納米技術(shù)走進(jìn)生活

成昀

1959年12月，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼發(fā)表了名為“底部充足的空間”的演講，他的主題是“在微小等級操縱和控制事物的問題”。在這次演講中，費(fèi)曼不滿足于在針頭上刻字母的技術(shù)（這在當(dāng)時已經(jīng)是非常前沿的技術(shù)了），他問：“我們?yōu)槭裁床荒馨颜镜陌倏迫珪鴮懺卺橆^上？”

他給出了解決這個問題的答案：我們并不是盡量將字母變小去刻字，而是操縱針頭的原子本身去形成字母，納米技術(shù)被正式提出。1990年，首次出現(xiàn)了操縱原子“寫出”的字母，一共用了35個原子的英文字母“IBM”，實現(xiàn)了費(fèi)曼的設(shè)想。

納米技術(shù)的設(shè)想出現(xiàn)以來，一直被定義為“明天的世界”，已經(jīng)有上百部科幻小說描述過它。但其實，納米技術(shù)的工業(yè)革命已經(jīng)悄悄興起，在一些領(lǐng)域已經(jīng)開始大顯身手了。那么，納米技術(shù)究竟有何不同，它將如何改變我們的世界？

什么是納米技術(shù)？

納米是長度單位，但是這個單位非常的小，只有一米的十億分之一。我們很難感受到1納米到底有多小，想象一下，一根頭發(fā)是75000納米，一條DNA雙鏈差不多是2納米寬。

所謂納米技術(shù)，就是在可控制的條件下，改變原子的連接結(jié)構(gòu)以創(chuàng)造一種新的分子。納米技術(shù)生產(chǎn)不同種類的納米級材料（由納米粒子組成），納米粒子結(jié)構(gòu)尺寸在1～100納米之間。

20世紀(jì)初人們已開始用蒸發(fā)法制備金屬及其氧化物的納米粒子。20世紀(jì)中期人們探索機(jī)械粉碎法使物質(zhì)粒子細(xì)化，現(xiàn)在制備納米粒子的方法主要分為化學(xué)方法和物理方法兩大類。

物理方法一般是“自上而下”的，即通過物理的方法將比較大的物質(zhì)破壞成納米級，再將這些納米級的小單元轉(zhuǎn)化成適宜的納米粒子。物理法分為粉碎法和構(gòu)筑法，其中，粉碎法主要是采用研磨、壓碎等方式；構(gòu)筑法包括氣體蒸發(fā)法，混合等離子體法等。

化學(xué)法主要是“自下而上”的方法，即通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)（包括液相、氣相和固相反應(yīng)），從分子、原子出發(fā)制備納米顆粒物質(zhì)?；瘜W(xué)合成法包括氣相反應(yīng)法和液相反應(yīng)法，其中比較常用的方法有：溶膠凝膠法、氧化還原法、氣相分解法、氣相合成法等。

納米粒子不同凡響的特性

宏觀技術(shù)將大的物質(zhì)塊以相對粗糙和近似的模式排列以建造微芯片、運(yùn)動汽車、橡木餐桌和摩天大樓。而納米技術(shù)則能夠操縱單個原子，使人類技術(shù)提升到新的層面。

納米粒子最重要的不是它的尺寸特別小，而是在納米級下，物質(zhì)的性質(zhì)會有很大的不同。因為我們面對的是單個的原子或分子而不是成團(tuán)的物質(zhì)，在這里，量子效應(yīng)成了最重要的影響因素。對于宏觀物質(zhì)來說，不管形狀、大小如何，物質(zhì)的性質(zhì)不會改變，但是對于納米級物質(zhì)來說，面積體積比、相對尺寸改變，物質(zhì)的性質(zhì)也會改變。

舉個例子，納米粒子通常會有意想不到的光學(xué)性質(zhì)，因為納米粒子可以限制它們的電子并產(chǎn)生量子效應(yīng)，比如黃金的納米粒子在溶液中就會呈現(xiàn)紫紅色。納米粒子可以形成懸浮液，這是因為顆粒表面與溶劑的相互作用強(qiáng)到足以克服密度差異；如果是非納米材料，這種相互作用通常會導(dǎo)致材料下沉或漂在液體中。納米粒子中不均勻的電子分布會導(dǎo)致磁性，磁性納米粒子引起了不同學(xué)科研究人員的興趣。納米粒子獨(dú)特的機(jī)械性也在許多重要領(lǐng)域得到了應(yīng)用，這些機(jī)械性能包括彈性模量、硬度、應(yīng)力和應(yīng)變、粘附力和摩擦力等。

