走進精彩的納米世界

吳禮萍

走進精彩的納米世界

吳禮萍

從光學顯微鏡到能探知納米世界的超分辨率顯微鏡，2014年諾貝爾化學獎所表彰的科學研究突破了以往物體觀測尺寸的界限，使人類得以研究更微小的世界。如，一般病毒的尺寸在100納米左右，普通的光學顯微鏡難以進行有效的觀察，也難以進行跟蹤。用超分辨率顯微技術(shù)，可以幫助實現(xiàn)對活細胞內(nèi)病毒活動的觀察，幫助理解這些病毒相關(guān)的致病分子機制，有可能幫助我們找到克制埃博拉病毒致病的方法和藥物。它可以觀察細胞中生物大分子的相互作用，促進對相關(guān)生命過程的理解，更好地理解各類疾病的分子機制，促進各類疾病的診療技術(shù)和藥物的開發(fā)。還可以觀察特定的數(shù)個生物大分子之間的相互作用過程。這樣就為探究生命的分子機制提供了非常直觀的技術(shù)手段。

無論什么東西，一旦微縮到100納米以下就會呈現(xiàn)出全新的特性，世間萬物皆如此。納米粒子的關(guān)鍵在于其尺寸，與較大的粒子相比，它們有著奇特的化學和物理特性。納米物質(zhì)的尺寸使原子之間和它們的組分之間發(fā)生獨特的相互作用，這種相互作用有好幾種方式。就非生物納米粒子來說，不妨拿球打比方，絕大多數(shù)原子都在球內(nèi)，有限的原子在球的表面與空氣接觸。球內(nèi)的原子互相之間發(fā)生作用，而球面的原子是與其他不同原子相互作用?，F(xiàn)在把這個球縮小到分子大小。縮得越小，球面與球內(nèi)原子的比率就越高，當球體較大時，表面的原子相對而言微不足道。但是到了納米尺寸，顆粒可能會幾乎全是表面，那些原子就會對材料的總體物性產(chǎn)生重大影響。

當然，這種相互作用也存在于電子器件中，使石墨烯和量子點等材料可用于制造微型計算機。石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的一種全新的超薄材料，它只有一個原子那么厚，大約為0.35納米，把20萬個片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。因為在石墨烯中的電子能以光的速度進行移動，電子可不通過散射而進行亞微細距離移動，這種特性對于制造需要快速轉(zhuǎn)換的晶體管很重要。石墨烯晶體管比今天最小的計算機芯片還要小許多倍，用于開啟和關(guān)閉的電壓非常低，所以速度更快，耗能也更低，被視為硅晶體管的接班人。

科學家發(fā)現(xiàn)，如果癌癥已經(jīng)根深蒂固，納米粒子也一樣能夠大顯神威。研究人員對患有前列腺癌的狗進行CT掃描，確定其體內(nèi)腫瘤的大小，然后放射學家給它注射了一種含有放射性納米金粒子的紫色液體。經(jīng)臨床檢測，用納米金粒子進行治療是安全的，狗沒有發(fā)生腫脹、中毒，其腎臟和骨髓也沒有變化。用放射性粒子對付腫瘤不是什么新思想，但使用納米金粒子的主意是革新的。

納米金粒子還用于癌癥疾病的新型“嗅探器”。隨著癌細胞增長，細胞內(nèi)的基因和蛋白質(zhì)會發(fā)生變化。這個過程會釋放出可探測到的揮發(fā)性有機化合物——這就是為什么經(jīng)過訓練的狗可以“聞”出癌癥，納米粒子也能聞出來。以色列研究人員宣稱發(fā)明了一種納米金粒子傳感器，它不僅能判斷一個人是否患癌，而且能分清是肺癌、乳腺癌、前列腺癌、還是結(jié)腸癌。

近來，幾乎每個星期，科學家們都會宣布在利用納米粒子向細胞內(nèi)輸送基因、藥物或化學信使方面取得新的突破。不同形狀和化學成分的納米粒子可以根據(jù)藥劑師的選擇追蹤瞄準特定細胞并完成各種任務。研究人員利用一個由兩部分組成的聚合物將DNA分子包裝成納米粒子，一部分帶正電荷，使聚合物與DNA緊密相連。動物試驗表明，納米粒子的形狀能大大影響它實施基因治療的效果。

