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1、纳米材料与生活纳米材料做的口罩有什么优点？第一项创造是纳米口罩。我们知道，用布料和普通纺织品做的口罩，过滤一般粉尘和大的 细菌没有问题，但是要想过滤直径更微小的病毒或者有毒物质就做不 到了，因为纺织品纤维之间的缝隙太大了。后来田纳西大学材料科学 专业的蔡秉教授创造了使用熔喷静电布的N95 口罩，能够过滤大局部 病毒。N95 口罩使用的是熔喷布，一层熔喷布的过滤效果能抵19层棉 纱。再加上熔喷布本身能够靠静电力吸附住病毒和小颗粒，因此病毒 和其他有害颗粒就过不来了。这就是N95 口罩的工作原理。不过，普通N95 口罩有两个问题。第一个是透气性不够好，你如 果使用过它就会有体会，很多人出门跑步锻炼
2、，如果戴N95 口罩的话 会出现窒息感。第二个问题和第一个相关联，就是透气性不好导致口 鼻中呼出的水蒸气散不掉，让口罩变得潮湿，这样它就容易丧失了静 电吸附能力，这时口罩的过滤效果会大打折扣。而纳米材料口罩那么可以解决这两个问题。它是怎么做到的呢？我 们看一下口罩工作的原理：口罩的过滤效果如何，要看它的缝隙有多 大；而透气不透气，那么要看它的缝隙和纤维的比例有多高。棉布口罩缝隙大，所以过滤效果不好，但是缝隙和纤维的比例高, 因此透气。普通熔喷静电布缝隙小，因此过滤效果好，但是缝隙和纤维的比例不够高，因此透气性不好。如下列图，是这两种材料的微观原 理结构。棉布熔喷加静电布纳米材料示意图左边的是普
3、通棉布材料，中间的那么是熔喷静电布。当然这 些材料的纤维实际上并不是横平竖直排列的，这样画只是示意其原理。从图中你可以看出，要想做到过滤效果和透气性都好，就需要让 纤维与纤维之间的空隙很小，同时纤维本身所占的面积又不能太大。 纳米纤维就可以做到这一点。这张图最右边就是纳米纤维材料的示意图，如果说棉布的结构是 用很粗的线编了一张稀疏的渔网，熔喷布是用粗线编了一张很细密的 渔网，纳米材料就是用很细的线编了一张细密的渔网。看图的话，这 个差异就一目了然了。这是因为纳米纤维的尺寸非常的小，因此才可 以同时满足过滤性好和透气这两个条件。纳米口罩效果好的另一个原因是它的静电吸附能力比普通的熔 喷加静电布更
4、强。这里面又有两个原因。首先当然是因为透气性强， 纳米口罩容易保持干燥。此外还有另一个重要的原因。过滤材料的纤维越细，外表的静电 吸附力越强。这是为什么呢？静电场的强度和距离成反比，纤维越细， 外表的静电场越强。这个道理其实大家在中学物理都学过，只是平时 不用，谁都没有往这上面想。纳米材料做的衣服有什么优点？一种用纳米材料制成的防寒服横空问世，这种衣服保暖性能很好, 而且它只有普通防寒服1/10的厚度，重量那么不到一半。纳米材料为什么比普通布料的保暖效果更好呢？这就要说回到 衣服保暖的原理了。我们每天都会穿衣服，但是很少有人关心保暖和 透气的原理究竟是什么。衣服保暖需要两个基本条件：一个是防风
5、，防止冷风吹进来；另 一个是防辐射，防止人体的红外辐射把自己产生的热量散出去。此外， 衣物要穿着舒服，还需要透气性好。棉织品透气性好，但是不防风，因为棉纤维的间隙太大，因此大 棉袄需要做得特别厚。目前一些合成材料能做到既防风又透气，但它 们在防辐射这方面做得不够好，人体的热量还是容易通过红外辐射散 失出去，因此保暖效果还是有限。要想同时解决上述所有问题，就需要某种材料能够既透气又防风, 而且要能够将人体往外发散的辐射反射回人体，这样就能在两个指标 上做到双重保暖。纤维极细的纳米材料就可以做到这一点。而纳米材料防水的原理又是什么呢？般的纤维遇到小水珠时，根 据毛细运动的原理，水分子可以渗透到纤维
