科普：閆鵬勳 — 改變我們生活的神奇納米技術

編者按：2020年9月26日，深圳市委宣傳部、深圳市社科聯聯合邀請閆鵬勳教授作客深圳市民文化大講堂，為市民朋友們做了一場題為「改變我們生活的神奇納米技術」的精彩講座。

身邊的納米

納米熱已持續了20多年，現在有很多產品宣傳都標榜納米。比如納米鞋墊、納米洗衣機、納米杯子、納米鞋等等，其實這些大部分都是偽納米。納米既神奇又不神奇，因為它在自然界早已存在，下面用一些案例告訴大家什麼叫納米：

第一個是出淤泥而不染的荷葉。下雨之後荷葉總是很乾淨的，這是因為水滴落在荷葉上，會變成了一個個自由滾動的水珠。而且，水珠在滾動中能帶走和荷葉表面的塵土。荷葉的基本化學成分是葉綠素、纖維素、澱粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基（-OH）、（-NH）等極性基團，在自然環境中很容易吸附水分或汙漬。而荷葉表面的結構就是納米結構，具有極強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土汙泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持乾淨，這就是著名的「荷葉自潔效應」。

第二個是橫行霸道的螃蟹。億萬年前，螃蟹並非如此「橫行」。因其第一對觸角裡有幾顆磁性納米微粒，螃蟹便擁有了用於定向的幾隻小「指南針」。靠這種高精度的「指南針」，螃蟹的祖先堂堂正正地前進後退，行動自如。後來，由於地球的磁場發生多次劇烈倒轉，螃蟹觸角裡的那幾顆珍貴的納米小磁粒發生錯亂，失去了正確指示方向的功能。於是，暈暈乎乎的螃蟹便開始橫行，從此落得個蠻橫的名聲。

第三個是不迷路的蜜蜂。蜜蜂、海龜等在內的許多生物體內都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對於生物的定位與運動行為具有重要意義。蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種「羅盤」來確定其周圍環境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。當蜜蜂採蜜歸來時，實際上就是把自己原來存儲的圖像和所見到的圖像進行對比，直到兩個圖像達到一致，由此來判斷自己的蜂巢。利用這種納米磁性顆粒進行導航，蜜蜂可以完成數公裡的旅程。

第四個是飛簷走壁的壁虎。壁虎可以在任何牆面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一隻腳都能在天花板上倒掛，它依靠的就是納米技術。壁虎腳上覆蓋著十分纖細的茸毛，可以使壁虎以幾納米的距離大面積地貼近牆面。儘管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的範德華鍵發揮作用，為壁虎提供數百萬個的附著點，從而支撐其體重。這種附著力可通過「剝落」輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠穿過天花板。

第五個是絢麗多彩的蝴蝶。蝴蝶因為其翅膀上變化多端、絢爛美好的花紋而使人著迷。這也讓生物學家們感到疑惑：蝴蝶令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，又有什麼不同意義呢？最近，荷蘭格羅寧根大學的希拉爾多博士發現了解決這個問題的通道。在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面後，希拉爾多博士揭示了這個秘密：翅膀上的納米結構正是蝴蝶的「色彩工廠」。蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質，它們就像聖誕樹上小小的彩燈，在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。蝴蝶翅膀上的顏色其實是一個身份標誌。不同顏色的翅膀，讓形色萬千的蝴蝶能在很遠的地方就識別出同伴，甚至辨別出對方是雄是雌。

第六個是池塘中的溜冰者水黽。小型水生昆蟲水黽被喻為「池塘中的溜冰者」，因為它不僅能在水面上滑行，而且還會像溜冰運動員一樣在水面上優雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是在於既不會劃破水面，也不會浸溼自己的腿。水黽腿部上有數千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊，這些氣墊阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現出水黽腿的超疏水特性（超強的不沾水的特性）。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。

前面這幾個都是自然界中存在的納米現象，還有中國古代的墨汁使用燃燒蠟燭成的炭黑作為原料，它也是有納米成分的；削鐵如泥的寶劍，比如最有名的幹將莫邪寶劍，它們之所以鋒利是因為其表面經過處理之後形成納米結構，性能變得非常優異，削鐵如泥；還有人牙齒表面的牙釉質也是納米結構，所以質地非常堅硬。

