【中国科普博览的回答(292票)】:
我来说一个目前比较冷门的，是纳米技术在催化工业里的应用。
这个技术叫“单原子催化”
估计大部分人没听说过吧？那我来详细说一下。
在解释单原子催化之前，首先要了解催化是什么？这个概念不要说一般人不清楚，恐怕很多从事化学相关研究的人也不甚明了┑(￣Д ￣)┍
我们常说的催化是指化学反应在外来物质作用下反应速度增加的一种现象。外来物质被称作催化剂，反应速度增加的过程称为催化过程。
人类对催化过程的利用已有几千年的历史。比如酿酒、酿醋过程中会加入曲促使粮食发酵，这是典型的催化过程，而加入的曲就是催化剂。
如果你对酿酒不熟悉的话，蒸馒头你一定是见过的吧，发面时要加入酵母使面团发酵，这也是催化过程，酵母则是催化剂。
随着现代化学工业的兴起，催化已经渗透到人们的衣、食、住、行的方方面面，与人们的日常生活息息相关、密不可分。90%的现代化学工业会用到催化过程，催化过程直接贡献了发达国家GDP的25%！！！
(图片来自于《Catalysis:Concepts and Green Application》)
催化可以分为多相催化、均相催化和生物催化（通常也叫酶催化，酶是一种蛋白质，结构见图一中的a图）。1.生物催化
前面提到的酿酒、酿醋等均属于生物催化，其特点是催化效率高。但由于催化剂本身为微生物（酵母等）或蛋白质（酶），所以稳定性差，一般只能在常温常压下存在，难以进行工业应用。2.均相催化
均相催化与多相催化是按照催化剂与反应物（也叫底物）的物理相态（气固液）来分的：催化剂与反应物为同一相（例如均为气相或液相）叫均相催化，反之则叫多相催化。
均相催化剂与酶催化剂类似，具有孤立的活性位点和特定的结构（图一所示b图中的Rh原子为活性中心）。此外，由于均相催化剂与底物混溶，利于反应分子与催化剂的接触。因此均相催化与酶催化一样，具有高活性与高选择性的优势。然而，其缺点也同样是催化剂不稳定，且难以分离，使催化剂难以回收利用并造成产物纯化困难。因此目前绝大多数工业均为多相催化过程。3.多相催化
多相催化剂相对稳定，而且由于与底物不相溶，因此分离不是问题。但也因为与底物不相溶，因此与底物的接触不够充分，催化性能受到底物分子传输的限制。更重要的是，多相催化剂多为无数原子团聚组成的微粒（如图一所示c图，图中黄色微粒为活性中心，由成千上万原子组成），不像均相催化剂一样以单个或几个原子作为活性中心，因此其催化效率较低。为了提高多相催化剂效率，有必要将这些小微粒进一步分割，终极目标是形成单个原子分散的多相催化剂，就是我们下面要介绍的“单原子催化”。
前面的概念是不是太复杂？有些枯燥(；′`)
没办法，作为一个正经的科研机构，还是想让大家知其然也知其所以然~~~
接下来，我们说一下“单原子催化”是如何以一当十的。
人们常说“人多力量大”。然而，纳米世界却并非如此。纳米材料的重要特点之一是具有表面效应：
随着纳米材料粒度的减小，材料的「比表面积」（表面积与体积之比）大大增加。
以球体为例，球的表面积与其直径平方成正比而体积与直径立方成正比。因而其比表面积与球体的直径成反比。
图二 高分散增加比表面积的示意图
举一个更直观的例子说明：图二左边的团聚体主要暴露上下两个表面。将该团聚体沿阴影方向一切为二，团聚体的总重量、总体积没有变化，但是暴露的表面积增加了一倍。将得到的团聚体按这种方式继续切割，总表面积将增加四倍、八倍……这种切割增加比表面积的方式被称为高分散。
如果有足够的技术，将该团聚体一直切到只有一个原子层厚度，此时不再有体相原子（不暴露原子），所有原子均为表面原子（暴露原子），实现了比表面的最大化。表面原子的配位不饱和度远高于体相原子，所以表面原子数的剧烈增加，将改变原有物种的键合状态，导致其化学性能的突变。巨大的比表面积，以及大量表面原子的过高表面张力使纳米材料与常规材料表现出性能差异，这就是所谓的纳米材料的表面效应。（虽然有点难懂，但这是重点！~(≧▽≦)/）
那它有什么意义呢？
事实上，
表面效应对于多相催化非常重要！
表面效应对于多相催化非常重要！！
表面效应对于多相催化非常重要！！！
（重要的事情要说三遍 ）
多相催化往往在活性组分的表面发生，因此减小活性组分尺寸提高活性组分的比表面能够有效提高活性组分材料的利用效率。