6、的另一侧，发生透水现象。 而纳米纤维构成布料具有疏水性，会让小水珠聚集到一起，变成大水 珠，这时由于水珠外表张力的作用，水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧，也就防止了渗水。另一方面，水蒸气分子却可以透过纤维散发出去，因此可以做到透气。而且，纳米材料做成的衣服也会比其他普通的衣服更轻。一方面 是因为纳米纤维本身尺寸更小。比方棉纤维的直径是8到20微米， 纳米纤维那么比它细上三个数量级。另一方面，纳米材料本身的物理性 能更好，所以也不需要把衣服做得很厚。新产业就是现有产业+新技术。服装产业对我们来讲是非常非常 传统的产业了，很少有人会把它和高科技联系起来。而纳米材料在我 们想象中是极为高大上的技
7、术，很少有人清楚它们的实际用途。因此 我们很容易认为这两件事情不搭界。但是，因为了解事物与功能背后 的原理，优秀的科学家就能在看似不搭界的两件事中建立起桥梁。很 多时候科技改变社会就是这样发生的。纳米材料有哪些可能改变世界的用途？当然，纳米材料的用途远不止做纺织品。纳米材料还有一些特性 和功能，都可能在很快的时间内改变世界。第一个是储存能量。今天全世界都在开展太阳能、风能等清洁能源。但这些能源有一 个大问题，就是你需要的时候它可能供应不上来。为什么呢？因为能 源储存是个问题。比方晚上是用电高峰，但晚上可没有太阳；再比方 冬天是用电高峰，但今年冬天就是不刮风，怎么办？这两种可再生能源要想普及，要
8、解决的一个大问题就是储能问题, 尤其是储能效率的问题。如果储能效率低，就会大大提升这两种能源 的生产本钱。而今天的电池储能效率都算不上高。那么怎么能提高电池的储能 能力呢？如果你了解相关的物理知识就知道，电容储能的能力和电极 的外表积成正比，电池之所以能比普通电容储存更多能量，因为它把 电荷储存在了材料的复杂晶体结构里。但如果电池中的材料储存了过量的电荷，就会发生结构变化和体 积膨胀，造成材料破裂，容量快速衰减。不过，如果我们能够把电极 材料做得非常非常小，做到纳米量级，就可以解决材料破裂造成容量 衰减的问题。纳米电池硅负极材料，它的储电荷能力比目前的锂电池用的石墨 负极高出一个数量级，就是这
9、项创造奠定了他在世界材料科学领域的 学术地位。纳米材料的第二项用途是过滤重金属等有害物质。这项技术大致的原理和口罩原理有点像。如图：图片中间的网是一个纳米级的过滤器，左边是带有重金属原子的 污染的水，右边是纯洁水。由于纳米过滤器的缝隙很小，再加上静电 排斥的作用，水分子可以通过，重金属无法通过，挂在了过滤网上。 这样不仅可以过滤有毒物质，还可以提炼出金属。纳米材料还有两项有潜力改变世界的用途是，取代箱金成为燃料 电池催化剂，以及可以用于实现人造光合作用，减少大气中的温室气 体。硅谷不是只有T技术，IT开展只是一个结果，创新才是硅谷发 展的原因，而创新可以运用于所有的科技领域。和世界上其他地区相 比，硅谷的创新即顶天，又立地，既有很高的开展水平，又与人的生 活联系紧密。纳米材料的应用，都与当下最受关注的科技领域相关的，比方电池技术既与电动车有关，也与清洁能源的总体开展有关。