什麼是納米

首先納米不是米，也不是吃的大米，實際上它是長度單位：

·1納米（nm）等於1米的10億分之一，也就是1nm=10-9m=1Å ，1000納米等於1微米（μm)。

·如果把1納米小球放到桌球上，相當於把桌球放到地球上。

·頭髮絲的頭髮絲直徑為50-100μm，1nm相當它的六萬分之一。

·一個氫原子直徑就是1埃（Å），實際上就是0.1納米，所以1納米約等於10個氫原子一個一個排起來的長度。

身邊的納米

納米材料基本定義：尺度範圍在1-100nm，且呈現出與常規材料有顯著差別的特殊物理化學效應的材料稱之為納米材料。幾百個幾千個以上的原子抱成團形成的顆粒就叫納米材料。

從化學成份來說納米材料可分為：納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子、納米複合材料。

從結構維度來說納米材料可以分為：零維、一維、二維、三維。

·零維是維度的基點，也就是沒有維度的，沒有發散和方向的維度，納米粉是零維納米材料，它是粉末沒有維度。

·一維是一條線，在理解上即為左－右一個方向。如：納米管、納米線、納米棒。

·二維是在一個平面上的內容，即左右、前後兩個方向，沒有上下方向，如納米薄膜、石墨烯。

·三維是平面二維中又加入了一個方向量構成的空間系，如納米晶固體材料。

從物理性質來說納米材料又可以分為納米半導體、納米磁性、納米非線性光學、納米鐵電體、納米超導、納米熱電等。

從應用的角度我們也可以把納米材料做個分類，比如納米電子、納米光電子、納米生物應用、納米敏感、納米儲能。

金屬納米有什麼用？

納米材料種類眾多，其中數金屬納米粉體最難製造，所以它非常昂貴，但是用處很廣泛，性能也非常好，可以說是納米技術中的「王冠技術」。

金屬納米粉體可以應用到很多領域：比如3D列印、自修復潤滑油、生物磁珠、粉末冶金、高效農業、高效催化、抗菌服裝及塗料、吸波隱身、金屬燃料等等。

·3D列印：3D列印最核心的是材料，列印的東西如果強度不夠，再複雜的結構也沒有用。因此材料添加金屬納米可以保證核心構件的強度、硬度達到設計要求。

·自修復潤滑油：車輛設備上用的潤滑油，顆粒直徑為50-100nm的球形納米金屬粉（包括銅、鎳、鋁等有色金屬及其合金） 以適當的方式分散於各種潤滑油中從而形成的一種均勻、穩定的懸浮液。每升油中含有數十億個金屬粉顆粒，它們與固體表面相結合，形成超光滑的保護層，同時填塞微劃痕，從而大幅度降低摩擦和磨損。

·吸波隱身：納米鎳粉、鐵粉、鐵氧體粉以及鐵鎳合金粉等都是優良的電磁波吸收材料，不僅能吸收雷達波，而且能很好地吸收可見光和紅外線。具備波頻帶寬、兼容性好、質量輕和厚度薄等特點。用其配製的吸波塗料和結構吸波材料，可顯著改善飛機、坦克、艦船、飛彈、魚雷等武器裝備的隱身性能。

·金屬燃料：金屬納米粉末具有極強的儲能特性，比如向火箭固體燃料中加入0.5%納米鋁粉或鎳粉，可使燃燒效率提高10%—25%，燃燒速度大幅提升。

雖然金屬納米粉體用途十分廣泛，性能又好，但昂貴的價格制約了在各個領域的廣泛使用。現在國際上1克納米金屬材料的報價大概是200元到800人民幣之間。

金屬納米粉製備與產品

我們納米糰隊歷經20年發明了全球唯一能實現大規模工業化生產納米金屬粉體的技術及設備（MPNP），具有獨立智慧財產權，產能是國際主流技術的幾十倍，產量、質量都位居世界第一。

常規金屬納米粉體的製備方法有成百上千種，但主流的不外乎以下幾種方法：電爆法、蒸發冷凝法、等離子體法、溼化學法、球磨法。但是這些方法都存在產量低、易團聚、重複性差和成本高等問題。