这一点对于贵金属催化剂意义尤其重大。有人进行过估算：假设一块砖体积为20 * 10 * 5厘米，如果采用纯金制备，按照每克金价格38.1美元计，该金砖价值73万美元。如果将一块同样大小的砖头上面仅覆盖一个原子层厚度的金，则所用金的价值仅为1美分。两者成本相差悬殊，但是表面都是黄金，对于催化的效果可能是相似的。
图三 图片来自文献ChemCatChem 2015 7 2559-2567
高分散的道理相当简单，效率却超乎想象！(*@ο@*)
早在上世纪初，在纳米概念还没有提出的时候，人们就已经意识到该方法的有效性。以广泛应用的铂催化剂为例，从19世纪初期安全矿灯上用的铂丝到后来的铂黑（超细铂粉末）、海绵状铂再到目前广泛采用的高比表面载体负载纳米铂催化剂，人们走的就是一条高分散的道路。
也就是说，人们早已意识到如果将金属在载体上进行单原子分散，可以将金属原子利用率最大化，这就是所谓的“单原子催化剂”。
道理虽然简单，实现起来却并不容易。首先是在传统载体上，单原子催化剂极不稳定，受热容易迁移聚集长大。此外，也缺乏合适的表征手段。即使成功制备了单原子催化剂，也难以进行有效的表征，确认其单原子结构。直至本世纪初，随着球差校正电子显微技术的发展，出现了能够分辨催化剂上单个原子分散的电子显微镜，单原子催化剂的研制才成为可能（见图四）。
图四 单个白金（Pt)原子在Fe2O3表面的球差校正电子显微镜照片，图片来自文献Nature Chemistry2011, 3, 634-641
这样很容易理解单原子催化剂的最主要特点在于“以一当十”——原子利用效率最大化。但实际上除此之外，单原子催化剂还有其它特点和优点。首先，单原子催化剂可能具有高活性。对于多相催化，传统催化理论认为配位不饱和表面原子是反应活性中心。而单原子催化剂中的单个原子全都是表面原子，因而具有更高的反应活性。另外，现有证据表明，对某些特定反应，催化剂中只有单原子是催化活性中心，其它纳米粒子并不起催化作用。
其次，单原子催化剂具有高选择性。多相催化剂中，催化剂粒子大小不均一，暴露的金属面也各不相同，因此可能展现出不同的底物或产物选择性。而单原子催化剂中的单原子存在形式单一，可以形成高度的反应专一性。
再次，单原子催化剂具有更高的稳定性。这一点听起来难以置信。因为一般来说，金属在载体上分散的越好，其表面能越大，越倾向于发生迁移、聚集形成尺寸更大的团聚体从而降低表面能。
工业上使用的催化剂一般要先进行高温焙烧、还原，目的之一就是遵循这一原理，使催化剂中分散度较高、粒子尺寸较小的金属团簇发生聚集，使催化剂变得更加稳定。然而现有证据表明，与预期不同的是，很多单原子催化剂表现出比纳米粒子更高的结构和反应稳定性。其原因尚不清楚，可能是由于单个金属原子进入载体晶格形成相对稳定的结构。也可能是金属原子落入缺陷位，由于缺陷位对单个原子的束缚能力高于对纳米粒子的束缚能力。（缺陷位是指固体表面在原子尺度上并不光滑，很多地方由于缺少原子而形成坑洼，见示意图五。）
图五 缺陷位对单原子和对纳米粒子的影响可能不同
作为催化领域的一个新的热点与前沿，单原子催化的概念提出短短几年已经受到研究人员的广泛关注，受到了众多青睐。但世事无绝对，尽管单原子催化剂具有这样那样的优点，单原子催化也不是万能的，一样有其缺点与局限。比如对于某些活化过程需要多原子协同的反应，单原子催化剂很可能无能为力。这就需要设计多个原子协同的催化活性中心。
其次，单原子催化剂的制备相对困难，目前多以降低负载量为代价。因此，如何设计制备具有较高负载量的、稳定的单原子催化剂成为挑战之一。
此外，目前为止单原子催化机制尚不明了，也还需要进一步研究。
但至少从目前看来单元子催化前景光明，到底未来发展如何，就让我们拭目以待吧(∩_∩)
希望我们这个正经科研机构的回答，对题主有所帮助。
出自：科学大院
作者：乔波涛（中科院大连化学物理研究所）
【段昊的回答(3票)】:
说一下个人感受，纳米技术确实被宣传过分了，至少目前是这样。
纳米尺度上材料性质的改变很吸引人，也确实有一些比较成熟的应用，但是应用方面绝大多数停留在实验室，纳米尺度的性质在宏观大量的情况下往往不能表现出理想的性质。
目前，人们已经基本解决了纳米材料的制备的问题，虽然大量制备仍然存在很多限制，不过大部分是成本方面。而且我们已经可以控制制备的纳米颗粒的尺度。所以制备不是主要问题。
