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                                          沈海军文

国旗,说白了就是一块带有象征国家标志的布,或飘扬在队伍中,或竖立在建筑物上……国旗的作用和招牌有些相似,它可以无声地告诉人们,“这里属于美国”,或者“属于中国”。纳米科技是在上世纪80年代末才发展起来的前沿、交叉性新兴科学和技术,它的迅猛发展将带来一次新的工业革命。目前所有发达国家都在对纳米科技的研发进行大量的投入,试图抢占这一科技战略制高点。

讲到这里,有读者一定会问,纳米国旗到底是什么东西?国旗和纳米又有什么联系?其实,这里的所谓“纳米国旗”是指使用纳米技术或纳米材料制造的国旗。这些国旗或小得如发丝,或具有某特殊的功能。总之,这些纳米国旗并非科学家们的无聊之作,其更深层次的含义在于彰显该国家或地区科学家在某项纳米技术上的领先水平,即显示该国的某种科技实力。

 

一、德克萨斯大学的纳米美国国旗

 

德克萨斯大学位于美国德克萨斯州的拉达斯市,是美国的知名大学之一。2006年七月,美国有线新闻网报道了该所大学的一项纳米科技成果――纳米美国国旗。该国旗的作者是该校电子工程系的两位研究生,Jang-Bae Jeon和Carlo Foresca。这是一款只有在电子显微镜下才能看得见的国旗。旗面的长度仅为人发丝的1/10,为7微米左右,旗杆的直径及旗面的厚度均为数百纳米左右。这是一件本应进入吉尼斯记录而未能如愿的作品。吉尼斯官员们的理由是“很遗憾,我无法亲眼看到你们的作品。”

如图1所示,该纳米美国国旗被“插”(制备)在一张尺寸仅有灰尘颗粒大小的美国地图上;准确地说,应该是“插”在美国德克萨斯大学的所在地。

  据报道,为了制造该纳米国旗,Jang-Bae Jeon和Carlo Foresca采用了一种被称作聚焦离子束-气相沉积(FIB-CVD)的技术。其制作原理大致如下:在气态环境中,用聚焦的镓离子束辐照硅材料的表面,但凡镓离子束辐照的地方,气态物质就会在该处优先沉积、生长;巧妙地控制离子束的辐照位置,最终就会得到所需的三维纳米结构。

 

                         

二、Bilkent大学的纳米土耳其国旗

近来,土耳其Bilkent大学的一个研究小组使用扫描探针显微镜在硅的表面绘制了纳米尺寸的土耳其国旗。该小组的负责人是Ahmet Oral教授,他所在的单位为土耳其科学院纳米中心。

如图2所示,该纳米国旗的线宽为100纳米;高度为2纳米,仅为十几层原子的高度;国旗整体尺寸为几微米。相比之下,人的头发丝直径却为50微米左右。换句话说,该国旗的尺寸要比发丝直径整整小一个数量级。

      为了制备该纳米国旗,Ahmet Oral教授给扫描探针显微镜的探针及晶体硅之间施加电脉冲,并用扫描探针显微镜探针在晶体硅表面进行扫描。在电脉冲的作用下,晶体硅表面探针处的硅被氧化,凡是探针扫描的路径上就生成了凸起的氧化硅纳米线。最终构成一个细节尺寸为纳米量级的土耳其国旗。

  

三、康奈尔大学的彩色纳米国旗

2004年,美国康奈尔大学的研究人员在硅芯片上刻蚀了世界上最小的彩色纳米美国国旗。这是一个包含了六种色彩的国旗,旗面尺寸约为3×1.5微米,领导该项工作的是Carl Batt教授。该纳米国旗连同另一幅“纳米白宫”作品被镶嵌在一块邮票大小的树脂上,最终将经过白宫负责人转交给美国总统。

该项工作已经得到了美国国家自然基金的资助,采用的工艺为一种先进的纳米平面印刷技术。为了制备这面旗帜,Carl Batt教授在硅芯片表面覆盖上一层玻璃膜,然后在薄膜上刻蚀了间距为纳米量级的平行线条。国旗上,每颗星的尺寸为75微米左右,由36条均布的线条组成;5条带,每条带由52条平行线条组成;由于这些线条的间距恰好和红、兰或绿等可见光中的光波长相对应,因此,稍微倾斜一下该芯片,就会观察到不同颜色所显示的国旗图案。当然,如果国旗上平行线条间距过小,小于可见光的波长,则该纳米国旗就会自动“隐身”。

                           

四、美国NASA的纳米碳管国旗

这里介绍的是美国NASA研究人员制作的一张纳米碳管美国国旗。如图4所示,该国旗实际上是由两张纳米碳管的电子显微镜照片PS合成的。两张照片中的纳米碳管密密麻麻,整齐排列,每根碳管的直径为数百纳米,长度为1微米左右;其中,一张照片所反映的整体尺寸为4×6微米,为斜视图;另一张照片是俯视图,尺寸较小,为1.5×2.5微米。经过电脑后处理,它们分别被涂成粉红和蓝的底色。蓝色的电镜照片置于红色照片的左上方,俨然构成一幅纳米世界的美国国旗。

为了生长这些纳米碳管,研究者们采用了一种被称作等离子体化学气相沉积的技术,即在高温的气态环境中,让碳物质在材料基底上生长;由于材料基底上布置有催化剂,因此可催化纳米碳管的快速增长。

     

五、纳米五星国旗

2002年十月一日早晨,天安门广场的五星红旗像往日一样徐徐升起,依然是成千上万的民众前来观看。然而观众中却很少有人知道,从该日起,天安门上的五星红旗已经不再是往日的普通红旗,而是由纳米材料制成的防水、质轻的纳米红旗。这是世界上首面运用纳米技术的国旗。该纳米国旗由北京京工红旗厂有限公司研制,专门赠给天安门管理委员会。该面国旗的规格、面料、所用颜色等都与每天在天安门广场正中飘扬的一致,但是在制作时增加了纳米技术。这样,国旗就不会吸水,水滴上去就会成水珠流走,解决下雨时国旗因为吸水就无法飘扬的问题。经过处理的国旗还能防尘,颜色可保持数个月之久。

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沈海军

沈海军

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西北工大学士(1993年)、硕士(1997年)、博士(2000年)、南京航大博士后(2002年);现任同济大学航空力学学院教授,兰州交大兼职教授,博士生导师,飞行器工程所所长。 担任《The Open Mechanical Engineering Journal》杂志编委;教育部教学指导委员会成员。中国纳米艺术第一人,中国昆虫动力飞机第一人,中国三维打印飞机成功设计与试飞第一人。 主要研究方向:飞机设计、疲劳断裂、纳米力学等。已发表论文200余篇,其中,SCI检索30篇余篇、EI检索50余篇。承担或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目。著有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》、《纳米艺术概论》、《航空航天概论》、《千姿百态的纳米花》等著作。 联系方式:shj@tongji.edu.cn 上海市彰武路100号,同济大学航空与力学学院,200092

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