「纳米技术」中现在有哪些真正的被应用了？或者具有很好的应用前景？

青草 · 发表于 2024-10-25 16:02

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广告铺天盖地的“纳米冰箱”“纳米洗衣机”“纳米饮水器”都几乎和纳米不沾边，最多就是用了加强版活性炭。
实验室里的研究那么热，相关杂志影响因子都迅速攀升。真正有应用前景的有哪些？
虽然每篇文章都会声称自己这个技术有很好，极好，相当好的“潜在应用前景”。
原文地址：https://www.zhihu.com/question/19767153

长长的路 · 发表于 2024-10-25 16:02

谢邀。我是中国科学院院士、国家纳米科学中心主任赵宇亮。纳米技术经过多年科普，现在大家已经不陌生了。纳米技术的应用前景，我在参加大师课堂《科学家讲科学》中也跟广大青少年科普了类似的应用。现在回答下知乎网友提出的类似问题。
20世纪80年代，人类通过扫描隧道显微镜，第一次正式开启了对纳米尺度世界的科学观测与研究。纳米是非常小的长度单位，1纳米是10的负9次方米。只有“十亿分之一米”，相当于人类头发丝直径的五万分之一。如果把直径为1纳米的小球放在乒乓球上，差不多就相当于是把一个乒乓球放在了地球上。

新奇的纳米世界
纳米技术研究的尺寸对象一般在1纳米到100纳米之间，但在具体的研究中也不局限在这个尺度范围，主要看纳米尺度结构或纳米物质是否出现新奇的物理特性、化学特性、生物学特性或医学功能等。
那么纳米世界能有什么新奇呢？大家知道，一些金属氧化物通常情况下没有磁性，但在20纳米尺度以下就会表现出顺磁性。金的熔点一般为1064度，但到了1-2纳米，在室温就会融化。微粒的尺度不一样，性能会天差地别，这就是纳米尺寸效应。
物质世界从无功能到有功能的过渡临界，发生在纳米尺度；同时，生命世界从非生命到有生命的过渡临界，也发生在纳米尺度。所以，要调控物质世界，比如，获取物质的新功能，从调控纳米尺度上的结构入手最有效。因为，导致物质宏观功能的源头在这里。

目前，全世界有60多个国家专门成立了国家层面的国家纳米研究计划。中国也不例外。我国纳米科技研究起源于20世纪80年代后期。目前，在纳米科技的基础研究和应用基础研究领域，中国是全球最活跃也是最有影响力的国家之一。
纳米技术有哪些真正的应用
有人可能觉得，纳米有什么稀奇的，自己老早就穿上了纳米内裤，垫上了纳米鞋垫，日常生活中的很多物品、商品早就带上了“纳米”二字。
大约二十年前，出现了五花八门的纳米产品，一些不良商家想蹭“纳米”热度，将其作为营销噱头，出现了很多名字带“纳米”二字，却和纳米毫无关系的商品。甚至，那时有消费者认为“纳米科技”就是骗局。
其实，那时纳米技术尚未大规模应用。如今，纳米技术已经应用到很多方面、很多产品中，“纳米”二字反倒不用再强调用来标榜自己了。当它大规模使用的时候，人们可能就不再拿它做噱头，纳米技术一定会改善，也正在改变我们的生活，尤其是，当人类跨入智能社会，纳米技术更是无处不在。
纳米技术最熟悉的应用其实就在身边。手机里面的计算芯片是用人类迄今最为精细的微纳加工技术制造出来的。一部智能手机中有100多个零部件都是纳米技术和纳米材料的产品。5nm芯片每平方毫米的面积上就装有大约1.5亿个左右的晶体管，2nm芯片的晶体管密度大约是5nm芯片的2倍。一颗比人类指甲稍大的芯片里面装有上百亿个晶体管，其数量比地球人数还多。
另外，U盘等移动存储也是纳米技术的应用。其原理就是纳米材料巨磁阻效应所带来的变化。巨磁阻效应的发现曾获得2007年诺贝尔物理学奖。纳米材料的巨磁阻效应实际上也是纳米领域首批大规模实际应用的技术之一，它使我们的硬盘越来越小。过去，3.5英寸大小的磁盘只能存储1.44兆字节的信息，而现在一个小小的U盘差不多增加了上亿倍的存储量。
纳米技术在生物医药上的应用是重点发展方向。现阶段，人类疾病的诊断和治疗都是建立在分子间反应基础上的，所以，以前人们吃的药物也可以叫分子药物。而纳米药物则是单一分子聚集到一起形成一个颗粒，也可以叫颗粒药物。通过控制颗粒表面上装载的不同药物，让其一层一层地往外释放。纳米颗粒作为治疗性药物的载体，让它去输送药物，定点地把药物输送到体内的某一个部位，就像我们现在的快递员一样，可以在人的身体内定点输送药物。这种定点输运，通常叫作药物输送或递药靶向性。
在新冠肺炎研究中纳米技术有项重要的应用，有一种磁性纳米颗粒，它可以吸附和病毒相关的一些蛋白，包括抗体，这样可以用它来做抗体检测。

