纳米书写技术的问世和应用
纳米书写技术的问世
据物理学家组织网报道，中国清华大学和丹麦理工大学科学家合作，演示了一种简单而有效的方法：用电子束有选择地打破石墨烯单分子层的碳原子键，可实现在纳米尺度上书写。这种纳米书写技术为将来以极高分辨率记录信息，制作微型电子设备中的纳米电路提供了可靠手段。相关论文发表在近期英国物理学会科学期刊《纳米技术》上。“从古至今，信息记录能力与人类的文明进程直接相关。纸和墨水是记录历史的两种基本工具。当前，信息通讯已经深入到前所未及的尺度。”丹麦理工大学研究人员张威说，“我们的研究证明了以位置和大小都可控的方式来操纵电子，直接在最薄材料石墨烯上书写的可行性。”
纳米书写本质上是在纳米尺度操纵事物，至今已被广泛研究。现有方法可分为两大类：一种是光刻印刷，这是把预先做好的图案印制在底板上，但分辨率有限；另一种是自组装，这种方法能操纵单个原子或分子，但在控制能力上还面临很大挑战。
研究人员把这两类方法结合在一起，克服了两方面的不足，并在石墨烯上进行了演示。新的纳米书写技术提供了良好的可控性和高分辨率，所演示的字体大小线宽仅有2到3纳米。此外，经书写后石墨烯还能保持不变形。
清华大学化学工程系的张强说，石墨烯的平整性为它作为“世界上最薄的纸”提供了绝佳条件，但要想直接在上面书写，还必须找到合适的“墨水”。这种“墨水”必须既满足分辨率的要求，又具有可视化功能。
投射电子显微镜中的高能电子是最佳选择。石墨烯中的碳原子对许多照射效果都很敏感，一束300KeV的电子束能打断单层石墨烯上局部的碳—碳键，键断裂时碳原子被击出，形成一个空悬的键，会吸引真空中和石墨烯表面其他形式的碳。一些新的无定形碳被吸引到悬着的键上，稳定了这一边缘，如此这般沿着电子束扫描的方向一路下来。
研究人员还表示，希望能进一步提高这种纳米书写技术的分辨率和书写效率。“如果用软件预先设计好形状，还可实现更复杂的书写。”张强说，“最终目标是实现在原子尺度的轻松书写和精确的电子线路设计。
纳米书写技术的应用
现代科学证实，传统书画所用的墨和颜料中含有对人体有害的铅等化学物质，同时，在其生产过程中又浪费大量珍贵的自然资源。针对这两大弊病，我进行了可替代传统书画用纸的新型材料的研究。
根据“l～l00纳米的颗粒在力学、磁学、超导和热力学等方面均会发生奇特的性质变化”这一原理，选用廉价化学原料，经过反复实验研究，筛选出可应用于实际的金属氧化物准纳米颗粒。由于其粒径小，表面化学活性强，当水分散到这些颗粒表面时，粒子的静电亲和力和水分子的表面张力使水很容易吸附在其表面而较难蒸发。加上纳米粒子表面的长键作用，加强了它的光学特性，使光的反射层次更加丰富，这时，光的折射和反射会产生清晰的“水迹”，起到宣纸特有的“墨韵”效果。此外，按照热力学原理，高度分散的纳米颗粒的表面大，自由能也大，属于热力学不稳定体系，本项目选用了合适的粘合剂和添加剂制成浆料，均匀地涂在合适的基材上，经交联烘干，最后制成新型书写用“纸”。
使用本“纸”练习书画，只需蘸取清水，笔迹便可鲜明显现，用清水替代传统的墨水和有机颜料作为可反复使用的书画练习工具，无污染，有利于保护练习者的身体健康，有利于节省大量木材、水等自然资源，减少电、水、气的能源消耗，是较为典型的绿色环保材料。另外该产品与毛边纸和各等级宣纸相比，其效果好，反复使用800次仍未破损，体现出低成本的价格优势，应用前景十分乐观。
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