纳米技术到底能改变什么——硅谷精神布道师皮埃罗

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1、纳米技术到底能改变什么——硅谷精神布道师皮埃罗《浙商》杂志资深记者牛金霞我们正处于材料重大变革的边缘，而“材料革命”又将推动消费电子产品、生物技术、物联网以及空间探索等多个领域的革命。纳米，长度单位，1纳米=0.000001毫米。在这样极其细微的尺度上，人类能做什么？纳米技术就是研究结构尺寸在I纳米~100纳米范围内的材料的性质和应用。纳米技术带动了纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米牛物学等学科的发展。世界各国都在纳米技术领域发力，试图抢占纳米科技的战略高地。新材料改写电池历史《浙商》：纳米技术迄今为止最成功的案例或故事是什么？很多人提到纳

2、米技术都会首先提到新材料，这些新材料到底有什么神奇之处？皮埃罗：到目前为止，纳米技术最成功的故事发生在英国。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈•海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫教授用一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，很快在科学界引起震动。石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层，是目前已知的最轻、最强的材料（比钢强200倍），也是已知室温下最好的导热体和导电体（能以每秒1000公里的速度传输电力）。同时，碳是这个星球上除了氢、氨和氧之外第四大最常见和最丰富的元素，这意味着石墨烯是可持续的绿色材料。石墨烯很快影响到诸多领域，比如半导体、可弯曲电子产品以及太阳

3、能电池等。以电池来说，2014年，KisukKang的团队在韩国首尔国立大学设计了一个全石墨烯电池。ElenaPolyakova2009年在纽约成立的石墨烯实验室（现为石墨烯3D实验室）正在制作石墨烯的3D打印电池。除此之外，中国的合肥工业大学在基于石墨烯电极制作锂离了电池方面也有不少突破。在1996年KuzhikalailAbraham在EIC实验室造出锂空气电池之前，这种新一代大容量电池一直只有理论上的可能性。锂空气电池能储存的电能是目前最好电池的十倍以上，几乎跟汽油不相上下。汽油的储能是每公斤13千瓦，而这种电池是每公斤12千瓦。近20多年间，锂空

4、气电池一直很难造出来，直到2015年剑桥大学克莱尔•格雷的团队使用石墨烯构造出高度多孔、海绵状的碳电极。这意味着什么呢？我们可能很快就能看到使用锂空气电池的新能源汽车，它的续航能力将跟使用汽油的汽车不相上下。也就是说，石墨烯可以被用来建造比目前的电池有更好表现的超级电容器，充电的速度也会大大提高。2008年，诺基亚研究中心和剑桥大学合作推出了一款应用纳米技术的概念机“诺基亚Morph”,它可以自由转变成各种形状，表面还能自动清洁，不过，它是通过太阳能自充电的，商业应用上还不可行。如今，激光刻划石墨烯（LSG）超级电容器将有望改变这一状况。石墨烯可以用来制

5、造能卷起来放在口袋里的手机，或者薄如墙纸的电视机。总之，可折叠、可弯曲的电子装置都将成为可能。石墨烯还可以用于制造更好的太阳能电池。2012年，斯坦福大学化学工程教授鲍哲南的团队用石墨烯和碳纳米管取代了传统电池电极的材料，研发出第一个全碳太阳能电池，意味着可拉伸甚至更便宜的太阳能电池板成为可能。2015年，杰瑞米•芒迪带领的美国马里兰大学电气与计算机工程系的研究团队研发出了一种新型纳米级太阳能电池，其能源转换水平较当前的光伏太阳能电池技术提升40%o目前，劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家迈克尔•克荣米和加州大学伯克利分校的一位物理学教授正在单个分子尺度

6、上研究太阳能电池（即单个石墨烯纳米带）。当然，燃料电池也可以是清洁能源。燃料电池也有两个电极，看起来就像传统的电池，但它可以从一个简单的化学反应中产生电力：通过氧化反应和电解质释放电能。这种反应会在两个电极之间产生一点点电量，为了增加电量，电极必须涂覆催化剂。传统的催化剂是钳,但这是一种昂贵的材料。而斯坦福大学戴宏杰的团队找出了替代材料：碳纳米管。石墨烯也比大多数材料更具有“生物相容性”，即它不会导致人体内部的损伤或感染。意大利里雅斯特大学的实验表明，石墨烯电极可以安全地植入大脑中。助力海水淡化，变革电子装置《浙商》:石墨烯被发现后确实掀起了一股“石墨烯

7、热”，除了电池外，您还对它的哪些应用感兴趣?皮埃罗：2015年，美国加利福尼亚州遭受严重干旱。讽刺的是，这个以高科技闻名的地方经常遭遇水危机，即便它拥有1350公里的海岸线。原因在于加州只有两个海水淡化厂，而淡化海水常用的反渗透法需要消耗大量能量，因此，海水淡化的问题其实变成了一个能源生产问题。据世界卫生组织估计，冃前全球有超过20亿人得不到生活所需的干净淡水。1991年，口本物理学家饭岛澄男首次观察到碳纳米管,那时石墨烯还没有被发现。几年后，杰弗里•格罗斯曼和大卫•科恩唐奎在美国麻省理工学院的研究表明，使用石墨烯能让反渗透法淡化海水的效率成百倍地提高。

8、之后，美国田纳西州橡树岭国家实验室的科学家们继续完善了这一方法。纳米材料有很多种