探索材料科学：纳米技术｜星岛教室
2024-09-26 16:35 
在Marvel电影《蚁侠》中，主角斯科特．朗（Scott Lang）使用皮姆粒子（Pym Particles）来改变自己的大小，同时保持原有的质量和力量。虽然皮姆粒子是虚构的，但它们操控物体尺寸和质量的能力与纳米技术中的一些真实目标相呼应。纳米技术涉及在原子、分子和超分子层面上操控物质，用于创造新材料和设备。蚁侠的超能力启发了对纳米技术潜力的想像，这技术未来可能在医学、电子和材料科学等领域带来革命性变革。今天，我们将以《蚁侠》作为引入，探索材料科学的魅力，并讨论纳米材料如何应用于现实生活。
何谓「纳米技术」？
「纳米技术」是一种科学技术，涉及超级小的东西，如果一个足球是地球那么大，那么纳米就像是一颗小小的豌豆。科学家使用纳米技术来制造非常小的东西，这些小东西可用于电脑、医药及许多其他有用的地方。
「纳米」一词来自希腊语，意味着「矮子」；它指的是一种极其微小的尺度，即一个纳米相当于十亿分之一米。这个尺度大约是一根头发直径的十万分之一。在这个尺度上，物质表现出一些非常独特的物理和化学性质，这些性质与它们在宏观尺度上的性质截然不同。
透过纳米技术，我们能够开发出具有革命性功能和应用的新材料和装置，从而在医疗、电子、能源等多个领域带来深远的影响。
《蚁侠》的纳米技术
缩小
在电影《蚁侠》中，主角透过缩小技术来变得极小。虽然这种技术在现实中是不可能的，但纳米技术的确能够创建极小的结构和机械。科学家们可制造出纳米级机械人，这些机械人能在细胞层面进行精确的操作，如药物输送和细胞修复。
此外，纳米技术还允许我们精确控制材料的密度和结构，理论上可以改变它们的宏观物理性质，例如刚度和重量。
隐形
隐形技术在《蚁侠》中也是一个吸引人的主题。在现实世界中，纳米技术对实现隐形技术的贡献，主要是透过创造超材料来控制光的行为。这些材料可被设计来弯曲和操控光线，使光线可绕过物体，从而在视觉上使物体消失。纳米级的结构调整亦可以改变材料对光的折射和反射，进一步达到隐蔽的效果。
高效能电池
至于高效能电池，纳米技术提供了一种方式来增强电池性能。利用如碳纳米管和石墨烯等纳米材料，可以显著增加电极的表面积，从而提升电池的能量存储能力和加快充电速度。这些材料的高导电性和化学稳定性亦有助于提高电池的整体效率和寿命。此外，纳米技术还允许更精确的电池结构设计，改善电荷的流动和存储效率，从而提升电池的性能和耐用度。
纳米医疗：精确诊断与靶向治疗
在医学领域中，纳米科技主要集中在精确诊断和靶向治疗上。例如，利用纳米粒子进行药物递送系统的开发，可直接将药物运送到病变部位，最大程度减少对健康细胞的影响。这些纳米载体能够被设计为响应特定生物标记的结构，当它们与目标细胞（如癌细胞）接触时，能释放药物，从而实现精确治疗。
纳米技术还被用于发展出新型生物感测器，这些感测器能在疾病的非常早期阶段检测到微量的疾病标志物，从而实现早期诊断和介入。
纳米电子：推动半导体产业革新
在电子产品制造过程中，纳米科技可令元件尺寸得以极端缩小，从而提高集成度和计算性能。利用极紫外光（EUV）刻蚀技术，可在硅晶片上精确地制造出几十纳米大小的晶体管。这技术不仅降低晶片功耗，更大幅提升处理速度和存储容量。这对于发展高性能的计算机和智能设备，如智能手机和穿戴设备，提供必要技术支持。
纳米材料：制造更轻更节能部件
纳米科技在材料科学领域的进展尤为显著，特别是在开发具有超常物理和化学性质的新材料方面。例如，碳纳米管和石墨烯因其优异的力学、热学和电学性能，正被广泛研究和应用于从轻质高强度的运动器材到先进电子产品。碳纳米管具有非常高的强度和极低的密度，使其在航空航天和汽车工业中，用于制造更轻、更节能的结构部件。
环保能源︰高效能量存储减污染
纳米技术在环境保护和能源领域的应用同样重要。能源方面，纳米材料被用于提升太阳能电池的光电转换效率，以及开发更高效的能量存储系统，例如更高容量的电池。
此外，纳米催化剂在处理工业排放和污水处理中显示出卓越的效能，能有效分解有毒化学物质，减少环境污染。
在上述探讨中，我们从Marvel电影《蚁侠》中的虚构科技出发，深入了解纳米技术在当代科学中的实际应用和潜力。虽然电影中的纳米技术带有明显的科幻色彩，但现实中的纳米科学已在多个领域展现出极大的潜力和影响力。从医疗、电子产品到环保，纳米技术都在为我们的生活带来革命性的变化。
随着研究的进一步深入和技术的不断发展，纳米技术将继续在全球范围内推动科技革命，为人类带来更多惊喜和便利。从《蚁侠》到实际的科学应用，纳米技术的旅程才刚刚开始，未来它将如何改变我们的世界，仍充满无限的期待与可能。
小思考，大智慧
在日常生活中，有哪些例子与纳米技术有关？
参考答案
纳米涂层，例子包括︰
- 清洁玻璃窗︰在玻璃表面涂上纳米涂层，可以阻挡污垢，保持窗户洁净。
- 防指纹手机萤幕︰纳米涂层可以减少手机萤幕上的指纹痕迹。
- 纳米纤维织物︰在纺织品上涂上疏水性纳米纤维，可以让衣服具有很强的防水和抗污性。
- 抗菌牀品︰在牀单等纺织品中加入银纳米粒子，可以抑制细菌的生长。
- 纳米化妆品（防晒霜）︰使用纳米技术作为紫外线阻隔剂。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：王余家洁纪念小学校长刘秀萍、王余家洁纪念小学老师陈颍钊、王余家洁纪念小学老师阮骏
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