从《三体》看我国纳米材料的研究现状及趋势

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　 　《三体》三部曲被誉为迄今为止中国当代最杰出的科幻小说，是中国科幻文学的里程碑之作，将中国科幻推上了世界的高度。并于2015年获得美国科幻奇幻协会“星云奖”提名。2015年8月23日，《三体》获第73届雨果奖最佳长篇故事奖，这是亚洲人首次获得雨果奖。
　　《三体》中谈及的纳米材料，玄之又玄，书中写到用纳米材料制造的太空电梯，为人类建造大规模的太空防御体系做了准备条件，而在现实世界中，纳米材料发展到了什么程度呢？让我们来深度剖析一下吧！
　　21世纪，伴随着传统能源的日益枯竭，高新技术和社会的发展对新材料提出了新的需求，一些高精尖行业对材料性能的要求也在不断地提高。最近几年来，世界上许多的国家在纳米材料领域取得了一系列的成就。一个外国知名科学家曾说过，“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能将给各个领域带来一场革命”。在目前以及未来的一段时间内，纳米材料的应用将对调整国民经济支柱产业的布局有着重要影响，对新产品的开发、新产业的形成和企业科技含量的提升提供了新的途径。因此，我国对纳米材料进行了积极的布局，并将其上升为战略研究层面。
一、纳米材料的研究历程　　国际上，对纳米材料的研究及应用已经成为本世纪初的一项重要课题，纳米技术不仅带动了纳米产业的发展，也推动了社会前进的步伐。从纳米材料的研发历程来看，纳米材料技术经历了如下几个重要的发展阶段。
　　1930年左右，日本对纳米材料进行了一次真正意义上的研究，即用真空蒸发法研制超微颗粒物。但是因为技术层面的限制，实验虽成功研制出世界第一批超微铅粉，但其性能却不尽人意，铅粉颗粒的光吸收性能较差。
　　20世纪60年代前后，受到第三次科技革命的影响，各国政府对新材料的研制更加重视，纷纷支持本国的研究者对纳米粒子进行研究。在1964年，Uyeda成功研制出金属纳米微粒，使用的研究方法是气体蒸发冷凝法，同时也对纳米微粒进行了电镜和电子衍射等相关研究。1985年德国萨尔兰大学的Gleiter成功研制出纯物质的纳米细粉，之后美国阿贡实验室的Siegal也成功研制出类似物质。Gleiter的研究条件为高真空的环境，利用粒子直径为6nm的铁粒为原料将其加压成形，最后烧结出纳米微晶体块，这个实验的成功，使纳米材料的研究进入了一个全新的阶段。
　　1990年，在美国召开了第1届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料为材料科学的一个正式分支。
　　依照对纳米材料的研究内涵和特点，基本划分为3个阶段：
　　1990年之前：这个阶段主要是实验室的探索阶段，科学家们采取各种方法制备纳米颗粒粉体，依据实验结论得出纳米材料与其他常规材料不同的性能；研究对象比较单一，主要是研究单一材料和单相材料，这种材料也被称为纳米晶或纳米相材料。
　　1990-1994年：在这个阶段对纳米材料的研究方向主要是对已发现纳米材料的物理和化学性能进行深入的研究，合成新型复合材料。1994年至今：新的研究方向为纳米组装体系。此外，学者对人工组装合成的纳米结构材料体系的研究也如火如荼。通常这类材料被学者们称为纳米组装材料体系，其基本研究原理是利用纳米颗粒在多维空间组装排列成具有纳米结构的体系。
二、国内外纳米材料的研究现状　　随着各种新兴技术以及相关产业的发展，对纳米材料的需求日益增多，纳米技术的基础理论等相关研究也都在飞速发展，相关技术在医疗、电子等行业应用得比较广泛，并已面向产业化的方向发展。虽然在美国、日本等几个国家已经实现纳米粉体材料的批量生产，但未来的研发之路是任重而道远的，纳米生物材料和纳米医疗诊断材料等产品还将处在不断的探索过程中。有关机构曾经做过预测：到2020年，全球纳米新材料市场规模达86亿美元，行业的年增长率为24.6%。
　　最近几年，各国政府和企业对纳米技术的研究投入了大量的人力和物力，促进了纳米新材料产业的发展，纳米材料的市场规模将进一步扩大。
　　美国将纳米材料的研发列为国家战略层面的科研项目之一，这与其在国防、军事、航空航天等领域的广泛应用分不开。纳米材料优良的性能已被认可，正逐渐应用到农业、生物、医疗等领域，创造巨大的经济效益。
　　我国开展纳米材料的研究并不算晚，目前，我国有100多个从事纳米材料基础和应用研究的机构。其中，开展研究工作比较早的单位既有高校也有研究所，例如清华大学、吉林大学、东北大学等老牌学校，以及长春应用化学研究所、感光化学研究所等研究院所。在过去的一段时间里，我国纳米材料基础领域的研究取得了丰硕的成果。在研究过程中，主要采用物理和化学方法，并且将多种方法结合使用，研制出金属以及合金的氧化物和氮化物等一系列纳米颗粒；积极地向走在前列的国家学习，并且引进一些急缺但是却不能自主生产的设备，对纳米微粒的尺寸进行有效地控制，将研究的成果应用于生产中，其中生产出一系列高科技产品，例如纳米薄膜、纳米块材等；积极地从各个角度对纳米材料的特性进行挖掘，在很多的方面都积极而显著地创新，取得了一系列的进展，成功地研制出具有优良性能的纳米陶瓷，其主要表现在密度高和结构复杂等方面；另外，我国在世界上首次发现超塑性形变现象，即纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳应力集区所表现出的特性；在其他纳米技术应用的领域也取得了不菲的战绩，例如对功能纳米材料进行了深入的研究，并且取得一系列的丰硕成果。
