以納米丈量未來

張　欣

50年前，美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾憧憬說：試想有一天，人們可以按自己的意志來安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇妙景象?

這番話是對納米時(shí)代和納米科技的最早預(yù)言。

納米，作為今天人們談?wù)撟疃嗟目茖W(xué)新名詞之一，其實(shí)在自然界就能找到有趣的例子。蓮花“出淤泥而不染”，其原因就是因?yàn)樗谋砻媸且环N“納米”結(jié)構(gòu)。

“蓮花表面納米尺度的細(xì)致結(jié)構(gòu)，使得尺寸遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水，與葉面的實(shí)際接觸面積非常小，雨點(diǎn)在自身表面張力作用下形成球狀，在滾動(dòng)中吸附灰塵并滾出葉面，這就是蓮花能自潔葉面的奧妙所在。”中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)校長侯建國解釋道。

納米科技當(dāng)前正處于快速成長期。從1997年到2005年，各國政府對納米技術(shù)研究和開發(fā)的投入飆升了10倍左右，同期工業(yè)投入在2005年更是超過了政府投入。我國的納米技術(shù)研究近年來已取得進(jìn)步，例如大面積定向碳管陣列、準(zhǔn)一維納米絲和納米電纜、超延展性納米金屬銅等先進(jìn)納米材料的制備，以納米材料應(yīng)用為主的納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)正在興起。

“納米時(shí)代”離我們還有多遠(yuǎn)?

我們還處在“微米時(shí)代”

“狹義上的納米是一種長度測量單位，即十億分之一米。”侯建國接受《瞭望東方周刊》采訪時(shí)說，而廣義上，納米代表了物質(zhì)材料或其結(jié)構(gòu)單元在納米尺度下，也即約1個(gè)原子到100個(gè)分子大小的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出來的不同于宏觀體材料的特殊性質(zhì)和相關(guān)應(yīng)用。

在這個(gè)尺度下，包括量子效應(yīng)、低維帶來的尺寸效應(yīng)等特殊物理機(jī)制，開始對物質(zhì)和材料的特性起決定作用。

最近20多年，隨著各種材料制造工藝和分析手段的進(jìn)步，人們對于納米世界的認(rèn)識(shí)和探索獲得了突破，特別是以掃描隧道顯微鏡為代表的高分辨率局域探針技術(shù)已經(jīng)可以觀測甚至改變原子的位置排列、分子的化學(xué)成鍵等重要信息(例如用金屬原子建筑成納米圍欄并觀察到被約束在其中的量子波紋)。費(fèi)曼當(dāng)年的設(shè)想正在一步步被實(shí)現(xiàn)。

模擬蓮花自清潔特性的機(jī)理，人類已經(jīng)制作出了“納米自潔領(lǐng)帶”以及各類紡織材料，這些材料具有防水、防油、殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。

“‘鳥巢頂棚所用的特殊納米防護(hù)涂層可經(jīng)受700攝氏度高溫。”侯建國告訴記者，這樣能避免煙花燃放時(shí)對頂棚膜可能的損壞。

雖然納米技術(shù)已經(jīng)初步走入中國人的日常生活，但侯建國認(rèn)為，我國乃至世界的科技產(chǎn)業(yè)主體目前還是處于“微米時(shí)代”，還需要更加深入和大量的研究工作以發(fā)展和完善納米科技。

納米革命

“納米技術(shù)給普通人的感覺似乎只是無限微縮的部件，”侯建國說，“但實(shí)質(zhì)上，納米是一種新的思考方式，它的革命性在于其綜合學(xué)科性，即在很大程度上依賴于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生命科學(xué)和機(jī)械學(xué)上的成就進(jìn)步以及這些學(xué)科之間的互動(dòng)?！?/p>

相應(yīng)地，以納米科技的研究成果為依托，在未來幾十年內(nèi)將持續(xù)產(chǎn)生新技術(shù)和推動(dòng)新產(chǎn)業(yè)。

納米科技在未來的醫(yī)療科學(xué)中將發(fā)揮前所未有的作用。幾十年后，人體內(nèi)納米級(jí)的醫(yī)療機(jī)械組件將問世，僅有1微米左右大小的“納米機(jī)器人”由多個(gè)納米級(jí)尺度的功能組件構(gòu)成。“他們被醫(yī)生操控在人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，采集人體圖像及其他重要數(shù)據(jù)，以確診使用傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)無法診斷的疾病。”侯建國說，納米機(jī)器人甚至還可以對患病部位進(jìn)行直接治療而不必開刀，例如傳送醫(yī)藥給腫瘤細(xì)胞、清除血管間油脂以疏通管壁等。

