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纳米纸开辟“魔法”未来

像纸一样薄的碳纳米缆绳的强度,就足以支撑起一架“太空电梯”。

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  透明、可弯曲、可降解的纳米纸晶体管(照片由同济大学提供)。

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  像纸一样薄的碳纳米缆绳的强度,就足以支撑起一架“太空电梯”。

  新闻背景

  近日,一些有关“纳米纸”的报道,引起许多人的兴趣。比如有报道称,浙江大学的科学家制作出一种新型“纳米纸”,这种材料还能与多种化学分子结合,制造出不同用途的新材料,实现抗菌、检测等功能的“72变”;还有报道称,上海同济大学和美国马里兰大学科学家共同研究的一项成果,以全透明、可弯曲、可降解的“纳米纸”为衬底,成功制造出同样透明、可弯曲、可降解的半导体器件,向“纸质电子产品”迈出重要一步,科幻电影中的幻想也许不久将变为现实。

  从头脑想象开始

  要介绍纳米纸,我们首先要介绍纳米技术的由来。

  早在1959年,诺贝尔奖获得者、美国著名物理学家费曼,在世界物理学会年会上发表了一篇演讲,题目是《在底部有一个很大的空间》。他在这篇文章中预言“至少依我来看,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性。”这就是纳米技术最早的预言,也被公认为是纳米技术思想的来源。

  费曼假定,一旦原子的语言被简洁地编码后,就可以对分子进行精确的工程加工,把一个原子放到另一个原子上,制造出最小的人工机器来。费曼说,如果把大头针的针头放大2.5万倍,它的面积就相当于24卷大英百科全书所有书页的面积,足以写下这套百科全书的内容。他想,如果能够以原子的尺度即纳米水平控制、制造物质,就一定能做到把大英百科全书写到一个针头上。

  真正有目的研究和发现纳米材料特性的要算德国材料科学家——格莱特。格莱特和同事经过几年的努力,终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末,包括铁、铜、铅等金属粉末,无机化合物和有机化合物的超细粉末。然后在真空室中原位加压制得纳米固体,这些材料竟然表现出意想不到的特殊性能。随后又发现纳米二氧化钛陶瓷在室温下呈现良好的韧性,使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。论文一发表,立即在世界上引起轰动。

  小,世界就不一样

  纳米是英文namometer的译音,符号为nm,是一个物理学上的度量单位。1纳米是1米的十亿分之一。专家测试发现,人类世界组成有形物质的最小尺度量级,就是纳米。再小的叫原子团、分子簇。

  一个纳米的尺寸到底有多小呢?等于5至7个原子的距离,一根头发丝的直径大约是五万个纳米。而纳米材料是指1-100纳米尺寸之间的材料。研究表明,当材料粒子进入纳米级粒子时,其本身就具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性。由于纳米粒子的尺寸已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等往往不同于该物质在整体状态时所表现的特性。比如,导电的变得不导电,不导电的变得导电,陶瓷可以做弹簧。纳米材料这种反常的令人惊奇的性能,引起科学家极大的兴趣。大家预测,这些看不见的小不点颗粒,有可能给人类社会带来极大的变化。

  有“魔力”的神奇纸

  “纳米纸”实际上是一个笼统的概念,泛指用纳米材料制作的纸,或者是采用纳米技术对纸张的某种性能进行改善而制造出来的纸张。

  纸张是各种印刷中最常用的承印物。根据目前的技术水平和纸张的实际应用,木纤维只能加工到微米(0.1~10μm)的水平。由于传统纸张所用的树木、竹、麻等纤维物的纤维较粗,而涂料(如碳酸钙等)、填充物(如高岭土等)的颗粒较大,使传统的纸张存在着一些缺陷,如普通纸具有怕水、怕潮等缺点,胶版印刷纸和静电复印纸虽然有防水、防潮等功能,但书写不方便,还有一些特殊的性能无法实现。

  近年来,随着纳米材料学的迅速发展,纳米技术在造纸工业的应用领域越来越广,新成果不断涌现,它可能会使造纸工业发生新的飞跃。而应用纳米技术,也产生了各种各样具有特殊功能的“纳米纸”。比如:

  强度奇高的纳米纸。2008年6月,瑞士科学家宣布成功研制出了一种高强度的纳米纸。该纸的发明人伯格伦德博士表示,这种纳米纸韧性极佳,且硬度很高。机械测试显示,该纸的强度比普通纸整整高出200倍,达到了目前建筑用钢的水平。从目前的技术发展趋势来看,防弹衣、太空服,还有汽车、飞机以及航天器的结构材料,都必将成为这种纳米纸的用武之地。

  具抗菌功能的纳米纸。许多有机抗菌剂都存在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物质、安全性能差等缺点。为此,人们积极开发研究无机抗菌剂,而利用超微细技术能够生产亚微米及纳米级的无机抗菌剂,可以很好地解决有机抗菌剂的缺点。

  纳米阻燃纸。对它来说,无论多大的火力,都不会引起燃烧,它只能烧焦、炭化,但不着火。阻燃纸一般可用于烟花、礼花、彩炮、圣诞玩具、旅游炊具等,甚至有人提出用这种纸做成消防队员等经常要与火打交道人员的衣服。

  磁性纳米纸。它可以像录音磁带那样在录音机上录音,也能放送出声音。

  心灵密码

  哈利-波特魔法报纸

  能变成现实吗

  看过电影《哈利-波特》的读者,都会对其中的“魔法报纸”留有深刻的印象。而可弯曲、便携化、低成本化、绿色环保,这些恰恰也是当前电子产品的重要的发展趋势。最近同济大学黄佳教授和美国马里兰大学胡良兵教授联合研发的纳米纸晶体管,正是这一发展方向上的重要一步。

  晶体管是半导体器件的最基本、同时也是最重要的元件之一。普通的晶体管基于无机半导体材料,比如晶体硅,是坚硬而不可弯曲的。而要制备可弯曲的晶体管,首先所使用的半导体材料就需要可弯曲。有机半导体就是一种可弯曲的半导体材料。更重要的是,很大一部分有机半导体可以溶于溶剂中,因而与纸的亲和力比较强,能用多种低成本的沉积方式在纸上面成膜,包括印刷、打印、旋涂、蒸镀等。

  而要将电子产品做在纸张上,则面临不少困难,对相关技术和制备工艺提出了挑战。普通纸张纤维粗,透光但不透明;而且普通纸张的表面粗糙,凹凸不平,要在它上面制备半导体层,不仅很难形成完整、连续、均匀的膜,而且还容易导致晶体管漏电。为此,研究者就将普通造纸所用的木浆纤维,经特殊处理使其尺度达到纳米量级。如此制作出来的“纳米纸”可有效减少对光的吸收和散射,不仅变得透明,而且其表面有如塑料一般光滑,这为接下来在它上面制备性能优良的晶体管奠定了重要基础。以这一新型“纳米纸”为衬底材料,在上面制备出由碳纳米管、绝缘层、有机半导体组成的透明度高达84%、可弯曲的晶体管。实际的性能测试表明,即便将整个器件以3.5毫米的半径弯曲起来时,它上面的透明晶体管仍能保持优良的工作性能。

  而部分有机半导体材料所具备的“可溶性”这一优点,结合纸质衬底材料的可打印特性,使得通过全打印方式来制备器件成为可能,这样一来将进一步降低电子产品的成本。或许在不久的将来,人们就能利用可再生资源印刷出透明可弯曲的电子设备,类似于电影《哈利-波特》中“魔法报纸”的纸质电子产品就会出现。

  你知道吗

  纳米材料的“黑色效应”

  众所周知,不同的材料具有各种不同的颜色。可是,一旦所有这些材料都被制成纳米超细粉末时,它们的颜色便一律都是黑色的。原来,当材料的颗粒尺寸变到小于光波的波长时,形不成反射面,它对光的反射能力变得非常低,大约低到小于1%,因此,我们见到的纳米材料便都是黑色的了。这种现象被称为纳米材料的“黑色效应”。

  • 责任编辑:房小葵

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