納米粒子與我們的生活

把東西變得極小，無(wú)所謂好壞；關(guān)鍵在于，這些小東西有什么用途，使用它們是否安全。

登月電梯

納米是長(zhǎng)度單位，1納米即10億分之一米，相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長(zhǎng)度還要小。所謂納米粒子，是指至少一個(gè)維度的尺寸小于100納米的顆粒。科學(xué)家告訴我們：無(wú)論什么東西，一旦微縮到100納米以內(nèi)，就會(huì)呈現(xiàn)全新的特性，世間萬(wàn)物皆如此。最典型的是碳納米管，它是由普通石墨中的一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”；它的內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。它很輕，但很結(jié)實(shí)；它的密度只是鋼的六分之一，但強(qiáng)度卻是鋼的100倍。用這樣既輕柔又結(jié)實(shí)的材料做防彈背心，是最好不過(guò)了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量拉斷的繩索。如果更進(jìn)一步用它做成從地球直通月球的電梯，地球人登月賞景就很容易了。

大塊物質(zhì)的物理性質(zhì)通常與大小無(wú)關(guān)，但在納米尺寸上卻往往并非如此，一些和尺寸相關(guān)的物理性質(zhì)就會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)。這是為什么呢？一個(gè)普通的保齡球，它的絕大多數(shù)原子都在球內(nèi)，只有有限的原子在與空氣和木質(zhì)球道接觸的球表面上。這意味著，在球內(nèi)是相同原子互相之間發(fā)生作用，而位于球表面的原子，則是在與其他不同的原子相互作用。當(dāng)球體較大時(shí)，位于球表面的原子數(shù)量相對(duì)于球內(nèi)的原子數(shù)而言是微不足道的?，F(xiàn)在，用我們的想象把這個(gè)保齡球逐漸縮小到分子大??；縮得越小，球面與球內(nèi)原子的數(shù)量比率就越高；到了納米尺寸，構(gòu)成球的很可能幾乎都是位于表面的原子，這些原子就會(huì)對(duì)球的總體特性產(chǎn)生重大影響。

導(dǎo)電墨水

銀納米粒子的尺寸在1納米到100納米之間。由于它的光學(xué)及電磁特性與它的大小有特別的關(guān)系，銀納米粒子很早就得到了廣泛的應(yīng)用。最近，美國(guó)的研究人員用銀納米粒子制造出了導(dǎo)電墨水。他們讓銀納米粒子懸浮在纖維素溶液中，以便能夠從筆芯里流出來(lái)。用這種墨水畫出的線條就成了導(dǎo)電性能極佳而且極細(xì)的銀絲，不僅足以為利用發(fā)光二極管的顯示裝置供電，而且還能制作出更易彎曲和伸展的、跨度較大的微電極，實(shí)現(xiàn)信號(hào)從一個(gè)電路元件到另一個(gè)電路元件的傳遞。這種微電極能經(jīng)受住反復(fù)的彎曲和伸展，而自身性能卻基本不會(huì)發(fā)生改變。這種新型的導(dǎo)電墨水還能用于3D打印，實(shí)現(xiàn)用最微弱的接觸壓力將精細(xì)的銀線與精巧的裝置相連接。

對(duì)付癌癥

醫(yī)生們?cè)缇椭?，隨著癌細(xì)胞的增長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)的基因和蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。這個(gè)過(guò)程會(huì)釋放出可探測(cè)到的揮發(fā)性有機(jī)化合物。這就是為什么經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的狗可以“嗅”出人體內(nèi)惡性腫瘤的道理。事實(shí)上，納米粒子也能“聞”出癌癥來(lái)。兩年前，以色列研究人員發(fā)明了一種金納米粒子傳感器，它不僅能判斷一個(gè)人是否患了癌癥，而且能分清是肺癌、乳腺癌、前列腺癌還是結(jié)腸癌。從中受益的不僅僅是癌癥患者，因?yàn)樗€能確定住院病人是否受到了感染。

對(duì)于晚期癌癥患者，納米粒子也一樣能夠大顯神威。美國(guó)的研究人員先對(duì)患有前列腺癌的狗進(jìn)行CT掃描，確定其體內(nèi)腫瘤的位置、大??；然后，給它注射了一種含有放射性金納米粒子的紫色液體。經(jīng)臨床檢測(cè)，用金納米粒子進(jìn)行治療是安全的，狗沒有發(fā)生腫脹、中毒，其腎臟和骨髓也沒有變化。雖然，用放射性粒子對(duì)付腫瘤并不是什么新思想，但使用金納米粒子的主意卻是全新的。

功與過(guò)

幾乎每個(gè)星期，科學(xué)家都會(huì)宣布在利用納米粒子向細(xì)胞內(nèi)輸送基因、藥物或化學(xué)信使方面取得的新突破。不同形狀和化學(xué)成分的納米粒子可以根據(jù)醫(yī)生的選擇來(lái)追蹤、瞄準(zhǔn)特定細(xì)胞并完成各種任務(wù)。動(dòng)物試驗(yàn)表明，納米粒子的形狀能大大影響它實(shí)施基因治療的效果。

人們?cè)谙奶焓褂玫姆罆袼泻卸趸伜脱趸\兩種納米粒子，它們具有很強(qiáng)的反射性，能防止有害的太陽(yáng)輻射直射皮膚。除了防曬，納米涂層還能使紙張防水、使服飾防污，甚至還能使各種表面防火、防塵。

