功能材料正在以驚人的速度改變著(zhù)我們的世界。讓我們期待，這些微觀(guān)世界里的“魔法道具”，能帶來(lái)更多驚喜！

 來(lái)源：《人民日報》