MPNP技術相對它們來說有以下幾方面的優勢：

·種類多：可以生產各種金屬及其化合物納米粉體，產品質量高。

·產量大：可大批量、規模化、連續生產，產能是歐美的幾十倍。

·後處理技術：既不影響納米顆粒高活性又能確保生產、運輸、使用安全。

·自動化程度高：設備自動化、集成化程度高，可實時記錄設備運行狀態，實現生產過程實時監控。

·生產過程安全：設備具備危機自處理能力，操作簡單，設備操作對象大眾化。

·綠色環保：生產過程零排放。

MPNP技術可以說能生產大部分金屬納米粉體，目前主要生產的產品有納米鋁粉、納米鐵粉、納米銅粉、納米鈷粉、納米鎳粉、納米矽粉、亞微米鋅粉等等。

納米鋁粉主要應用在固體推進劑、軍工產品、金屬漆、活化燒結劑、電子漿料、導電塗層等上面，用顯微鏡放大10萬倍可以看到它是一個個的小圓球。高質量金屬納米粉體有以下幾個特點：圓球型、表面光滑、不團聚。

納米鐵粉主要應用在吸波材料、導磁漿料、高密度磁記錄材料、磁流體、靶向藥物、粉末冶金、納米高效農業、發射藥、炸藥、潤滑劑、高效催化劑等方面。

納米銅粉主要應用在電子漿料、導電油墨、活化燒結添加劑、塑料抗靜電和防黴處理、導電塗料、自修復潤滑油，抗菌服裝及塗料等方面。

納米鈷粉主要用作高效催化劑，在磁技術材料、導電漿料、粉末冶金等方面也是有很廣泛的應用。

納米矽粉現在主要運用在農業上，氮磷鉀之後矽也是一種重要的肥料，納米矽肥很容易滲入到植物的細胞表面，促進莊稼成長。

金屬納米粉體產品應用

MPNP金屬納米粉體在以下六個方面已經是完全成熟的產品：納米高效農業、納米微波吸收劑、納米自修復潤滑油、納米高效催化劑、納米抗菌服裝、納米固體推進劑。

納米高效農業

納米高效農業是將獨創的MPNP宏量製備技術生產的具有特殊結構的高質量鐵、銅、矽等納米粉體新材料用於農作物（小麥、青稞、大豆、玉米、棉花）、果樹（蘋果、黃冠梨）、蔬菜（辣椒、西紅柿、西蘭花等）、中藥材（貝母、當歸、枸杞等）種植，採用浸種、拌種、葉面噴灑等處理方式使農作物高效吸收所需各種微量元素，達到促進生長、提高抗逆性、豐產和提升品質等作用。

近四年來，我們納米研究團隊在甘肅、河南、新疆、寧夏、內蒙等地區共試驗推廣納米農作物3000餘畝，取得了豐碩的應用效果：河南襄城縣842畝納米冬小麥在浸種和兩次葉面噴施處理後，產量增加27.3%（增產143公斤/畝）；甘肅景泰縣5畝春小麥經拌種和兩次噴灑處理後，單產增加42%（增產164公斤/畝）；新疆670畝冬小麥僅僅用納米粉噴灑兩次，畝產增加13%。在甘肅榆中縣小麥試驗田內，人工控水乾旱脅迫條件下，金屬納米粉體單一使用可使旱地小麥最高增產42%，與微生物菌劑耦合使用可使旱地小麥最高增產91%; 在甘肅武威地區，我們測量的納米小麥籽粒鐵含量最高提升30倍, 使納米小麥成為富鐵小麥，具有很好的治療貧血作用。

納米金屬微量元素肥有如下作用：

·壯苗、促進根系生長的作用

·提高葉綠素含量

·提高小麥有效分櫱

·增加穗粒數

·增加籽粒千粒重

·增加抗逆性（抗病、抗旱、抗寒等），具有很強的抗病蟲害能力

·促進農作物對土壤中鐵的有效吸收，提高籽粒中鐵元素含量

·豐產、提升品質

·增加全作物生物量（牧草）

·以上效果針對不同農作物（植物）品種具有普適性，可廣泛推廣

重載車輛納米自修復潤滑油

機械零部件長期摩擦導致材料的損耗是巨大的。據估計全世界1/3-1/2的能量消耗在摩擦上，約有近80%的機械故障或零件破損是由磨損所引起的。據統計我國每年因摩擦磨損造成的經濟損失高達數千億元，因此潤滑油是非常重要的。納米潤滑油因為加入了納米顆粒，它的潤滑性能更好，使用壽命更長。通過納米顆粒的添加，磨損量大大降低，至少可以延遲車輛兩三倍的使用壽命，甚至更長，同時還對已經磨損的表面產生修復作用，所以它的使用效果和經濟效益都是非常大的。

