微观领域的“魔术师”——纳米技术

第七章 微观领域的“魔术师”——纳米 技术

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《西游记》中,唐僧师徒四人去西天取经,途中经过火焰山,被炽热的烈焰拦住了去路。为了扑灭火焰山的烈焰,孙悟空变成一只虫子,钻进铁扇公主的肚子里,这才制伏了骄傲的铁扇公主,终于借到了芭蕉宝扇。这个神话故事看起来很荒诞,但纳米技术的产生和发展却有可能把它变成活生生的现实。

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在介绍纳米技术之前,先说说什么是纳米。纳米是一个长度计量单位,1纳米为十亿分之一米,大约是3~4个原子排列在一起的宽度,人体内血红细胞的直径大约是8000纳米。

纳米技术诞生于20世纪80年代末,是在现代物理学与高新工程技术相融合的基础上产生的一门科学技术,主要研究尺寸在0.1~100纳米范围内的电子、原子、分子运动规律和特性,以及利用这些特性设计和制造具有独特功能、尺度微小的产品。纳米技术的基本特征是以精确完美的控制和准确入微的离散方式,快速地排布原子或分子结构,按照人的意志操纵原子(团)或分子(团),制造出具有特定功能的超微型设备,如单个原子制动器、分子开关、超微型电动机、纳米卫星等。纳米技术涉及很多学科分支,如纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械学和纳米力学等。纳米技术与信息技术、生物技术被称为“21世纪的三大热门技术”。

纳米材料,是指纳米尺度下的物质,包括纳米微粒、纳米纤维、纳米膜和纳米固体。纳米微粒、纳米纤维和纳米膜,是尺寸在1~100纳米之间的纳米粉末和由它形成的线状物及片状物。纳米固体是由尺寸小于15纳米的超微颗粒经过高温或高压处理形成的凝聚体,而由不同材料的纳米微粒构成的纳米固体称为纳米复合材料。

由于纳米材料具有与传统材料截然不同的特性,尤其是与众不同的力学性能和声、光、电、磁、热等特性,在先进武器装备研发方面大有用武之地。目前,纳米材料的特殊性能已经引起了世界各国军方的关注,研究发展的重点是纳米陶瓷、纳米金属间化合物、纳米复合材料、纳米隐身材料、纳米信息材料等。

那么,纳米技术究竟有什么特异功能呢?将纳米微粒加入到纤维中制成的军服,不仅质量大大减轻,而且对红外线有很强的吸收作用,能够有效地屏蔽人体释放的红外线,从而达到保护人身安全的目的。

将纳米粉末分散到陶瓷基体中制成纳米陶瓷材料,其力学性能明显改善,可以大幅度提高陶瓷复合装甲材料的防护能力,也可以改进速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击能力,延长枪、炮使用寿命。

纳米金属间化合物可以克服传统同类材料脆性和加工性能差的弱点,呈现出很好的塑性和耐冲击性能,为制造高效率、大功率、高可靠性、高耐久性和低散热的军用发动机提供了理想的高温结构材料。

纳米磁性材料具有很强的抗电磁干扰能力,可用于制造抗电磁干扰的通信设备,提高电子战能力;也可用于制造高记录密度和高信噪比的磁记录材料,提高信息处理能力。

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纳米隐身材料对电磁波有宽频带吸收作用,某些材料的纳米粉末几乎可以完全吸收可见光、红外线及雷达波,用这类材料制成超薄的隐身涂层可以明显提高大型武器平台的隐身性能。

纳米金属粉末具有很高的活性,在空气中会迅速氧化燃烧甚至爆炸,作为燃烧反应的催化剂可以实现超高速均匀燃烧,使能量迅速稳定释放,从而为研制新型高性能炸药和推进剂开辟了新途径。

纳米武器也是纳米技术应用开发的重点,包括纳米信息系统和纳米攻击系统两大类。

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纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息获取、传输、存储和处理系统,主要是一些微小型侦察设备和探测器材,如“苍蝇侦察机”“间谍草”“纳米卫星”等。

“苍蝇侦察机”是一种比苍蝇还要小的纳米侦察机,可以携带各种探测仪器,能有效地避开敌方雷达的探测,潜伏到敌方目标附近进行侦察,并把获取的情报信息及时传回己方。

“间谍草”是一种像小草的纳米传感设备,装备有非常灵敏的超微型摄像机和传感器,能够观察和侦测到百米以外坦克、车辆等移动时产生的震动和声音。

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“纳米卫星”的质量不到10千克,一枚小型火箭就可以同时携带和发射数百上千颗的“纳米卫星”,在地球同步轨道上构成网状布局,对地面任何目标进行全天候不间断监视。

纳米攻击系统是指运用纳米技术制造的微型智能攻击武器,如纳米机器人等。纳米机器人可以通过各种途径潜入敌方的军事要害内部进行破坏,比如用特种炸药引爆目标,破坏敌方的电子设备与计算机网络,施放各种化学战剂,甚至埋设微型地雷和充当爆破手。

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纳米卫星

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