问题出在应用方面。纳米材料大量使用时绝大部分并不能做到很好的分散状态。纳米颗粒颗粒小，比表面积大，表面能高，所以应该是一种介稳状态。他们要趋向于更稳定的状态呀，所以这些颗粒就一群一群的抱在一起降低表面能。我见过的纳米材料这样的团聚（自然形成，不用机械破坏）尺寸小的也在100um的量级，有个别特别大的团聚以mm计，而且需要外力破坏。这种情况下，至少比表面大这一性质会大打折扣了。前面提到的催化剂的使用就是受这个问题影响最严重的应用方向。多数情况是看上去很美，用起来不好用。
最后补充一下，楼主说的加强版活性炭应该也会收到这方面限制。
【我就是洋洋的回答(16票)】:
新版一百元出来这么久，洋芋君妹子还没见到过活生生的这款土豪金。人民币更新也正是需要应对死皮赖脸跟进的盗版技术，如果未来纳米技术广泛运用，那盗版商们大概要哭死。
我们就来了解一下纳米技术在防伪领域的运用。
英文原文：
Scientists have discovered a way toauthenticate or identify any object by generating an unbreakable ID based onatoms.
The technology, which is being patented atLancaster University and commercialised through the spin-out company QuantumBase, uses next-generation nanomaterials to enable the unique identification ofany product with guaranteed security.
The research published today in Nature'sScientific Reports uses atomic-scale imperfections that are impossible to cloneas they comprise the unmanipulable building blocks of matter.
First author Jonathan Roberts, a LancasterUniversity Physics PhD student of the EPSRC NOWNANO Doctoral Training Centre,said: "The invention involves the creation of devices with uniqueidentities on a nano-scale employing state-of-art quantum technology. Eachdevice we've made is unique, 100% secure and impossible to copy or clone."
Current authentication solutions such asanti-counterfeit tags or password-protection base their security on replicationdifficulty, or on secrecy, and are renowned for being insecure and relativelyeasy to forge. For example, current anti-counterfeiting technology such asholograms can be imitated, and passwords can be stolen, hacked and intercepted.
The ground-breaking atomic-scale devices donot require passwords, and are impervious to cloning, making them the mostsecure system ever made. Coupled with the fact that they can be incorporatedinto any material makes them an ideal candidate to replace existingauthentication technologies.