通過在分子水平上改變事物的大小和形狀，科學(xué)家們能夠依據(jù)特定目的來定制納米粒子的性質(zhì)。例如，“納米線”的直徑僅為1納米，因此限制了電子在其寬度上的流動，納米線的電導(dǎo)率可以被精確地控制。“量子點(diǎn)”的厚度為1原子，直徑為50原子，直徑的大小可做調(diào)整控制。因為它的物理形狀，量子點(diǎn)可將紫外線轉(zhuǎn)化成特定頻率的可見光，并且發(fā)出光的頻率會隨著量子點(diǎn)的尺寸改變而變化。納米管是由一層1原子厚的碳卷成的一個圓柱體。不同的角度卷圓管，達(dá)到不同的直徑，可以改變其機(jī)械、電氣、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。在目前發(fā)現(xiàn)的所有材料中，這種結(jié)構(gòu)意味著這些管材具有最高的抗拉強(qiáng)度，比鋼材強(qiáng)了100多倍。

納米技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入日常生活

現(xiàn)在人類已經(jīng)進(jìn)入一個人人都使用、需要納米技術(shù)的時代。許多早期科幻小說中所描述的納米技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)，只不過是以我們不易察覺的方式，比如它是智能手機(jī)或者其他各種設(shè)備的組件材料，但是我們并不知道這些是建立在納米技術(shù)上的。納米技術(shù)已經(jīng)悄然滲透到了我們生活的各個方面，成為我們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠帧?/p>

如今，從防曬霜、衣服、汽車、太陽鏡到電腦和顯示屏，納米技術(shù)的應(yīng)用無處不在，哪怕是在最日常的生活中。比如，防曬霜通常含有二氧化鈦（TiO2）和氧化鋅（ZnO）的納米顆粒，兩者都是高度紫外線吸收劑。有些衣服中也添加二氧化鈦和氧化鋅來抵御紫外線，同時在衣服中添加二氧化硅納米粒子用于防水，銀納米粒子用于抗菌。2016年，中國研究者還利用相同的原理制成了一種布，這種布并不是阻斷紫外線，而是吸收紫外線并將它轉(zhuǎn)化為電能。同樣地，加州大學(xué)的研究者發(fā)明了一種隱形的布，這種布使用黃金納米粒子來使物體周圍的光重新分布，達(dá)到隱形的效果。

隨著我們對納米工程更加深入了解，納米技術(shù)將對我們生產(chǎn)的東西有更多的影響。例如，我們正在拓寬納米管的應(yīng)用。納米管和量子點(diǎn)一樣，目前科學(xué)家正在深入探索它在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，不僅僅是在診斷和藥物輸送方面，而且還因為它們可以用作“納米海綿”。納米管在人體內(nèi)會被很快地自然排出，因此，當(dāng)用作納米海綿時，它會附著血液中的毒素，將毒素帶出體外。

類似地，研究人員也在探索納米管清理溢油和凈化水，納米管與污染物結(jié)合，然后使用專門針對其納米結(jié)構(gòu)定制的過濾器進(jìn)行去除。納米技術(shù)未來的發(fā)展趨勢將會包括：納米機(jī)器人、納米傳感器、癌癥研究、遺傳療法和醫(yī)學(xué)、疏水材料、食品和農(nóng)業(yè)等。

納米技術(shù)的風(fēng)險

納米技術(shù)在我們的生活中有著廣泛的應(yīng)用，因此關(guān)于納米技術(shù)的風(fēng)險更加引起了我們的重視。問題之一是納米粒子是否有毒，早期的一些研究已經(jīng)證實了同一材料的納米粒子比起更大的粒子確實存在一定的毒性——小鼠的某些器官受到納米粒子的嚴(yán)重影響，某些水生生物接觸到納米粒子后，其后代驟減。如果納米粒子對其他的動物有影響，那么它對人體也很可能有相似的影響。納米粒子可以通過呼吸、攝入、皮膚吸收和藥物注射的方式進(jìn)入人體，一旦它們進(jìn)入人體，它們就可以在人體內(nèi)自由的轉(zhuǎn)移，血腦屏障對一些納米粒子來說，根本不是屏障。

納米技術(shù)理論涉及一種稱為自組裝的過程，在這種過程中，分子被刺激，從而自發(fā)地形成某種結(jié)構(gòu)，而不是通過強(qiáng)加力、堆疊、粘合使分子結(jié)合。這使我們不得不考慮如果自組裝過程變得不可控制了，該怎么辦？如果一個特定的碳結(jié)構(gòu)繼續(xù)無限地進(jìn)行自組裝，將所有可用的碳（包括你）轉(zhuǎn)換成沒有用且統(tǒng)一的物質(zhì)塊怎么辦？

當(dāng)然，對于以上的兩點(diǎn)問題，我們目前并不需要太過擔(dān)心。因為很大程度上，納米技術(shù)是在人為可控制的情況下，重新生產(chǎn)自然界已經(jīng)存在的一些元素。隨著對納米技術(shù)的深入研究，我們越了解這個系統(tǒng)，就越能學(xué)會更加安全地做事情，那些我們認(rèn)為最危險的納米粒子在未來可能變成最普通的納米粒子。