科普之窗 | 纳米材料能带来哪些颠覆性技术

编者按

“实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器”入选2024年度“中国科学十大进展”，我国科研团队研发的纳米机器人可为患者清除血栓……小小纳米，潜力无限，在微观世界迸发推动科技发展的动能。

从我们身边应用荷叶原理制作的防水涂层服饰，到纳米药物、纳米传感器等，纳米科技正在各个领域里“以小博大”、改变生活。未来，纳米功能材料还将助力“太空电梯”等科幻场景变为现实。本期“瞰前沿”，让我们走进纳米小世界，看见更加广阔的科技未来。

微观“精灵”

展现惊人性能

在刘慈欣的科幻小说《三体》中，名为“纳米飞刃”的神奇材料令人印象深刻——一种极其纤细的透明丝线，能够轻松将一艘巨轮切割成无数薄片。这看似科幻的情节，其实离我们并不遥远。纳米功能材料——这一微观尺度上的“精灵”不仅活跃在科技前沿，也在改变我们的生活。

纳米是一个长度单位，1纳米等于十亿分之一米。物质被“切割”到纳米级别时，会展现出与宏观尺度时截然不同的特性。原本导电的金属深入到纳米尺度后，会逐渐变成半导体进而变成绝缘体；当尺寸进一步减小时，表现出量子效应，又变成了导体。在微观世界里，纳米功能材料会呈现宏观量子隧道效应、表面效应、小尺寸效应等神奇性质。

科幻源自现实，《三体》中的“纳米飞刃”，有自己的原型——碳纳米管。这种由碳原子组成的管状结构，强度是钢的100倍，却比碳纤维还细。目前的碳纳米管，虽然无法像小说里描述的那样成为削铁如泥的利器，但在实验室里，我国科学家研发的单根结构完美的碳纳米管纤维，可以吊起一头成年亚洲象；在产业应用方面，利用流化床技术，工厂里已经生产出用于新能源车的万吨级多壁碳纳米管导电浆料；未来，利用碳纳米管，还可以制造碳基芯片、工业催化剂、显示屏、X射线管等。

其实，纳米功能材料也并非全是人工合成，在大自然中也有这些微观“精灵”的身影——荷叶表面的纳米级乳突结构，能够让水珠滚落时不留痕迹；蝴蝶翅膀能随光线变化呈现不同色彩，也是因为翅膀上的纳米结构；我们牙齿表面的牙釉质，也是由纳米级的羟基磷灰石晶体构成，这使得牙釉质具有极高的坚固度和耐磨性……这些天然纳米功能材料，在漫长的历史进化中展现出惊人性能。

特性“变身”

在纳米尺度施展“魔法”

当物质维度缩小至纳米量级，仿佛被施加了某种“魔法”，其固有属性会发生颠覆性变化，这种由尺度剧变引发的奇异现象，既为科研探索打开新维度，也为技术应用开辟新路径。

物质本征特性的变化在声、电、光、磁、力等方面都很显著。例如，在宏观尺度下，金需要1064摄氏度高温方能熔化，在其粒径缩减至2纳米时，其熔点竟骤降至约327摄氏度，这为冶金工艺节能增效提供了全新思路。光学性质的重构更具视觉冲击力——宏观尺度下，铜呈现典型的紫红色金属光泽，在纳米尺度下竟然变为深邃的黑色。除了变色，原本化学性质稳定的金属铜，在纳米化后具有自燃特性，呈现前所未有的反应活性。

特性“变身”，正改写多个领域的技术范式。经特殊处理的纳米活性炭，其比表面积较传统材料实现数量级跃升，吸附容量增长10倍以上，成为净水系统中重金属与有机污染物的“捕手”；基于纳米隐身涂层，可在特定频段实现雷达波的隐身，在国防安全领域有重要作用。

在纳米尺度构筑功能结构，研究人员需依赖原子力显微镜、聚焦离子束刻蚀系统等尖端设备，在埃米级精度下实现材料组装。当物质进入纳米王国，其展现的奇异特性正在催生一批颠覆性技术，驱动人类认知与工程实践向更微观尺度的纵深挺进。

日常应用

多个领域大有可为

纳米功能材料并非摆在实验室里的“花瓶”，它们正在各个领域大显神通。

当纳米科技与医疗领域深度融合，人类对抗疾病就有了新“武器”。纳米药物如同精确制导导弹，通过表面修饰的靶向分子精准识别癌细胞特有的生物标记物，将药物直接输送至病灶核心。在临床中，淋巴示踪剂以纳米活性炭为基底，能在术前清晰勾勒出肿瘤边界，为外科医生提供三维导航；而纳米脂质体包裹的化疗药物，则能突破肿瘤血管屏障，在靶区将药物浓度提升数十倍，显著增强疗效的同时降低全身毒副反应。实验室里的纳米机器人更具未来感，可以用于血液循环系统巡航，实时清除血管沉积物，甚至对受损细胞进行纳米级手术修复，为癌症治疗开辟全新范式。

能源领域，锂离子电池中碳纳米管构建的三维导电网络，为电极材料获得电子带来一条“高速公路”，充电速度以指数级提升。不仅如此，纳米改性电池还可以通过石墨烯散热涂层在冬天实现热量二次利用，突破续航瓶颈。在安全防护方面，纳米隔热涂层具有热屏障性能，即便电池遭遇极端热失控，也能维持15分钟左右的结构完整，为车祸逃生争取宝贵时间。

纳米尺度上的信息产业也大放光彩：当光刻机突破2纳米工艺节点，指甲大小的芯片内晶体管数量突破百亿大关，算力洪流驱动着人工智能、物联网等前沿领域跨越式发展，与之并行的纳米传感器技术，正将环境监测与健康管理推向实时精准的新阶段。

未来应用

重塑人类探索的边界

纳米功能材料拥有广阔的应用前景，纳米技术正在重塑人类感知与探索的边界。

在AR（增强现实）领域，纳米光波导技术正将科幻场景变为现实。AR眼镜采用纳米级光波导镜片，重量仅几十克却拥有超过80度的视场角，透过镜片，用户可体验信息获取、导航、翻译等功能。镜架上集成的纳米天线阵列，在厘米级空间内构建起高速通信通道，使设备摆脱线缆束缚，真正融入智能生活场景。

智能穿戴设备在纳米技术加持下正突破形态与能源限制。纳米柔性屏采用可拉伸的银纳米线电极，使智能手表能像皮肤般贴合腕部；纳米发电机技术利用氧化锌纳米线在机械形变中产生的压电效应，可以将人体运动能转化为电能。

当人类将目光投向星辰大海，纳米材料展现出前所未有的应用潜力。碳纳米管构成的太空电梯缆绳，理论强度可达钢材的百倍，使未来低成本天地运输成为可能。而纳米防护层技术则为航天器披上了“铠甲”：纳米气凝胶的多孔结构既能阻隔太空极低温，又能耐受返回舱再入大气层时的超高温；纳米复合涂层通过多层界面反射机制，将宇宙辐射剂量降低3个数量级，为深空探测生命保障系统提供关键解决方案。

从日常穿戴到探索太空，从《三体》中的“纳米飞刃”到现实中的纳米机器人、纳米电池等，纳米功能材料正在以惊人的速度改变着我们的世界。让我们期待，这些微观世界里的“魔法道具”，能带来更多惊喜！