環(huán)?？稍偕履茉匆彩羌{米科學(xué)的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前利用納米半導(dǎo)體材料如TiO2、ZnO、SO2等作為太陽能電池光電極的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，其中納米TiO2材料由于具有光穩(wěn)定、無毒性等優(yōu)點(diǎn)，尤其受到關(guān)注；也可利用一些特殊分子或納米結(jié)構(gòu)在光照下的變化，直接把光能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者化學(xué)能而利用?！皩?shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光能驅(qū)動(dòng)的由四個(gè)C60分子構(gòu)成的納米小車，”侯建國說，在未來微型機(jī)械器件的使用中，這種轉(zhuǎn)化方式將非常有用。

英國科幻大師克拉克曾設(shè)想過連接地球和地球同步太空站之間的“太空電梯”或者說“太空升降機(jī)”，而碳納米管無疑是制造這種“太空電梯”的最合適材料?！斑@是因?yàn)樘技{米管是由碳原子網(wǎng)形成的空心圓柱，比一般的碳纖維更堅(jiān)固，其強(qiáng)度比普通鋼材料大了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，密度更低、柔韌性更好，”侯建國告訴記者，利用納米技術(shù)，還可以制備出高性能的傳感材料，譬如，利用一些納米材料列一些特殊氣體的吸收能力，可以制造出能夠測試環(huán)境大氣和人呼吸氣體中的有毒氣體的濃度的感應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)對危急病人的呼吸或工廠有毒氣體泄露的快速檢測。

把電腦卷起裝進(jìn)口袋

盡管納米科技將會(huì)是生產(chǎn)力的又一次革命，但它本身也存在潛在危險(xiǎn)，特別是對于環(huán)境和人體健康方面。“納米微粒有能力進(jìn)入人類身體而到達(dá)一般化學(xué)物質(zhì)所不能到達(dá)的位置，而且其表面積與體積比很高，反應(yīng)活性很強(qiáng)，可能導(dǎo)致直接病變。”侯建國解釋道。

國內(nèi)曾發(fā)現(xiàn)涂層材料軟聚丙烯酸酯含有的納米顆粒侵入浙江一家塑料廠的多名女工的肺部細(xì)胞，使她們患上類似塵肺病加肺結(jié)核癥狀的疾病?！拔覈鴳?yīng)該把部分研究資源投向研究和防止新型納米技術(shù)可能帶來的危害。”侯建國說，盡可能規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，才能最大程度地發(fā)揮納米技術(shù)的優(yōu)勢。

比如，當(dāng)前計(jì)算機(jī)基于傳統(tǒng)晶體硅材料的集成電路元件微型化的發(fā)展已經(jīng)越來越受到高芯片耗電量、高發(fā)熱以及納米尺度下量子現(xiàn)象干擾等問題的制約，研究和開發(fā)基于單個(gè)分子或其他納米結(jié)構(gòu)的功能納米器件是一個(gè)很好的解決辦法。

“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究者們通過‘分子手術(shù)技術(shù)，即利用掃描隧道顯微鏡探針對單個(gè)三聚氰胺單分子進(jìn)行化學(xué)鍵的‘裁剪，改造成既有整流效應(yīng)又有機(jī)械開關(guān)效應(yīng)的雙功能集成新型人造分子，”侯建國說，這些分子電子學(xué)上的成就能夠?yàn)槲磥黼娮佑?jì)算機(jī)的研制提供新的材料和思路。

納米技術(shù)還可以被廣泛應(yīng)用于各種各樣的柔性電子器件。傳統(tǒng)電子器件都是基于硅和金屬等堅(jiān)硬的材料，而未來人們生活需要的是便攜、輕巧、柔性的電子器件。有了納米科技，人們可以自下而上地構(gòu)建電子器件，使得柔性功能材料及柔性電子器件成為可能。

“2050年，我們或許可以用上柔性顯示器、柔性的電子紙、電子書，可以像看紙質(zhì)的書籍一樣看電子書籍，甚至將電視、電腦卷在口袋里帶走，并可隨時(shí)展開查閱?！焙罱▏雇f，利用納米科技還可以制備出柔性的太陽能電池，貼覆在具有曲率的太陽能電動(dòng)汽車表面，可以最大限度地利用太陽能。