從日常穿戴到探索太空，納米材料能帶來哪些顛覆性技術

原標題：微觀世界“精靈”，應用潛力無限——

納米材料能帶來哪些顛覆性技術（瞰前沿）

圖①：“太空電梯”創意圖。資料圖片

圖②：碳納米管示意圖。影像中國

“實現原子級特徵尺度與可重構光頻相控陣的納米激光器”入選2024年度“中國科學十大進展”，我國科研團隊研發的納米機器人可為患者清除血栓……小小納米，潛力無限，在微觀世界迸發推動科技發展的動能。

從我們身邊應用荷葉原理製作的防水塗層服飾，到納米藥物、納米傳感器等，納米科技正在各個領域裏“以小博大”、改變生活。未來，納米功能材料還將助力“太空電梯”等科幻場景變為現實。本期“瞰前沿”，讓我們走進納米小世界，看見更加廣闊的科技未來。

——編  者  

微觀“精靈”

展現驚人性能

在劉慈欣的科幻小説《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，能夠輕鬆將一艘巨輪切割成無數薄片。這看似科幻的情節，其實離我們並不遙遠。納米功能材料——這一微觀尺度上的“精靈”不僅活躍在科技前沿，也在改變我們的生活。

納米是一個長度單位，1納米等於十億分之一米。物質被“切割”到納米級別時，會展現出與宏觀尺度時截然不同的特性。原本導電的金屬深入到納米尺度後，會逐漸變成半導體進而變成絕緣體；當尺寸進一步減小時，表現出量子效應，又變成了導體。在微觀世界裏，納米功能材料會呈現宏觀量子隧道效應、表面效應、小尺寸效應等神奇性質。

科幻源自現實，《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，雖然無法像小説裏描述的那樣成為削鐵如泥的利器，但在實驗室裏，我國科學家研發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；在產業應用方面，利用流化牀技術，工廠裏已經生產出用於新能源車的萬噸級多壁碳納米管導電漿料；未來，利用碳納米管，還可以製造碳基芯片、工業催化劑、顯示屏、X射線管等。

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

特性“變身”

在納米尺度施展“魔法”

當物質維度縮小至納米量級，彷彿被施加了某種“魔法”，其固有屬性會發生顛覆性變化，這種由尺度劇變引發的奇異現象，既為科研探索打開新維度，也為技術應用開闢新路徑。

物質本徵特性的變化在聲、電、光、磁、力等方面都很顯著。例如，在宏觀尺度下，金需要1064攝氏度高温方能熔化，在其粒徑縮減至2納米時，其熔點竟驟降至約327攝氏度，這為冶金工藝節能增效提供了全新思路。光學性質的重構更具視覺衝擊力——宏觀尺度下，銅呈現典型的紫紅色金屬光澤，在納米尺度下竟然變為深邃的黑色。除了變色，原本化學性質穩定的金屬銅，在納米化後具有自燃特性，呈現前所未有的反應活性。

特性“變身”，正改寫多個領域的技術範式。經特殊處理的納米活性炭，其比表面積較傳統材料實現數量級躍升，吸附容量增長10倍以上，成為淨水系統中重金屬與有機污染物的“捕手”；基於納米隱身塗層，可在特定頻段實現雷達波的隱身，在國防安全領域有重要作用。

在納米尺度構築功能結構，研究人員需依賴原子力顯微鏡、聚焦離子束刻蝕系統等尖端設備，在埃米級精度下實現材料組裝。當物質進入納米王國，其展現的奇異特性正在催生一批顛覆性技術，驅動人類認知與工程實踐向更微觀尺度的縱深挺進。

日常應用

多個領域大有可為

納米功能材料並非擺在實驗室裏的“花瓶”，它們正在各個領域大顯神通。

當納米科技與醫療領域深度融合，人類對抗疾病就有了新“武器”。納米藥物如同精確制導導彈，通過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。在臨牀中，淋巴示蹤劑以納米活性炭為基底，能在術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，顯著增強療效的同時降低全身毒副反應。實驗室裏的納米機器人更具未來感，可以用於血液循環系統巡航，即時清除血管沉積物，甚至對受損細胞進行納米級手術修復，為癌症治療開闢全新範式。

能源領域，鋰離子電池中碳納米管構建的三維導電網絡，為電極材料獲得電子帶來一條“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石墨烯散熱塗層在冬天實現熱量二次利用，突破續航瓶頸。在安全防護方面，納米隔熱塗層具有熱屏障性能，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，為車禍逃生爭取寶貴時間。

納米尺度上的信息產業也大放光彩：當光刻機突破2納米工藝節點，指甲大小的芯片內晶體管數量突破百億大關，算力洪流驅動着人工智能、物聯網等前沿領域跨越式發展，與之並行的納米傳感器技術，正將環境監測與健康管理推向即時精準的新階段。

未來應用

重塑人類探索的邊界

納米功能材料擁有廣闊的應用前景，納米技術正在重塑人類感知與探索的邊界。

在AR（增強現實）領域，納米光波導技術正將科幻場景變為現實。AR眼鏡採用納米級光波導鏡片，重量僅幾十克卻擁有超過80度的視場角，透過鏡片，用户可體驗信息獲取、導航、翻譯等功能。鏡架上集成的納米天線陣列，在釐米級空間內構建起高速通信通道，使設備擺脱線纜束縛，真正融入智能生活場景。

智能穿戴設備在納米技術加持下正突破形態與能源限制。納米柔性屏採用可拉伸的銀納米線電極，使智能手錶能像皮膚般貼合腕部；納米發電機技術利用氧化鋅納米線在機械形變中產生的壓電效應，可以將人體運動能轉化為電能。

當人類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，使未來低成本天地運輸成為可能。而納米防護層技術則為航天器披上了“鎧甲”：納米氣凝膠的多孔結構既能阻隔太空極低温，又能耐受返回艙再入大氣層時的超高温；納米複合塗層通過多層界面反射機制，將宇宙輻射劑量降低3個數量級，為深空探測生命保障系統提供關鍵解決方案。

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着我們的世界。讓我們期待，這些微觀世界裏的“魔法道具”，能帶來更多驚喜！

（作者為國家納米科學中心成果轉化處處長、正高級工程師）

學術支持：中國科學技術協會、國家納米科學中心