未来，纳米技术的颠覆性医疗应用就是纳米机器人。它实际是机器人工程学一个新兴的技术，借鉴生命体自组装的过程，研发自组装纳米机器人，在纳米尺度上应用生物学的原理去发现新的现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。
未来，纳米机器人也可能进入人体，来给人们看病。它是能在纳米空间进行操作的“功能分子器件”集合形成的系统。这个“机器人”和通常的机器人形象有着很大差别。一根纳米棒、纳米管就可以是一个纳米机器人。人们有望利用自组装纳米机器人通过血管直达病灶，进行疾病治疗以及自我修复，比如，消除体内的肿瘤细胞，进行微创手术等。
现在，纳米机器人发展已有三代，而且几乎是每五年更新一代。新一代纳米机器人需要实现从体外对体内的操控，进而控制它在人体内的行为和工作进度。这是现在体内纳米机器人研发的难点，也是全世界在攻克的方向。
目前，纳米技术在生物医药领域的广泛应用正越来越受到世界各国的重视，纳米安全确实越来越重要！我们团队在2001年就创建了中国乃至世界第一个“纳米生物效应与安全性”实验室，专门研究纳米尺度颗粒和纳米结构物质对生命的影响，实现了纳米毒理学领域在中国的起步、形成和发展，使中国在该领域成为最具影响力的国家之一。
还有,纳米技术在能源方面，用太阳光加纳米催化剂，可以把水分解成氢和氧，这个技术最近几年发展很快。在纳米催化剂出来之前，原来分解效率大概只有1%左右，通过纳米催化剂的使用，分解效率已经达到了百分之十几。这有可能引起整个能源领域的变革。而在能源环保方面，比如，现在的新能源电池技术，性能最好的快充电池，其电极、隔膜、浆料应该都是纳米材料。
此外，纳米技术在农业方面也有大量应用。除了中国农科院在研究纳米农药、纳米肥料以外，纳米技术在农业里面的应用比我们想象得还要更尖端，把不同的技术，包括纳米技术就是微纳传感、信息处理技术以及大数据的算法技术全部融合到一起。
纳米材料已在航天航空里面已经有众多应用。因为纳米材料的强度和重量，恰恰能满足减重的要求。
纳米概念未必就是真正的纳米技术
当然，掌握纳米技术和熟练运用纳米概念还是两回事，一些科幻电影可能起到推波助澜的作用。有些特效借助纳米概念技术进行加工创作，比如，“纳米战甲”能在需要时迅速释放覆盖全身，必要时也可在局部集中形成“盾牌”、“铁锤”，堪称万能道具。
这些科幻电影有一定科学依据但与真正的科学又不一样。它给人类带来天马行空的想法，也是能够成为技术变革的推动力之一，在某种意义上来看，它有一定道理。但是，从科幻到现实科技，还需要有很多的、基础的研究和技术的开发。不敢说将来不会有，但在近期内还不会有。不过，这并不意味着将来不可能拥有。
纳米科技是我国优势学科研究领域，在基础研究和应用基础研究目前已领跑全球，论文总量、高引论文和专利授权都处于世界领先地位。截止2020年，中国纳米科技累计申请专利已超过30万件，论文发表数量和质量排在全球第一。但是，这些研究成果多半没有转化和落地，还停留在纸上。
未来，我希望更多年轻人加入纳米技术研究和成果转化领域，真正把科研成果写在祖国大地上。

长长的路 · 发表于 2024-10-25 16:03

有啊，验孕棒就是==
在生物医药方面，大多数的纳米材料都还只是在论文中出现，过了FDA批准的一只手都能数的过来。但是有一样东西确实是在我们生活中经常看到的，那就是纳米金。
纳米金在生物免疫分析里可以算是最为常见的标记物。纳米金通过氯金酸还原法就可以简便的制备，而且纳米金带电表面很容易进行与生物分子（比如抗体）的结合，同时纳米金粒子在聚集情况下能显示肉眼可见的红色，因此纳米金是免疫分析中很好的标记物。虽然说起免疫分析大家可能觉得有点陌生，但有一样东西大家是肯定熟悉的，那就是验孕棒。
验孕棒的原理很简单，就是测定尿液中的人绒毛膜促性腺激素（HCG）浓度。尿液中HCG的浓度高，说明被测人很有可能怀孕。验孕棒所用的技术是典型的免疫层析法。示意图如下（图源百度百科）

