文|陳根
當(dāng)前，納米技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，方興未艾。作為微納尺度上的創(chuàng)新性技術(shù)，納米技術(shù)能夠制造出具有高度柔韌性、導(dǎo)電性、耐用性的新材料，所使用的納米儀器和制備的納米顆粒也使科學(xué)、工業(yè)和日常生活的各領(lǐng)域都發(fā)生了顯著改變，納米雖小，其用卻大，尤其是在能源領(lǐng)域。
人們從來沒有像今天這樣重視能源，當(dāng)人們再一次面臨著一場能源迭代時，也意味著一個全新的能源時代正在加速到來。能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，是能夠規(guī)模地開發(fā)和使用新型能源，這首先需要確保對于能源開發(fā)利用在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的，而不僅僅是從簡單的政策層面進(jìn)行節(jié)能減排。
在這樣的背景下，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正以無可比擬的優(yōu)勢賦能新時代能源的變革，為實(shí)現(xiàn)碳中和補(bǔ)齊最后一塊技術(shù)的拼圖。
納米雖小，其用卻大
長度單位的納米，是一米的十億分之一，而一個分子是1納米，一根頭發(fā)是7.5萬納米，注射用的針頭是100萬納米，一個身高2米的籃球員運(yùn)動員則能達(dá)到20 億納米。顯然，這與我們所知的宏觀世界截然不同，納米是一個度量微觀世界的長度單位，納米特殊的長度，也賦予了納米特殊的性質(zhì)。
我們都知道，不斷分割一塊橡皮，會不斷增加橡皮裸露在外的面積，這就意味著裸露在外面的原子也會增加。當(dāng)我們把一塊物體切到只有幾納米的大小，那么一克這樣的物質(zhì)所擁有的表面積就將達(dá)到幾百平方米的大小。
于是，隨著粒子的減小，有更多的原子分布到了表面。當(dāng)粒子的直徑為10納米時，約有20％的原子裸露在表面。而我們平常接觸到的物體表面，原子所占比例還不到萬分之一。與此同時，原子之間需要依靠化學(xué)鍵相互連接，這就導(dǎo)致表面的原子由于沒能和足夠的原子連接，很不穩(wěn)定，具有很高的活性。
比如，用高倍率電子顯微鏡對金的納米粒子進(jìn)行攝像觀察，就會發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀，它既不同于一般固體，也不同于液體；在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，而尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時微顆粒才具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
具體來看，光學(xué)性質(zhì)方面，納米粒子的粒徑小于光波的波長，因此，將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。納米材料因其光吸收率大的特點(diǎn)，可應(yīng)用于紅外線感測材料。當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。
由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀?%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性，可以將納米粒子制成光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，從而高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外，又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。
熱學(xué)性質(zhì)方面，固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點(diǎn)往往是固定的，超細(xì)微化后，卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為顯著。比如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米時，熔點(diǎn)則降低27℃，2納米時的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)則可低于100℃。
因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具有高質(zhì)量。
磁學(xué)性質(zhì)方面，一個經(jīng)典的例子就是鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體特殊的回歸本領(lǐng)。這類生物體中存在超微的磁性顆粒，才使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。
力學(xué)性質(zhì)方面，陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此納米陶瓷材料能表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。
正是納米特殊的尺度，賦予了納米材料理想的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)或光學(xué)性能，使這些新型納米材料在傳統(tǒng)和新興工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
納米技術(shù)在能源
