陈根：纳米技术，实现碳中和的引线 _纳米技术

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文/陈根
当前，纳米技术经过数十年的发展，方兴未艾。作为微纳尺度上的创新性技术，纳米技术能够制造出具有高度柔韧性、导电性、耐用性的新材料，所使用的纳米仪器和制备的纳米颗粒也使科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变，纳米虽小，其用却大，尤其是在能源领域。
人们从来没有像今天这样重视能源，当人们再一次面临着一场能源迭代时，也意味着一个全新的能源时代正在加速到来。能源转型的关键，是能够规模地开发和使用新型能源，这首先需要确保对于能源开发利用在技术和经济上是可行的，而不仅仅是从简单的政策层面进行节能减排。
在这样的背景下，纳米技术产业的发展正以无可比拟的优势赋能新时代能源的变革，为实现碳中和补齐最后一块技术的拼图。

纳米虽小，其用却大
长度单位的纳米，是一米的十亿分之一，而一个分子是1纳米，一根头发是7.5万纳米，注射用的针头是100万纳米，一个身高2米的篮球员运动员则能达到20亿纳米。显然，这与我们所知的宏观世界截然不同，纳米是一个度量微观世界的长度单位，纳米特殊的长度，也赋予了纳米特殊的性质。
我们都知道，不断分割一块橡皮，会不断增加橡皮裸露在外的面积，这就意味着裸露在外面的原子也会增加。当我们把一块物体切到只有几纳米的大小，那么一克这样的物质所拥有的表面积就将达到几百平方米的大小。
于是，随着粒子的减小，有更多的原子分布到了表面。当粒子的直径为10纳米时，约有20％的原子裸露在表面。而我们平常接触到的物体表面，原子所占比例还不到万分之一。与此同时，原子之间需要依靠化学键相互连接，这就导致表面的原子由于没能和足够的原子连接，很不稳定，具有很高的活性。
比如，用高倍率电子显微镜对金的纳米粒子进行摄像观察，就会发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状，它既不同于一般固体，也不同于液体；在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，而尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒才具有稳定的结构状态。
具体来看，光学性质方面，纳米粒子的粒径小于光波的波长，因此，将与入射光产生复杂的交互作用。纳米材料因其光吸收率大的特点，可应用于红外线感测材料。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1% ，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性，可以将纳米粒子制成光热、光电等转换材料，从而高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外，又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
热学性质方面，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点往往是固定的，超细微化后，却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。比如，金的常规熔点为1064℃ ，当颗粒尺寸减小到10纳米时，熔点则降低27℃ ， 2纳米时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃ ，而超微银颗粒的熔点则可低于100℃ 。
因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具有高质量。
磁学性质方面，一个经典的例子就是鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体特殊的回归本领。这类生物体中存在超微的磁性颗粒，才使这类生物在地磁场导航下能辨别方向。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。
力学性质方面，陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此纳米陶瓷材料能表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。

陈根：纳米技术，实现碳中和的引线

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