納米紙開辟“魔法”未來

透明、可彎曲、可降解的納米紙晶體管(照片由同濟大學提供)。

像紙一樣薄的碳納米纜繩的強度，就足以支撐起一架“太空電梯”。

　　近日，一些有關“納米紙”的報道，引起許多人的興趣。比如有報道稱，浙江大學的科學家制作出一種新型“納米紙”，這種材料還能與多種化學分子結合，制造出不同用途的新材料，實現抗菌、檢測等功能的“72變”;還有報道稱，上海同濟大學和美國馬里蘭大學科學家共同研究的一項成果，以全透明、可彎曲、可降解的“納米紙”為襯底，成功制造出同樣透明、可彎曲、可降解的半導體器件，向“紙質電子產品”邁出重要一步，科幻電影中的幻想也許不久將變為現實。

　　從頭腦想象開始

　　要介紹納米紙，我們首先要介紹納米技術的由來。

　　早在1959年，諾貝爾獎獲得者、美國著名物理學家費曼，在世界物理學會年會上發表了一篇演講，題目是《在底部有一個很大的空間》。他在這篇文章中預言“至少依我來看，物理學的規律不排除一個原子一個原子地制造物質的可能性。”這就是納米技術最早的預言，也被公認為是納米技術思想的來源。

　　費曼假定，一旦原子的語言被簡潔地編碼后，就可以對分子進行精確的工程加工，把一個原子放到另一個原子上，制造出最小的人工機器來。費曼說，如果把大頭針的針頭放大2.5萬倍，它的面積就相當于24卷大英百科全書所有書頁的面積，足以寫下這套百科全書的內容。他想，如果能夠以原子的尺度即納米水平控制、制造物質，就一定能做到把大英百科全書寫到一個針頭上。

　　真正有目的研究和發現納米材料特性的要算德國材料科學家——格萊特。格萊特和同事經過幾年的努力，終于在1984年制得了只有幾個納米大小的超細粉末，包括鐵、銅、鉛等金屬粉末，無機化合物和有機化合物的超細粉末。然后在真空室中原位加壓制得納米固體，這些材料竟然表現出意想不到的特殊性能。隨后又發現納米二氧化鈦陶瓷在室溫下呈現良好的韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。論文一發表，立即在世界上引起轟動。

　　小，世界就不一樣

　　納米是英文namometer的譯音，符號為nm，是一個物理學上的度量單位。1納米是1米的十億分之一。專家測試發現，人類世界組成有形物質的最小尺度量級，就是納米。再小的叫原子團、分子簇。

　　一個納米的尺寸到底有多小呢?等于5至7個原子的距離，一根頭發絲的直徑大約是五萬個納米。而納米材料是指1-100納米尺寸之間的材料。研究表明，當材料粒子進入納米級粒子時，其本身就具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特性。由于納米粒子的尺寸已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等往往不同于該物質在整體狀態時所表現的特性。比如，導電的變得不導電，不導電的變得導電，陶瓷可以做彈簧。納米材料這種反常的令人驚奇的性能，引起科學家極大的興趣。大家預測，這些看不見的小不點顆粒，有可能給人類社會帶來極大的變化。

　　有“魔力”的神奇紙

　　“納米紙”實際上是一個籠統的概念，泛指用納米材料制作的紙，或者是采用納米技術對紙張的某種性能進行改善而制造出來的紙張。

　　紙張是各種印刷中最常用的承印物。根據目前的技術水平和紙張的實際應用，木纖維只能加工到微米(0.1～10μm)的水平。由于傳統紙張所用的樹木、竹、麻等纖維物的纖維較粗，而涂料(如碳酸鈣等)、填充物(如高嶺土等)的顆粒較大，使傳統的紙張存在著一些缺陷，如普通紙具有怕水、怕潮等缺點，膠版印刷紙和靜電復印紙雖然有防水、防潮等功能，但書寫不方便，還有一些特殊的性能無法實現。

　　近年來，隨著納米材料學的迅速發展，納米技術在造紙工業的應用領域越來越廣，新成果不斷涌現，它可能會使造紙工業發生新的飛躍。而應用納米技術，也產生了各種各樣具有特殊功能的“納米紙”。比如：