納米技術(shù)最有爭(zhēng)議、大概也最鮮為人知的，是對(duì)農(nóng)作物的影響。納米粒子可用于殺蟲劑和肥料，但有研究表明，它們也有可能給莊稼帶來(lái)災(zāi)難性的后果。例如，對(duì)大豆的研究表明，氧化鋅會(huì)在植物組織里累積，以至于植物的根和根瘤能吸收和儲(chǔ)存高度濃縮的納米粒子。造成的后果是，即使在施氮水平很高的情況下，植物仍無(wú)法固氮，而這對(duì)大豆來(lái)說(shuō)是致命的。

不是“永動(dòng)機(jī)”

納米器件具有功耗小、反應(yīng)靈敏等大尺寸器件所不具有的優(yōu)勢(shì)。在層出不窮的納米器件中，最引人注目的是具有高電壓輸出的納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)納米器件。

納米發(fā)電機(jī)可以收集各種廢棄的能量，例如，人體的活動(dòng)、肌肉的收縮、血液的流動(dòng)、聲波和超聲波等等，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能。目前，由美國(guó)科學(xué)家發(fā)明的氧化鋅納米發(fā)電機(jī)，可輸出迄今為止最高的電壓——2.4伏特。你可別小看了這不起眼的2.4伏特，它雖然不可能驅(qū)動(dòng)一座城市，但已經(jīng)足以為你的手機(jī)和其他手持電子設(shè)備充電了。

提高納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓和功率的最終目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)納米器件的自驅(qū)動(dòng)化；也就是說(shuō)，你不需要像使用家用電器那樣，專門為納米器件配備外接電源或電池；它們會(huì)自動(dòng)尋找和收集各種廢棄的能量，并將它們轉(zhuǎn)化為電能，來(lái)滿足自己的需要。曾有中學(xué)生問，能實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)化的納米器件不就是一臺(tái)小小的“永動(dòng)機(jī)”嗎？你認(rèn)為呢？聰明的你能說(shuō)說(shuō)為什么嗎？

納米機(jī)器人

在納米生物學(xué)中，對(duì)老百姓生活最具影響力的是納米機(jī)器人。已經(jīng)問世的第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療；還可用來(lái)進(jìn)行人體器官的修復(fù)及整容手術(shù)；甚至能從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行?？茖W(xué)家正在研制的第二代納米機(jī)器人，是直接用原子或分子裝配而成的具有特定功能的納米尺度的分子裝置。未來(lái)的第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以與人對(duì)話的裝置。

用不了多久，個(gè)頭只有分子大小的納米機(jī)器人將源源不斷地進(jìn)入人們的日常生活。它們將直接利用分子甚至單個(gè)原子為人類提供各種食物，制造貨真價(jià)實(shí)的鉆石，甚至筑路、建房、造艦艇；為了及時(shí)完成各種復(fù)雜的任務(wù)，它們還能復(fù)制出更多的納米機(jī)器人；要它們停止工作只需啟動(dòng)事先設(shè)定的程序。這并非天方夜譚，而是在本世紀(jì)中葉前后就可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

納米飛船

曾經(jīng)到過(guò)月球的人類，計(jì)劃在本世紀(jì)20年代登陸火星。似乎每個(gè)地球人都相信，這是有可能實(shí)現(xiàn)的。但人類如果想親自拜訪太陽(yáng)系外的任一恒星系，則幾乎是不可能的。因?yàn)殡x我們最近的一顆恒星，距離地球約4.2光年。這意味著從地球發(fā)射的一束光，需要經(jīng)過(guò)4.2年時(shí)間的長(zhǎng)途跋涉才能到達(dá)那里。如果宇宙飛船的速度不能達(dá)到光速，那么，在一個(gè)人的有生之年拜訪另一顆恒星的目標(biāo)，肯定是不可能實(shí)現(xiàn)的。以目前已經(jīng)飛離太陽(yáng)系的“旅行者”號(hào)探測(cè)器為例，它的飛行速度大約是每小時(shí)64000千米，僅相當(dāng)于光速的0.00006%。試想一下，以這樣的速度飛到那顆最近的恒星得多少年？

但是，好奇的人類不會(huì)因此而放棄對(duì)星際空間的探索。一個(gè)可行的辦法，是利用飛行速度可以達(dá)到接近光速的微型飛船。正如你所知道的，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，質(zhì)子的速度之所以能達(dá)到接近光速，一是由于質(zhì)子非常小非常輕，二是由于對(duì)它們不斷加速。根據(jù)同樣的道理，科學(xué)家正在研制利用納米粒子作為燃料的推進(jìn)器，并把它們直接雕刻在極薄的硅片上。這種擁有好幾萬(wàn)個(gè)加速器的推進(jìn)器，面積小于一張普通的郵票，可以將它“粘貼”在縫衣針大小的微型飛船上，所以人們又稱這種微型飛船為納米飛船。由于太空中沒有摩擦力，攜帶微型探測(cè)儀器的納米飛船經(jīng)過(guò)一次加速，就可以在數(shù)年的時(shí)間里持續(xù)加速，最終達(dá)到接近光速的速度，飛往其他恒星。但至少在目前，這種納米粒子推進(jìn)器在距離地球更近的地方有著更多的實(shí)際應(yīng)用。