目前，納米技術(shù)最為所知的應(yīng)用就是集成電路。盡管集成電路的發(fā)明創(chuàng)造了今天的“信息時代”，但納米技術(shù)在總體上對社會的沖擊將遠(yuǎn)遠(yuǎn)比集成電路大得多，它不僅應(yīng)用在電子學(xué)方面，還可以應(yīng)用到其他更多方面，比如，能源領(lǐng)域。
全球氣候變化和人類活動的關(guān)系已成為當(dāng)今國際焦點(diǎn)問題，關(guān)系到各個國家的切身利益與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。人們從來沒有像今天這樣重視能源，可持續(xù)新能源正在逐漸取代化石能源成為支撐社會運(yùn)轉(zhuǎn)和人們生活的主力。
能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，是能夠規(guī)模地開發(fā)和使用新型能源，基于此，不論是電池領(lǐng)域、太陽能開發(fā)利用還是氫能與其他能源，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都正以無可比擬的優(yōu)勢賦能新時代能源的變革。
在電池領(lǐng)域，利用納米技術(shù)，傳統(tǒng)鋰電池領(lǐng)域充放電過程中的安全性（利用硅納米線或者具有空心殼層結(jié)構(gòu)的S/納米TiO2等）及速度慢（應(yīng)用碳納米管等）、電池不穩(wěn)定（使用超薄二維BN/石墨烯復(fù)合材料等）等重大問題得以妥善解決。
實(shí)際上，當(dāng)前針對鋰電池的納米材料的研究已經(jīng)完善并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。商業(yè)鋰電池的能量密度已達(dá)300Wh/kg，鋰電池動力汽車的續(xù)航里程可達(dá)470公里左右，隨著納米材料的進(jìn)一步發(fā)展，鋰電池性能的進(jìn)一步優(yōu)化，其能量密度有望達(dá)到500Wh/kg，實(shí)現(xiàn)800公里的續(xù)航目標(biāo)。
在電子信息產(chǎn)業(yè)中，納米技術(shù)的應(yīng)用將有助于克服以強(qiáng)場效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)為代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲為代表的技術(shù)限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件，推動高性價比制備工藝的發(fā)展。
對于太陽能開發(fā)來說，在資源蘊(yùn)藏總量一定的情況下，要增加新型能源的供應(yīng)能力，唯一的途徑是通過先進(jìn)技術(shù)手段提高能源轉(zhuǎn)換的效率。傳統(tǒng)太陽能電池的硅半導(dǎo)體只吸收紅外光，而高能量光波，包括大部分的可見光光譜都以熱能形式被浪費(fèi)掉。雖然在理論上，傳統(tǒng)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可以提高到70%以上，但由于能量浪費(fèi)，盡管其工藝不斷完善和進(jìn)步，目前投入商業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率依然停滯在大約25%。
然而，通過納米技術(shù)開發(fā)的熱光電方法，卻有望把太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到80%。美國斯坦福大學(xué)電氣工程的研究人員就曾基于納米技術(shù)開發(fā)出一種全新的熱光電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)太陽能電池不同，新的熱光電系統(tǒng)首先把太陽光壓縮成紅外光線，再通過太陽能電池將其轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)有一個中間組件，包括兩個部分：一個是吸收器在陽光下可升溫；另一個為發(fā)射器把熱轉(zhuǎn)換為紅外光線，然后向太陽能電池照射，而把太陽光壓縮成為單色光方法的關(guān)鍵就是保持材料的納米結(jié)構(gòu)。
在氫氣制造上，氫氣是無碳、無污染的環(huán)保燃料。當(dāng)燃燒氫氣生成能量時，生成物只有水。但事實(shí)上，用水制氫、再儲氫并利用氫則非常困難。而此前，由美國威斯康辛大學(xué)的研究人員卻表示，他們用納米技術(shù)研制出一種新的二硫化鉬結(jié)構(gòu)，能充當(dāng)水制氫反應(yīng)中的催化劑，有望替代昂貴的鉑來幫助人類早日邁進(jìn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的“氫經(jīng)濟(jì)”時代。
研究人員用納米技術(shù)制造出一種新的二硫化鉬結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，它可以顯著為水制氫反應(yīng)提速。研究人員把二硫化鉬的納米結(jié)構(gòu)沉積在一盤石墨上，隨后用鋰對二硫化鉬進(jìn)行處理，制造出另外一種具有不同屬性的二硫化鉬結(jié)構(gòu)。
就像石墨由一堆容易剝離的薄片組成一樣，二硫化鉬也由能分開的薄片組成。以前的研究證明，具有催化活性的點(diǎn)位于薄片的邊緣。鋰處理的作用主要是：讓二硫化鉬從半導(dǎo)體狀態(tài)轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)；讓薄片分離，制造出更多邊緣，增加具有催化活性的點(diǎn)的數(shù)目，使催化性能得以大幅提高。