如图所示，当样品滴加在试纸上后，由于毛细作用，液体会自发向另一端移动，在移动过程中首先和带有抗HCG抗体的胶体金粒子（简单表示为抗体-金粒子复合物，图中黄色部分）混合，HCG作为抗原，与抗HCG抗体结合后，便会带着金纳米粒子继续向右端流动。检测线T中是固定在试纸表面的抗HCG抗体，当HCG-抗体-金粒子缔合物与T线中的抗体相遇时，便会连接形成抗体-HCG-抗体-金粒子的结构，两个抗体将HCG夹在中间，金粒子被固定在T线上，发生聚集，产生红色。
而没有与HCG结合的那一部分金粒子由于结构中没有HCG，不能被T线中的抗体固定住，因此继续向右端流动。质控线C中含有固定在试纸表面的抗体-HCG复合物，当游离的抗体-金粒子复合物到达C后，金粒子表面的抗体会与C线中的HCG发生结合，从而使金粒子被固定下来，发生聚集显色。C线存在的意义就是证明试纸是正常工作的，如果C线本身都不显色的话，说明试纸已经不能正常工作，其中的胶体金-抗体复合物已经失效，或者试纸上固定的抗体分子失效，所得结果不再具有参考意义。

感恩由您 · 发表于 2024-10-25 16:04

我来说一个目前比较冷门的，是纳米技术在催化工业里的应用。
这个技术叫“单原子催化”

估计大部分人没听说过吧？那我来详细说一下。
在解释单原子催化之前，首先要了解催化是什么？这个概念不要说一般人不清楚，恐怕很多从事化学相关研究的人也不甚明了┑(￣Д ￣)┍

我们常说的催化是指化学反应在外来物质作用下反应速度增加的一种现象。外来物质被称作催化剂，反应速度增加的过程称为催化过程。
人类对催化过程的利用已有几千年的历史。比如酿酒、酿醋过程中会加入曲促使粮食发酵，这是典型的催化过程，而加入的曲就是催化剂。

如果你对酿酒不熟悉的话，蒸馒头你一定是见过的吧，发面时要加入酵母使面团发酵，这也是催化过程，酵母则是催化剂。

随着现代化学工业的兴起，催化已经渗透到人们的衣、食、住、行的方方面面，与人们的日常生活息息相关、密不可分。90%的现代化学工业会用到催化过程，催化过程直接贡献了发达国家GDP的25%！！！

(图片来自于《Catalysis:Concepts and Green Application》)
催化可以分为多相催化、均相催化和生物催化（通常也叫酶催化，酶是一种蛋白质，结构见图一中的a图）。

1.生物催化

前面提到的酿酒、酿醋等均属于生物催化，其特点是催化效率高。但由于催化剂本身为微生物（酵母等）或蛋白质（酶），所以稳定性差，一般只能在常温常压下存在，难以进行工业应用。

2.均相催化

均相催化与多相催化是按照催化剂与反应物（也叫底物）的物理相态（气固液）来分的：催化剂与反应物为同一相（例如均为气相或液相）叫均相催化，反之则叫多相催化。
均相催化剂与酶催化剂类似，具有孤立的活性位点和特定的结构（图一所示b图中的Rh原子为活性中心）。此外，由于均相催化剂与底物混溶，利于反应分子与催化剂的接触。因此均相催化与酶催化一样，具有高活性与高选择性的优势。然而，其缺点也同样是催化剂不稳定，且难以分离，使催化剂难以回收利用并造成产物纯化困难。因此目前绝大多数工业均为多相催化过程。

3.多相催化

多相催化剂相对稳定，而且由于与底物不相溶，因此分离不是问题。但也因为与底物不相溶，因此与底物的接触不够充分，催化性能受到底物分子传输的限制。更重要的是，多相催化剂多为无数原子团聚组成的微粒（如图一所示c图，图中黄色微粒为活性中心，由成千上万原子组成），不像均相催化剂一样以单个或几个原子作为活性中心，因此其催化效率较低。为了提高多相催化剂效率，有必要将这些小微粒进一步分割，终极目标是形成单个原子分散的多相催化剂，就是我们下面要介绍的“单原子催化”。
前面的概念是不是太复杂？有些枯燥(；′`)
没办法，作为一个正经的科研机构，还是想让大家知其然也知其所以然~~~

接下来，我们说一下“单原子催化”是如何以一当十的。
人们常说“人多力量大”。然而，纳米世界却并非如此。纳米材料的重要特点之一是具有表面效应：

随着纳米材料粒度的减小，材料的「比表面积」（表面积与体积之比）大大增加。

以球体为例，球的表面积与其直径平方成正比而体积与直径立方成正比。因而其比表面积与球体的直径成反比。

图二高分散增加比表面积的示意图

举一个更直观的例子说明：图二左边的团聚体主要暴露上下两个表面。将该团聚体沿阴影方向一切为二，团聚体的总重量、总体积没有变化，但是暴露的表面积增加了一倍。将得到的团聚体按这种方式继续切割，总表面积将增加四倍、八倍……这种切割增加比表面积的方式被称为高分散。