在生活中，人們在夏天每天使用的防曬霜含有二氧化鈦和氧化鋅納米粒子，它們具有很強的反射性，能防止有害的太陽輻射直射皮膚。

納米涂層還能使紙張防水、服飾防污以及保護地毯，甚至有效地使各種表面防塵。還有一種能證明納米具有神奇特性的產(chǎn)品納米吸收材料。這種能膨脹的玻璃材料能與極微量的炸藥分子發(fā)生反應，因此可用作機場等地方的安檢工具和停車場等地方，它可以吸收車輛的漏油，防止其在洗車時被沖進水體。它還可以涂上鐵等材料來捕獲磷酸鹽等化學品。

納米技術(shù)的發(fā)展涉及軍隊的各個方面，小到軍服、槍支、大到航天器和復雜的武器系統(tǒng)，無不用到納米技術(shù)。首先，新的納米技術(shù)可以用于現(xiàn)有的武器和技術(shù)裝備，其性能和功能將因此大大改善?？梢岳眉{米技術(shù)制造獨特的材料、新的半導體和光學儀器、能發(fā)現(xiàn)生物武器的微型傳感器、能力提高數(shù)倍的計算機……。此外，應用納米技術(shù)還能減輕儀器裝備的重量，降低能耗?！皻鋸椫浮睈鄣氯A·特勒曾這樣預言：“誰更早掌握納米技術(shù)，誰就將占據(jù)高新技術(shù)的制高點”。就破壞力來說，納米武器將大大超過核武器。特別可怕的是，納米武器能使整個地球“失去生命”，也就是說，完全消滅地球的生物圈，連細菌和病毒也無法存活。

據(jù)一些專家估計，2025～2030年，世界政治軍事形勢將由于納米機器人的出現(xiàn)而發(fā)生改變。

首先，將出現(xiàn)武器系統(tǒng)的微型化，出現(xiàn)“隱形”武器及軍隊和軍工企業(yè)的“無人化”。

其次，將暴露出其他武器不敵納米武器的事實，核武器將喪失其作為遏制手段或戰(zhàn)略優(yōu)勢的意義，納米機器人開始取代各兵種部隊的傳統(tǒng)武器。

當前，納米技術(shù)最有爭議、大概也最鮮為人知的影響是對食品供應的影響。納米粒子可以用作殺蟲劑或肥料，但有研究表明，它們有可能破壞莊稼甚至是災難性的。

例如，對大豆的研究表明，氧化鋅會在植物組織里累積。植物的根和根瘤能吸收和儲存高度濃縮的納米粒子，在施氮水平很高的情況下，植物仍無法固氮。

納米技術(shù)正在被很多領域所應用。它是研發(fā)提煉新納米材料的定向投資的產(chǎn)物。這些新發(fā)明背后是極大的安全擔憂。納米粒子小到可以很容易地被皮膚吸入和吸收。目前還不確定，但強有力的證據(jù)表明，吸入這些粒子可能引發(fā)肺癌或肺病。如果碳納米管具有像石棉一樣的特性，那么我們不知道未來20年里它會對健康產(chǎn)生怎樣的影響。20年，是從接觸它到疾病發(fā)作所需要的時間。

中國現(xiàn)在出版的納米技術(shù)論文比其他任何國家都多。從北京到深圳，納米技術(shù)工廠如雨后春筍。這些工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品包括吸收廢氣的路面和有納米涂層能監(jiān)視人體健康情況的服裝。2009年，南京就曾展示了一個有兩只胳膊、可以改變遺傳密碼的納米機器人。它能幫助創(chuàng)造新的DNA結(jié)構(gòu)，也可以變成為新材料組裝基礎材料的工廠。

特別值得關(guān)注的是廈門材料研究院的建設。它是國家級研發(fā)機構(gòu)，從事新材料領域的科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)建了材料通用性能、材料環(huán)境適應性和材料安全評估等四個技術(shù)平臺。涵蓋新型金屬、新型功能、生物交叉、電子信息等相關(guān)材料的各種基礎性能及特殊性能的分析評價。有納米壓痕儀、倒置熒光顯微鏡等先進的設備。從事納米材料晶粒尺寸及微觀應變測定等。

面向未來，院部在廈門創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園建設22萬平米產(chǎn)業(yè)園區(qū)、10萬平米科研園區(qū)、12萬平米住宅區(qū)，按照“產(chǎn)業(yè)引領、創(chuàng)新超越”的發(fā)展思路，實現(xiàn)生活、創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)一體化綜合發(fā)展，讓在廈門創(chuàng)業(yè)的每一個人都能夠感受到“成就事業(yè)、享受生活”的快樂，為建設祖國的大廈之門，為這個事業(yè)和生活琴瑟和鳴、相得益彰的城市貢獻力量。