納米抗菌服裝

抗生素的普遍使用使得細菌對抗生素的抗性逐漸增加，而很多納米粉體都具有強效的殺菌能力，而且它是廣譜殺菌。利用納米粉體抗菌處理的衣服及塗料可以百分百抗菌，納米服裝經過長期的穿著和清洗後仍然有很強烈的殺菌能力。

納米高效催化劑

當前納米鐵粉作為催化劑用於合成氨工業已經得到應用，國內已經開始噸級應用納米鐵粉，用量還在急劇增加。一個大型合成氨反應塔需要催化劑300噸，納米鐵粉佔1-5%，當前國內合成氨工業需要上萬噸催化劑，需要納米鐵粉100—500噸，市場潛力巨大。

使用鐵基納米合成氨催化劑有以下優勢；

·出口氨含量達到18～25％，活性提高了15％以上，合成氨的轉化率可增加30％以上，顯著提高轉化率，使得合成氨生產的產能得到了大幅提高。

·低溫活性高，顯著降低了生產用電，使生產成本降低至少3.2％

·可延長使用壽命1-2年，耐熱抗毒能力強。

·具有穩定性好、還原質量高、能耗低等特點，在節能降耗和提高產量方面具有明顯的作用。

納米固體推進劑

納米含能材料在軍事上的用途也非常廣泛，比如納米鋁粉在火箭固體推進劑中具有突出作用。

納米粉體添到固體火箭裡面有更好的性能，常規的固體推進劑中運用的是微米鋁顆粒和氧化劑，在火箭或飛彈發射後可以看到有大量的尾煙，實際上是燃燒不充分的表現。如果把微米顆粒替換成納米顆粒，就能非常充分燃燒，大量減少尾煙，甚至可以達到100%的完全燃燒，不會有尾煙的產生。

金屬納米的未來

金屬納米用途非常廣泛，除了上述幾個領域外，未來它還將在沙漠治理、草原生態修復、水氫汽車、超級磁鐵、納米矽增強太陽能電池轉換效率、納米防腐、納米化妝品等方面發揮更大作用，改變人來的生活。

·沙漠治理：在研究當中發現用很少的納米矽塗抹在沙漠沙子的表面，沙子流動性就降低了，從而固化了沙漠，加上納米鐵和種子再噴灑，在沙漠當中可以有很強的固化力，而且耐旱。

·草原生態修復：納米鐵對草噴灑處理之後效果非常好，產量提高，品質增加，對草原恢復是非常重要的。

·土壤修復：因為納米金屬、納米矽具有強吸附性、表面積大及活性高的特點，利用它可以把土壤中的重金屬吸附隔離達到治理作用。鹽鹼地可以通過矽和其它納米金屬共同作用，使酸鹼離子達到中和作用，最後不影響莊稼發揮。

·水氫汽車：隨著全球對清潔能源的日益重視，氫燃料電池車作為汽車環保的終極解決方案之一，必然是汽車工業的發展方向。氫能的應用前期已經積累了科學家們的大量的研究，開始逐漸走向市場，雖然到大規模產業化之日仍需要取決於氫燃料技術的成熟度及成本大幅下降。

·超級磁鐵：納米鐵粉磁性是普通鐵的100—200倍，可以把納米粉末重新按比例再配製再燒制形成耐高溫、高壓，超強度的超級磁鐵。

·納米矽增強太陽能電池：用納米塗抹在太陽能的光板表面，可以吸收更多的光能以及提高光能的轉化效率。

嘉賓介紹

閆鵬勳：理學博士、教授、博士生導師，國務院政府特殊津貼專家，知名納米材料專家。現任甘肅省科學院納米應用技術研究室首席研究員、甘肅省僑聯主席。歷任蘭州大學教授、博導、等離子體與金屬材料研究所長、甘肅省科學院副院長。留學德國，新加坡，美國。其發明的「金屬納米粉體宏量製備技術（MPNP）」，是國際上唯一高質量金屬納米粉體工業化生產技術，其產能是其它技術的數十倍。率先提出「納米高效農業」概念。在國際著名刊物上發表SCI論文300餘篇。2020年5月7日，入選英國愛思唯爾（Elsevier）發布的2019年中國高被引學者（Chinese Most Cited Researchers）材料力學榜單。

（頭條號運營：深圳科築信息技術有限公司）