　　強度奇高的納米紙。2008年6月，瑞士科學家宣布成功研制出了一種高強度的納米紙。該紙的發明人伯格倫德博士表示，這種納米紙韌性極佳，且硬度很高。機械測試顯示，該紙的強度比普通紙整整高出200倍，達到了目前建筑用鋼的水平。從目前的技術發展趨勢來看，防彈衣、太空服，還有汽車、飛機以及航天器的結構材料，都必將成為這種納米紙的用武之地。

　　具抗菌功能的納米紙。許多有機抗菌劑都存在著耐熱性差、易揮發、易分解產生有害物質、安全性能差等缺點。為此，人們積極開發研究無機抗菌劑，而利用超微細技術能夠生產亞微米及納米級的無機抗菌劑，可以很好地解決有機抗菌劑的缺點。

　　納米阻燃紙。對它來說，無論多大的火力，都不會引起燃燒，它只能燒焦、炭化，但不著火。阻燃紙一般可用于煙花、禮花、彩炮、圣誕玩具、旅游炊具等，甚至有人提出用這種紙做成消防隊員等經常要與火打交道人員的衣服。

　　磁性納米紙。它可以像錄音磁帶那樣在錄音機上錄音，也能放送出聲音。

　　心靈密碼

　　哈利-波特魔法報紙

　　能變成現實嗎

　　看過電影《哈利-波特》的讀者，都會對其中的“魔法報紙”留有深刻的印象。而可彎曲、便攜化、低成本化、綠色環保，這些恰恰也是當前電子產品的重要的發展趨勢。最近同濟大學黃佳教授和美國馬里蘭大學胡良兵教授聯合研發的納米紙晶體管，正是這一發展方向上的重要一步。

　　晶體管是半導體器件的最基本、同時也是最重要的元件之一。普通的晶體管基于無機半導體材料，比如晶體硅，是堅硬而不可彎曲的。而要制備可彎曲的晶體管，首先所使用的半導體材料就需要可彎曲。有機半導體就是一種可彎曲的半導體材料。更重要的是，很大一部分有機半導體可以溶于溶劑中，因而與紙的親和力比較強，能用多種低成本的沉積方式在紙上面成膜，包括印刷、打印、旋涂、蒸鍍等。

　　而要將電子產品做在紙張上，則面臨不少困難，對相關技術和制備工藝提出了挑戰。普通紙張纖維粗，透光但不透明;而且普通紙張的表面粗糙，凹凸不平，要在它上面制備半導體層，不僅很難形成完整、連續、均勻的膜，而且還容易導致晶體管漏電。為此，研究者就將普通造紙所用的木漿纖維，經特殊處理使其尺度達到納米量級。如此制作出來的“納米紙”可有效減少對光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面有如塑料一般光滑，這為接下來在它上面制備性能優良的晶體管奠定了重要基礎。以這一新型“納米紙”為襯底材料，在上面制備出由碳納米管、絕緣層、有機半導體組成的透明度高達84%、可彎曲的晶體管。實際的性能測試表明，即便將整個器件以3.5毫米的半徑彎曲起來時，它上面的透明晶體管仍能保持優良的工作性能。

　　而部分有機半導體材料所具備的“可溶性”這一優點，結合紙質襯底材料的可打印特性，使得通過全打印方式來制備器件成為可能，這樣一來將進一步降低電子產品的成本。或許在不久的將來，人們就能利用可再生資源印刷出透明可彎曲的電子設備，類似于電影《哈利-波特》中“魔法報紙”的紙質電子產品就會出現。

　　你知道嗎

　　納米材料的“黑色效應”

　　眾所周知，不同的材料具有各種不同的顏色。可是，一旦所有這些材料都被制成納米超細粉末時，它們的顏色便一律都是黑色的。原來，當材料的顆粒尺寸變到小于光波的波長時，形不成反射面，它對光的反射能力變得非常低，大約低到小于1%，因此，我們見到的納米材料便都是黑色的了。這種現象被稱為納米材料的 “黑色效應”。