纳米技术开启介观世界的神奇

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纳米技术开启介观世界的神奇

罗会仟《 中华读书报 》（ 2014年02月26日   12 版）

《纳米》，姜山、鞠思婷等著，科学普及出版社2014年3月第一版第二次印刷，46.00元

    医院里，一个脑血栓病人刚刚送来急诊科，家人无比焦急。医生说别担心，要护士打一针就好。只见护士把针头扎进病人静脉，将一股黄色液体注入，然后在旁边的电脑上点了几下鼠标。片刻之后，原本头歪脸斜的病人就恢复了正常。家属很好奇，特别想知道医生用了什么治病良药，拿来处方一看，只见上面写有“注射纳米血管清理工”几个字。

    这一幕是不是令你觉得特别熟悉？没错，科幻电影里常常有这样的桥段。我记忆犹新的是美剧《星际之门》中讲述注入到人体内部的纳米机器人几乎可以修复体内任何损伤，甚至优化人体机能。更厉害的是，纳米机器人还能自我复制构建一个完整的世界，“纳米人”可以随时侵入正常人的大脑来截取信息。那么，究竟什么是纳米技术，它真的有传说中那么厉害吗？

    科幻电影表现的神奇并非全无依据。1959年，当人们刚刚认识原子内部结构不久，著名的“贪玩”的物理学家费曼就大胆设想，如果我们宏观世界的物体用原子尺度大小的东西来模拟会如何？我们能否把大英百科全书“微雕”在一个针尖上？因为以一个针尖上的庞大原子数目而言，百科全书中一个小小句点约需要1000个原子来组成，可谓是绰绰有余。正是如此，费曼认为“底部还有大量空间”，所谓底部，就是原子尺度大小。原子有多大？一个原子的直径不过百亿分之一米，相比之下，我们看到的宏观世界都在0.1毫米（万分之一米）尺度以上。从原子到人类肉眼能够分辨的世界整整跨越了6个数量级，宏观和微观之间，的确存在巨大的空间。物理学上，把介于宏观和微观之间的尺度叫做介观尺度，定义十亿分之一米为一个纳米。纳米物理研究的对象，正是从一个纳米到一百个纳米左右大小的物体，其中大约包含了几十个到几千个原子。所谓纳米机器人，就是由这成百上千的原子组成的。不过量子力学告诉我们，当尺度到原子量级的时候，微观粒子的量子效应就会凸显，很多时候“1+1”并不是简单地等于2，它有可能等于1，也有可能等于0。因此，组装一个纳米机器人，并非就是简单地把我们宏观世界的机器微缩到介观尺度，而是一个极其复杂的物理过程。为了发展纳米科技，从费曼开始，许多物理学家做了巨大努力。

    科学普及出版社“中国科学院科学传播系列丛书”中的《纳米》一书为我们揭示了纳米科技的方方面面。该书首先介绍了纳米的概念和历史，接着介绍了研究和观测纳米世界的武器——各种原子尺度下的显微镜技术。对纳米材料、纳米器件以及如何构造这些纳米神器，书中给出了详细的描述。

    作为一个科研工作者，我第一次知道纳米的神奇还是当年到中科院物理研究所做本科毕业论文的时候。那时和我一起在物理所做论文的同学里有位就是做碳纳米管的，每次去实验室等他一起回学校的时候，他总是正盯着真空炉膛里的亮光，好像一个个小小碳纳米管马上就会从里面蹦出来似的。不过我们肉眼看碳纳米管也不过是黑乎乎的一片，看起来和石墨没多大区别。后来我才知道，碳纳米管实际上就是用一层层石墨原子卷起来构造成一个管子一样的纳米材料。可别小看这个小管子，它不仅代表着碳单质的一大类同素异形体，而且在物理学上具有独特的金属或半导体导电性能，在力学上具有极高的机械强度，在化学上具有很强的吸附能力和储氢能力，在光学上具有特异的光吸收和发射性能，在电子学上可以用来构建微小的纳米逻辑电路甚至是纳米计算机……当然，碳纳米管仅仅是纳米材料汪洋大海中的一个小代表。《纳米》一书告诉我们，纳米世界有零维的纳米点，一维的纳米线，二维的纳米带，三维的纳米颗粒等等一系列不同维度的介观原子族群。

    传说中的纳米生物机器人有吗？虽然说现实并没有科幻电影里那么神奇，但事实上人们已经开始采用纳米技术来做生物研究甚至是开展医疗了。利用高超的纳米科技，人们可以操纵单个DNA分子。利用磁性纳米颗粒、碳纳米管、高分子纳米材料等作为药物的载体，让它们聚集在病灶处，让药物发挥最大的功效，这种对“灶”下药的方式大大减低药物的用量，也降低了药物的副作用。利用纳米颗粒在某些肿瘤等处的富集，可以极大地增加肿瘤的诊断和治疗成功率。一些纳米颗粒已经可以渗入到人体血管中帮助清理血管中的“垃圾”，减少血管堵塞的机会，预防“中风”。

    纳米科技也被广泛应用到了新能源技术上。你知道吗？家里每天做饭扔掉的鸡蛋壳上有一层薄薄的蛋壳膜，一颗鸡蛋就可以提取30-40毫克的高性能碳材料，用于制造超级电池！利用碳纳米管和纳米薄膜的吸附和过滤作用，可以净化污水和汽车尾气，许多室内空气净化机就采用了纳米光触媒技术。如果将来技术成熟的话，说不定最终解决中国“十面霾伏”难题的方法之一就是纳米净化技术。

    如今，纳米技术实际上已经深入到了日常生活里，办公室里的打印机墨水、李娜的网球拍和菲尔普斯的泳衣、采用纳米银技术的冰箱、带有纳米颗粒和涂层的防水毛衣等等都是纳米技术的得意之作。尽管我们离科幻中的纳米世界还很远，但是介观世界的神奇，已经逐渐在人们面前展开。