如果有足够的技术，将该团聚体一直切到只有一个原子层厚度，此时不再有体相原子（不暴露原子），所有原子均为表面原子（暴露原子），实现了比表面的最大化。表面原子的配位不饱和度远高于体相原子，所以表面原子数的剧烈增加，将改变原有物质的键合状态，导致其化学性能的突变。巨大的比表面积，以及大量表面原子的过高表面张力使纳米材料与常规材料表现出性能差异，这就是所谓的纳米材料的表面效应。（虽然有点难懂，但这是重点！~\(≧▽≦)/）

那它有什么意义呢？
事实上，
表面效应对于多相催化非常重要！
表面效应对于多相催化非常重要！！

表面效应对于多相催化非常重要！！！

（重要的事情要说三遍）

多相催化往往在活性组分的表面发生，因此减小活性组分尺寸提高活性组分的比表面能够有效提高活性组分材料的利用效率。

这一点对于贵金属催化剂意义尤其重大。有人进行过估算：假设一块砖体积为20 * 10 * 5厘米，如果采用纯金制备，按照每克金价格38.1美元计，该金砖价值73万美元。如果将一块同样大小的砖头上面仅覆盖一个原子层厚度的金，则所用金的价值仅为1美分。两者成本相差悬殊，但是表面都是黄金，对于催化的效果可能是相似的。

图三图片来自文献ChemCatChem 2015 7 2559-2567

高分散的道理相当简单，效率却超乎想象！(*@ο@*)

早在上世纪初，在纳米概念还没有提出的时候，人们就已经意识到该方法的有效性。以广泛应用的铂催化剂为例，从19世纪初期安全矿灯上用的铂丝到后来的铂黑（超细铂粉末）、海绵状铂再到目前广泛采用的高比表面载体负载纳米铂催化剂，人们走的就是一条高分散的道路。

也就是说，人们早已意识到如果将金属在载体上进行单原子分散，可以将金属原子利用率最大化，这就是所谓的“单原子催化剂”。

道理虽然简单，实现起来却并不容易。首先是在传统载体上，单原子催化剂极不稳定，受热容易迁移聚集长大。此外，也缺乏合适的表征手段。即使成功制备了单原子催化剂，也难以进行有效的表征，确认其单原子结构。直至本世纪初，随着球差校正电子显微技术的发展，出现了能够分辨催化剂上单个原子分散的电子显微镜，单原子催化剂的研制才成为可能（见图四）。

图四单个白金（Pt)原子在Fe2O3表面的球差校正电子显微镜照片，图片来自文献Nature Chemistry2011, 3, 634-641

这样很容易理解单原子催化剂的最主要特点在于“以一当十”——原子利用效率最大化。但实际上除此之外，单原子催化剂还有其它特点和优点。

首先，单原子催化剂可能具有高活性。对于多相催化，传统催化理论认为配位不饱和表面原子是反应活性中心。而单原子催化剂中的单个原子全都是表面原子，因而具有更高的反应活性。另外，现有证据表明，对某些特定反应，催化剂中只有单原子是催化活性中心，其它纳米粒子并不起催化作用。
其次，单原子催化剂具有高选择性。多相催化剂中，催化剂粒子大小不均一，暴露的金属面也各不相同，因此可能展现出不同的底物或产物选择性。而单原子催化剂中的单原子存在形式单一，可以形成高度的反应专一性。
再次，单原子催化剂具有更高的稳定性。这一点听起来难以置信。因为一般来说，金属在载体上分散的越好，其表面能越大，越倾向于发生迁移、聚集形成尺寸更大的团聚体从而降低表面能。

工业上使用的催化剂一般要先进行高温焙烧、还原，目的之一就是遵循这一原理，使催化剂中分散度较高、粒子尺寸较小的金属团簇发生聚集，使催化剂变得更加稳定。然而现有证据表明，与预期不同的是，很多单原子催化剂表现出比纳米粒子更高的结构和反应稳定性。其原因尚不清楚，可能是由于单个金属原子进入载体晶格形成相对稳定的结构。也可能是金属原子落入缺陷位，由于缺陷位对单个原子的束缚能力高于对纳米粒子的束缚能力。（缺陷位是指固体表面在原子尺度上并不光滑，很多地方由于缺少原子而形成坑洼，见示意图五。）

图五缺陷位对单原子和对纳米粒子的影响可能不同
作为催化领域的一个新的热点与前沿，单原子催化的概念提出短短几年已经受到研究人员的广泛关注，受到了众多青睐。但世事无绝对，尽管单原子催化剂具有这样那样的优点，单原子催化也不是万能的，一样有其缺点与局限。