Writing in Nature's Scientific Reports, theresearchers said: "Simulating these structures requires vast computingpower and is not achievable in a reasonable timescale, even with a quantumcomputer. When coupled with the fact that the underlying structure is unknown,unless dismantled atom-by-atom, this makes simulation extremely difficult.
"While heterogeneity in the fabricationof nanostructures often leads to unpredictable behaviour of the final device,which is normally undesirable, we have proposed and demonstrated a potentialuse for the quantum behaviour of atomically irreproducible systems."
The reported Q-ID device, which uses anelectronic measurement with CMOS compatible technology, can easily beintegrated into existing chip manufacturing processes, enabling cost effectivemass-production. The new devices also have many additional features such as theability to track-and-trace a product throughout the supply chain, andindividual addressability, allowing for marketing and quality control at thepoint of consumption.
Dr Robert Young, the research leader atLancaster University and co-founder of Quantum Base said: "One couldimagine our devices being used to identify a broad range of products, whetherit is authentication of branded goods, SIM cards, important manufacturingcomponents, the possibilities are endless."
The use of inexpensive nanomaterials andtheir ability to be produced in large quantities has resulted in smaller, morepower efficient devices that are future-proof to cloning.
Phil Speed co-founder of Quantum Base said"Q-IDs markedly increase the security gap between the good guys and the badguys; this is truly a step change in authentication and authorisation.Lancaster and Quantum base have created devices that are the smallest, the mostsecure and the cheapest possible today and we are looking forward to talking toprospective markets and customers alike to bring this new, cutting edge, greatBritish technology into mass market adoption."
中文译文：
科学家们发现了一种能够鉴定识别任何东西的方法，那就是打造一个牢不可破的原子“身份证”。
这项技术正在兰开斯特大学申请专利并且通过“量子基地”公司（Quantum Base）的子公司进行商业化。这项神奇的技术使用下一代纳米材料来实现任何产品的唯一识别，而且安全有保证哦。
这项研究发表于自然杂志（Nature）旗下的科学报道（Scientific Reports）。聪明的科学家们利用原子尺度的一个缺点——不可克隆性来保证ID的安全性。（优缺点都是相对哒，只要好好利用，劣势也能变优势！）因为他们包含防操纵的构成部分。