不僅如此，在農(nóng)藥環(huán)保方面，納米肥料具有超越常規(guī)肥料的潛力。相比于傳統(tǒng)肥料，納米肥料可以將營養(yǎng)物質(zhì)逐步且有控制地釋放到土壤中，從而防止了土壤的富營養(yǎng)化和水資源污染。納米肥料的使用可以提高農(nóng)作物對營養(yǎng)元素的吸收和利用效率，減少了肥料的施用頻率，從而避免了因過度使用肥料而對環(huán)境造成的負(fù)面影響。
在納米肥料中，營養(yǎng)物質(zhì)可以被包裹在納米材料，或以納米級顆?；蛘呤侨橐旱男问捷斔偷睫r(nóng)作物體內(nèi)。有研究表明，通過葉面噴施納米肥料可以促進(jìn)光合作用的增加，從而提高作物產(chǎn)量。SiO2和TiO2納米顆粒的化合物增加了大豆中硝酸鹽還原酶的活性，增強(qiáng)了植物的吸收能力，使水和肥料的使用效率更高。
納米技術(shù)，碳中和的鑰匙
2015年，聯(lián)合國195個成員國在法國巴黎召開聯(lián)合國氣候峰會，通過《巴黎協(xié)議》，以期能共同遏阻全球變暖趨勢。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）測算，若實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》對氣候變化的推測和控溫目標(biāo)，全球必須在 2050年達(dá)到二氧化碳凈零排放。
“碳中和”概念應(yīng)運(yùn)而生，即強(qiáng)調(diào)碳排放與碳去除實(shí)現(xiàn)平衡，即在一定時間內(nèi)通過節(jié)能減排、植樹造林等途徑，抵消所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。當(dāng)前，碳中和大行動已經(jīng)開啟，多個國家和地區(qū)已公布凈零排放的意向及目標(biāo)，美國、歐盟、英國、日韓等國家地區(qū)紛紛將時間目標(biāo)定為2050年，提出無碳未來的愿景。
然而，承諾是應(yīng)然的，挑戰(zhàn)卻是實(shí)然的。能源是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施中的一個關(guān)鍵要素，是一個大系統(tǒng)，一個由大系統(tǒng)和無數(shù)子系統(tǒng)組成的大體系。減少溫室氣體排放必然帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本，在沒有出現(xiàn)解決溫室效應(yīng)的革新技術(shù)前，各國也勢必會對減排經(jīng)濟(jì)成本的分配爭論不休。
過去的每一次工業(yè)革命的本質(zhì)都是一次能源革命。第一次工業(yè)革命是煤炭為動力的蒸汽時代；第二次工業(yè)革命中，作為二次能源的電力橫空出世，帶領(lǐng)世界走進(jìn)電氣時代，內(nèi)燃機(jī)也讓石油在幾十年內(nèi)迅速超越煤炭成為全球能源之首；第三次工業(yè)革命中我們已見證了核能、移動能源、信息技術(shù)對世界的改變和推動。
當(dāng)前，信息技術(shù)的催化下，第四次工業(yè)革命已經(jīng)提前開始萌芽。這意味著能源領(lǐng)域也將迎來新的一輪能源革命。而且，這一輪革新將是以碳中和為導(dǎo)向能源清潔化。可以說，碳中和目標(biāo)打開了能源技術(shù)革命的新賽道，誰率先掌握了解鎖碳中和的技術(shù)密鑰，誰就有可能引領(lǐng)第四次能源革命。
現(xiàn)在，納米技術(shù)就是那個能夠解決溫室效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，納米技術(shù)正在打破原有的假設(shè)或者法則，從而使相關(guān)學(xué)科發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，進(jìn)而帶動產(chǎn)業(yè)變革。除了能源領(lǐng)域以外，納米技術(shù)還為物理、材料、化學(xué)、生命科學(xué)、藥理學(xué)與毒理學(xué)、工程學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科提供了創(chuàng)新推動力，成為變革性產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)的重要源泉。
基于納米技術(shù)廣泛的應(yīng)用未來，我國也在不斷布局納米技術(shù)的戰(zhàn)略和行動。2013年，我國科學(xué)院啟動“納米先導(dǎo)專項”，希望利用納米技術(shù)促進(jìn)長續(xù)航動力鋰電池和納米綠色印刷等產(chǎn)業(yè)技術(shù)的變革性創(chuàng)新，同時培育和推動一批納米核心技術(shù)在特定能源、環(huán)境與健康領(lǐng)域中的應(yīng)用，解決若干制約國家骨干行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，帶動新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2016年，科技部發(fā)布“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃，將新型納米功能材料、納米光電器件及集成系統(tǒng)、納米生物醫(yī)用材料、納米藥物、納米能源材料與器件、納米環(huán)境材料等的研發(fā)作為重大專項進(jìn)行研究部署。在各類項目和計劃的支持下，我國納米技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢良好，已經(jīng)成為世界納米技術(shù)研發(fā)大國。
長遠(yuǎn)來看，中國要在下一次工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)，必須主動把握新一輪能源革命中低碳和負(fù)碳生產(chǎn)的顛覆性技術(shù)，也是大勢所趨，別無其他選擇。