　　在“八五”研究工作的基础上，我国建立了几个纳米材料研究基地，具有代表性的主要有南京大学、中科院金属所、中科院物理所、国防科技大学、清华大学等。这些基地的建立为纳米材料的研发创造了条件。经过数十年的工作基础和工作积累，我国在纳米材料和纳米结构的研究方面取得了长足进步，在国际社会上具有一席之地。新时期，国内的科研院校不仅为我国纳米材料研究培养了高质量的纳米材料科研人员，还对纳米材料的应用进行了研究，促进了成果转化工作。今后一段时期内，这些科研单位和高校都将是我国纳米材料研究的重要组成部分。
　　据有关部门的统计，目前我国已有700多个以“纳米”命名注册的公司，注册资金达到560多亿元。通过纳米材料的标准化工作，规范纳米材料产品的生产，使纳米材料高新技术与传统产业的改造有机结合，提高了传统产业的技术水平，提升了产品的档次与性能，促进了传统产业的结构调整，加速了传统产业的改造。
三、纳米产业发展的趋势　　纳米材料作为一种新型材料，其研究虽然还存在诸多问题，但是伴随着科学技术水平的发展，纳米技术上存在的问题都会一一被解决。纳米技术将逐渐与其他技术相融合，最终融入到社会生活中。
　　第一，纳米技术与信息产业的融合。
　　信息产业在世界上占有举足轻重的地位。2010年，我国信息产业的利润占GDP的10%。纳米技术与信息产业相融合，具体表现在以下几个方面：首先，现阶段网络通讯、芯片技术以及高清晰度数字显示技术不断发展，推动了纳米技术的发展。未来对通讯和集成等方面的零件性能要求会越来越高，美国等一些发达国家已经着手研究，实验室的研究也取得了一定的成功。其次，我国在分子电子器件和巨磁电子器件等领域的研究起步较晚，研究比较滞后。最后，在网络通讯中，我国对其中一些关键的器件如谐振器、微电容和微电极等方面的研究不足，与世界的差距较大，在进行研发的时候也要努力提升相关零件的性能。这些都为纳米技术与其产业的融合留下了巨大的空间。
　　第二，纳米技术与环境产业的融合。
　　纳米技术在空气净化以及水污染物的降解方面不可或缺，纳米技术在净化环境方面的意义重大。目前，我国已经制造出可以充分降解甲醛、氮氧化物等一系列污染物的设备，可以大为降低空气的污染程度，可以将有害气体的浓度从10ppm（指用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度）降低到0.1ppm；近年来，很多公司致力水处理产业，利用纳米技术的光催化性能净化水质，提高生活用水和工业用水的质量，已经取得了一定成就；在未来，纳米技术在环境领域的应用将会更加广泛。
　　第三，纳米技术与能源环保产业的融合。
　　当今，对能源的不合理开发和滥用已致使其呈现出日益枯竭的状态。所以，合理有效地利用能源是我国今后的一项重要工作，同时对新能源的开发和利用也刻不容缓。一方面在传统能源领域，加紧对其催化剂的研究，这样可以使煤炭、石油等资源充分利用，充分燃烧，同时减少废气的排放，这些都需要纳米技术的支持。另一方面，在开发新能源方面，我们不仅要自主创新，还要积极地借鉴国外的先进经验，开发一些可燃气体，开发清洁能源，将一系列的新能源更便捷的在日常生活中应用。第四，纳米技术与生物医药产业的融合。
　　我国加入世界贸易组织后，各个行业都受到不同程度的冲击。以医药行业为例，在国际医药行业决定采用纳米尺度发展制药业的大背景下，我国必须奋起直追，不能落后。纳米生物医药发展的方向在于从动植物提取需要的材料，之后通过纳米技术处理，使其药效最大限度地发挥出来，这也是我国中医的理论思想。在医药方面采用纳米技术生产，也可以提高纳米技术的适用层次。
　　第五，纳米新材料的研发。
　　美国一家机构预测：到21世纪50年代前后，汽车上60%的金属材料要被新型复合材料所代替，采用高强度轻质量的材料可以大幅度节省汽油，节油量甚至可以达到55%；还减少了尾气的排放量，尤其是二氧化碳的排放，这不仅会创造经济效益，还会带来巨大的环境效益。在车体使用纳米材料，发挥其优良的性能，不仅提升汽车的力学性能，而且还使汽车具有反射各种紫外线、红外线的功能，减少了外界的干扰。
　　第六，利用纳米技术对传统产业进行改造。
　　未来，将纳米技术与传统产业完美相融合已经变成可能，这也为传统行业的东山再起创造了条件。首先在电子行业采用纳米技术，例如研制纳米冰箱，减少甚至免除冰箱门发霉的问题；另外，在纺织行业，要想我国的纺织行业在激烈的市场经济竞争中立于不败之地，必须寻求突破，在纺织材料领域全方位应用纳米技术和纳米材料。提升衣服的质量和品质，使我国的纺织行业在国际上更具有竞争力。