北大云开讲·回顾｜纳米世界的奥秘

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关键词：北大云开讲精彩回顾纳米材料

4月25日，“北大教授给中学生云开讲”系列学科讲座第十三讲开讲，北京大学工学院材料科学与工程系曹安源教授做客直播间，带你领略纳米材料的神奇之处。

01

新材料与应用领域

我们平日中使用的各种材料，有着种类丰富、结构漂亮、性能优秀、应用广泛的特点。人类对材料的应用有着悠久的历史，到了科技飞速发展的现代，超材料、能源材料、环境材料、电子/光电材料与器件、智能材料、生物与仿生材料、纳米材料与技术、超人类技术等许许多多的新材料新技术不断涌现，广泛应用于工业生产、环境保护、新能源汽车、可穿戴设备等领域，提高了生产力水平，改善了人们的生活条件。

而纳米技术是在分子、原子级别操纵和制作材料，将其应用到现代生活的各个领域中去的技术。应用纳米技术制造的材料往往拥有普通材料不具备的优异性能，在许多领域都有宽广的发展前景。利用碳纳米管制造导线和晶体管，以期能延伸摩尔定律；利用碳纳米管超强超轻的特性可以制造太空电梯的缆绳；而可以弹性拉伸的纳米飞丝已经在实验室中被制备出来。

02

纳米世界与宏观世界

纳米是长度单位，纳米尺度的世界肉眼不可及，但它却与宏观世界有着精妙的对应。在纳米世界中，不仅有美丽的纳米戒指、纳米玫瑰、纳米纸飞机与千纸鹤，还有结构精巧的碳纳米管结、碳纳米管纺织薄膜。

纳米世界中的许多性质也与宏观世界类似，比如利用类似弹簧的旋转收缩性质，可以制造基于碳纳米管纤维的人工肌肉；碳纳米管可以制成浆料、果冻和面团，用于3D打印、印刷电极和导电复合材料；竹节状的碳纳米管和在基底上生长的碳纳米管麦苗是纳米世界对植物的致敬；而利用酒精使碳纳米管阵列收缩，许多精巧的纳米容器便应运而生。

纳米世界的美妙时刻提醒着我们，要仰望星空，脚踏实地。

03

碳纳米材料与其结构、性能、用途

重要的碳纳米材料有富勒烯、石墨烯和碳纳米管。

富勒烯是由完全由碳原子组成的中空球形分子，如由60个碳原子组成的C₆₀为例，恰如足球一般，是天衣无缝的笼形结构；

石墨烯是单层的石墨，是由碳原子呈正六边形紧密排布，只有一个原子层厚度的材料；

碳纳米管则是由石墨烯卷起而得到的管状材料，根据六边形的方向可以卷成很多种不同结构，应用领域也十分广泛：可以制作分子快速通道、纳米容器、纳米温度计、碳纳米管琴弦、碳纳米管刷等；也可以与其他材料结合，进一步发挥其特性；还可以用于艺术创作，创造出微观尺度上的“水墨画”。

正如曹老师所言，小小纳米，蕴藏神奇。至于其神奇之所在，还要靠各位去细细发掘！

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“北大老师给中学生云开讲”系列直播讲座仍在继续，下期精彩敬请关注北京大学招生办公众号的后续预告！

编辑 | 郭曜齐

审校 | 李楠 童祎璐 郭虓 王俊棋

美编|李博宇

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