论文第一作者，EPSRC ①NOWNANO②博士训练中心的兰开斯特大学物理学博士生乔纳森·罗伯特（Jonathan Roberts）说：“这个发明涉及一个先进设备的制造——它在纳米尺度上使用先进的量子技术为产品提供唯一的标识。我们的每个设备都是独特的，百分百安全并且毫无可能被复制的。”（也是做得一手好广告……）
当前的身份验证方法如防伪标签或者密码保护都是将安全性建立在复制困难或者保密上——然而呐，也以不安全和相对容易伪造而“著称”。举个例子吧，现在的防伪标签技术如全息图（holograms）能够被模仿，而密码则容易被盗窃、入侵或者截取（我们都懂的~）。
Holograms in Iron Man Holograms in Iron Man
这种独创性的原子尺度设备在不需要密码的情况下，却能保证不被克隆——这使之成为现今最安全的系统。再加上能够被包含进任何材料中这个优点，它们当之无愧地成为替代现存认证技术的最佳候选啦。
在科学报道杂志中，研究人员说道：“想要模仿这些结构需要强大的计算能力，而且无法达到一个合理的时间尺度——即使是量子计算机也无能为力。当与未知的基底结构结合时，除非原子一个接一个地被拆解——模仿可是极其困难的呀。”
“由于纳米结构制备的不均匀性通常会导致最终设备出现不可预知的行为，并且这些行为通常是不合需求的，所以我们提出并且展示了一种量子行为的潜在使用方式即原子尺度上的不可复制系统。”
这种量子ID（Q-ID）设备，使用了与CMOS兼容的电子测量技术。它能够被简单地整合进现有的芯片生产流程中，这使成本高效的大规模生产不再是纸上谈兵。这种新型设备还有许多附加的棒棒哒技能，比如说，考虑到销售以及在消费上有质量控制，我们有供应链追踪产品和个体寻址。
兰开斯特大学的研究领导人兼量子基地公司（Quantum Base）的共同创始人罗伯特·杨博士（Dr. Robert Young）说：“大家能够想象，我们的设备用于识别的产品范围很广——不管是品牌商品的认证、SIM卡还是重要的生产组件——它们的可能性是无穷的。”
因为它们使用的是廉价的纳米材料，并且拥有量产的能力，它们将会带来更小、更高效的未来防克隆设备。
量子基地公司（QuantumBase）共同创始人菲尔·斯皮德说：“量子ID（Q-ID）显著加深了好人与坏人间的安全沟壑：这确实是身份认证和授权的巨变。兰开斯特与量子基地创造了目前可能的最小、最安全、最便宜的设备。我们期待与潜在的市场和客户交流以把这个新的、前沿的、伟大的英国技术引入大众市场的应用。”
①EPSRC：Engineering and Physical Sciences Research Council英国工程及物理科学研究委员会。
②NOWNANO：NOWNANO为基础，提供了一个广阔的跨学科博士生培训中心在曼彻斯特和兰开斯特大学在所有纳米世界领先的专业知识。博士生将收到的初步培训，将展示他们的广度和纳米科学的潜力，才集中掌握的一个特定区域的主题。整个研究训练的队列将会见并讨论他们的研究，建设一批优秀的科学家，这将有助于导致在未来的世界，在纳米科学的研究。
译者：lwl
一校：橘子
原文链接：
http://phys.org/news/2015-11-forge-proof-id-revolutionise.html
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(??ˇ?ˇ?）
【JiaRuofei的回答(8票)】:
看了各个大牛的回答，也来蹭一蹭。
本人是国内著名的搞纳米材料的实验室的一名硕士生，从事的课题也长期和纳米材料有关。
题主题中说的一些被商业上广泛应用到的纳米技术，在我看来绝大部分都是骗人的，还记得我小时候刚说纳米这个词的时候，商家推出了一个衣服，说是纳米材料的，不沾水，水渗不进去。现在想想，加一个疏水的涂层不久完事了。
回到题目中来，材料分几大类，金属，无机非，高分子等等。我做的是金属，所以只说金属。
传统的工程用金属材料，和现在的纳米技术结合起来的应用不多。典型的金属所的卢柯老师的表面纳米化技术，已经可以显著的提高金属材料的力学性能了。但是这个和大众的关系不大，所以估计没多少人知道。
半导体领域的金属材料，明显要发展的快很多。以王中林大神为代表的一帮人，已经可以很成熟的使用氧化锌，氮化镓等纳米尺度的材料制作一些小型的设备了。 另外，半导体领域的电子封装测试技术的尺度也越来越小，据说已经是20几纳米了吧。这就要求相应的微焊接，微组装，电学，力学等性能都往纳米尺度发展。
小结一下，任何的新事物都是从科研走上应用的。从尺度给这个世界分类：肉眼可见是宏观，往下显微镜可见是各种微观（也有一说中间有介观），目前大部分和实际有关的应用都集中在这个尺度，微米材料，纳米材料等等，再往下就是量子尺度（就是本科物理里面学的那些各种大神所在的领域），量子尺度的应用还是比较少的。
我大胆的预测，要不了多少年，在一些高新技术产业，就可以广泛的见到纳米材料的身影，然后继续发展，就可以看到纳米材料走进寻常百姓家。
【郏纪夫的回答(4票)】:
我的大学纳米材料很好，出过足球烯诺奖得主。我是材料系的。应用前景这些话，很多都是商业上为了推广瞎说。因为纳米材料（拿石墨烯来说吧）成本太高太难制造，大部分是工厂式实验室制的。
石墨烯，就拿它来说，单层碳六边形蜂窝状结构，以前由于显微镜太低级无法考证，这种物质被认为不存在。现在可以制取单层或多层石墨烯，用途很广。用于原电池（是很好的导体），用于光学仪器（由于它薄和特别具有韧性的物理性质），用于做纳米电极（研究用）。
原文地址:知乎