《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1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、纳米生物学等学科的发展。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。

《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、氦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能电池等。以电池来说，2014年，Kisuk Kang的团队在韩国首尔国立大学设计了一个全石墨烯电池。Elena Polyakova2009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子电池方面也有不少突破。

在1996年Kuzhikalail Abraham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%。

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。传统的催化剂是铂，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。

《浙商》：石墨烯被发现后确实掀起了一股“石墨烯热”，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，目前全球有超过20亿人得不到生活所需的干净淡水。1991年，日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。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，比如零维纳米颗粒、一维纳米线、三维立体纳米管等。但物理学家对二维的纳米片比如石墨烯特别着迷，主要就是由于它们独特而强大的性能（柔韧性、导电性和光学透明性等），它们是制造电子和光学装置的潜力较大的材料。另外一种二维纳米片是MoS2，主要由美国斯坦福大学的托尼·海因茨在研究。

石墨烯和碳纳米管的应用几乎是无止境的。理论上讲，石墨烯也能够取代电脑芯片上的硅，因为电子在石墨烯中移动的速度比硅快多了。2013年，由斯坦福大学的Subhasish Mitra和黄宜弘领导的团队创建了第一个碳纳米管计算机。不同于石墨烯始终是导体，碳纳米管可以是半导体。这个团队使用碳纳米管代替传统的硅材料，制作出了一种全新的晶体管。不过，这台电脑非常基础，只有178个晶体管，操作系统仅能完成简单的计数和分类功能。2015年，同一个团队对该技术做出了大幅改进。他们的主要竞争对手是来自纽约的IBM。2015年，维尔弗里德在IBM的研究小组对碳纳米管晶体管做了进一步的改善，此时距IBM发明世界上第一个碳纳米晶体管已过去了17年。

再如，基于石墨烯的泡沫材料是超轻型材料。2013年，浙江大学高超教授的团队制造出石墨烯气凝胶，它是有史以来最轻的材料，对有机溶剂有超快、超高的吸附力，可用于清洁吸附泄漏到海里的石油等。另一个基于石墨烯的超轻泡沫材料是Pulickel Ajayan的团队2014年在美国莱斯大学发明的。

还有，发光二极管（LED）是屏幕技术的重大革命，但LED仅能发射一种颜色的光，不能在多个颜色之间灵活调整。2015年，清华大学任天令领导的研究小组从石墨烯中制作出了新型发光材料，仅用一个LED就可发射出不同颜色的光，几乎覆盖整个可见光光谱的颜色。

《浙商》：除石墨烯外，目前还有哪些强大的纳米材料可以改变普通人的生活？

皮埃罗：可以改变普通人生活的纳米材料还有很多。比如，总部位于英国的P2i公司从2009年开始就生产防水纳米涂层，2012年，类似的纳米涂层被美国加州的Liquipel和犹他州的HzO公司先后引进。这些超强涂料可以用来制造防水手机、防水电脑等大众喜爱的产品。

2013年，密歇根大学Anish Tuteja的团队研发出除了防水还可以防油等更多功能的液体纳米材料。

此外，正在尝试利用纳米技术制造无需清洗的材料，即“自清洗”材料，永远能保持自己干净。比如，纳米技术可以将二氧化钛的纳米颗粒直接加入到物体的表层。如今许多新型建筑声称有“自我清洁窗户”，是因为窗户上有10纳米的二氧化钛涂层。这些“自洁窗”的效果往往会随着时间变差，但另一方面，技术每年都在进步，2015年，伦敦大学的姚璐与多个院校合作，推出了用二氧化钛纳米颗粒做成的更持久的“油漆”。

还有，量子点是极小的半导体纳米粒子（比人的头发小1万倍），但功能很强大。比如，它们可以增强电视屏幕的颜色。三星公司已经放弃了原来的OLED显示屏，转而使用量子点显示屏，亚马逊的Kindle Fire HDX的屏幕也使用了量子点。

如今，世界上一半的能量被用于建筑物保暖，由此产生了三分之一的温室气体。纳米技术能让我们用新的方式思考，传统保持房间温度的方法是使用电力或煤气，往往需要消耗很多能量，我们为什么不把衣服做得足够暖和呢？斯坦福大学教授崔毅正在研究一种保暖的银纳米线，它甚至能自己加热。如果他能顺利找到将这种材料添加到织物中的方法，我们将有望买到“自加热毛衣”。利用同样的原理，科学家们也可能发明出“自冷却”衣服。

2014年，茱莉亚·格里尔在加州理工学院发明了一种陶瓷，同样具备极轻和极坚韧的特性。2015年，加州大学洛杉矶分校李小春的研究小组制造了一种超强的金属，也特别轻。这些材料不仅能帮我们建造更轻的飞机，还能造出更轻的宇宙飞船。

石墨烯是一种自然的二维纳米片。威斯康星大学王旭东的团队如今正在研究自然界中不存在的二维纳米片，其厚度只有几个原子大小。

在石墨烯被“发现”的短短十年以后，据我所知，目前已经有超过500种二维材料，许多新材料甚至还没有名字。目前，Gerbrand Ceder在加州大学伯克利分校发起了为材料“建档”的项目，旨在编目所有材料和它们的特性，乃至每种材料的基因组。这样一来，研究人员就能根据项目需要迅速找到合适的材料。

《浙商》：新材料从实验室到市场应用的主要障碍是什么？

皮埃罗：还是老问题，即制造这些新材料非常困难和昂贵，科学家们仅在实验室制造非常微小的量以研究其特质，我们仍需找到一种简单、高效的方式来制造这些“神奇”的新材料。

但这方面也有突破。美国西北大学的化学家查德·米尔金是国际纳米技术研究所的主任，他在1996年开创了一种制造新材料的方法——用黄金与DNA的结合创造新的材料。米尔金用DNA（典型双螺旋结构）来“绑定”金的纳米粒子，并花了20年的时间来改进和完善这一技术。2015年，米尔金在之前研究基础上创造了一种可以改变形状的新材料，能让同样的纳米粒子以超过500种不同的形式组合。也可以说，他发明了一种由可以“重新编程”的粒子组成的材料，即一种可以“变身”为不同材料的材料。

总之，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。