納米從軍微微秀

王君學(xué)

納米是長度單位，1納米是1米的十億分之一（相當(dāng)于一根頭發(fā)細(xì)絲的十萬分之一左右），只能用專門的高倍電子顯微鏡和隧道顯微鏡才能看到。所謂“納米技術(shù)”是在納米級尺度上通過操縱原子、分子或原子團(tuán)和分子團(tuán)使其重新排列組合，形成新的物質(zhì)，制造出具有新功能的微器件。納米技術(shù)是伴隨微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展而興起的一門在微觀環(huán)境下工作的高新技術(shù)，它將與信息技術(shù)、生物技術(shù)“三足鼎立”互融交匯，使人類認(rèn)識和改造自然的能力延伸到分子和原子量級，也使得納米材料及其技術(shù)成為目前科學(xué)研究及軍事應(yīng)用等的熱點(diǎn)之一，被認(rèn)為是新世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。

涌動全球的“納米潮”

20世紀(jì)末，自美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用35個(gè)氙原子排出“IBM”后，納米科研成果捷報(bào)頻傳。美國科學(xué)家向中央情報(bào)局展示了他們研制成功的微型發(fā)動機(jī)，小到令人難以置信的程度，1000臺發(fā)動機(jī)平擺只有5平方厘米大小。德國已制造出一架只有黃蜂大小的直升機(jī)，其發(fā)動機(jī)只有削尖了的鉛筆尖大，但轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘10萬次。納米微電子技術(shù)已成功研制出單個(gè)電子晶體管，只需控制單個(gè)電子的運(yùn)動狀態(tài)就可以達(dá)到特定的功效?！傲孔有酒笨赏黄苽鹘y(tǒng)硅芯片“物理極限”的制約，性能更好更強(qiáng)的新一代超高速芯片將為信息時(shí)代提供支撐。目前，科學(xué)家已經(jīng)用碳納米管研制出了內(nèi)孔徑只有頭發(fā)絲百億分之一的個(gè)性十足的神奇試管。在軍事領(lǐng)域，碳納米管已成為有效解決高超聲速武器散熱難題的一項(xiàng)核心技術(shù)……

涌動全球的“納米潮”，驅(qū)使各科技大國制定發(fā)展納米計(jì)劃，競逐前沿技術(shù)浪潮，以搶占納米高科技的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。早在2000年1月，美國前總統(tǒng)克林頓發(fā)表《國家納米技術(shù)倡儀》，并把納米技術(shù)列為國家高技術(shù)戰(zhàn)略，宣布成立國家納米研究機(jī)構(gòu)，認(rèn)為這一技術(shù)“將領(lǐng)導(dǎo)下一次產(chǎn)業(yè)革命”。美國由國防部、能源部、航空航天局、商務(wù)部以及國立衛(wèi)生研究所等部門參與研究開發(fā)相關(guān)納米技術(shù)，此舉“要使納米技術(shù)成為美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一個(gè)助推器，并以此領(lǐng)導(dǎo)下一次工業(yè)革命”。近年來，美國開發(fā)納米技術(shù)的經(jīng)費(fèi)中有近半用于國防部的相關(guān)研發(fā)。日本政府以20年為長遠(yuǎn)目標(biāo)，擬定了納米技術(shù)戰(zhàn)略，并將其列為四大基礎(chǔ)科技項(xiàng)目之一，確定發(fā)展方向、重點(diǎn)課題、研究開發(fā)體制及相關(guān)措施。歐洲有關(guān)納米技術(shù)的軍事研究計(jì)劃已在法國開始起步。法國投資8億法郎建立擁有3500名研究人員的納米技術(shù)發(fā)明中心。德國把納米技術(shù)作為21世紀(jì)科研創(chuàng)新的戰(zhàn)略領(lǐng)域，開啟國家級研究計(jì)劃，著手建立6個(gè)政府與企業(yè)聯(lián)合的研發(fā)中心，擬組成一個(gè)遍布全德的研究網(wǎng)，共同研究作為“21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)”的納米技術(shù)。英國早在20世紀(jì)90年初期就已先后實(shí)施了3項(xiàng)有關(guān)納米技術(shù)研究計(jì)劃，現(xiàn)有上千家公司、30多所大學(xué)、7個(gè)研究中心積極進(jìn)行納米技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)。

可以預(yù)見，在這個(gè)新興的科技領(lǐng)域，納米技術(shù)給人類帶來的變化會像產(chǎn)業(yè)革命那樣深遠(yuǎn)，是改變未來的“十大技術(shù)”之一。

神奇的納米材料

納米“小人國”里麥芒做“稻場”，毫微世界有乾坤。由于納米材料展現(xiàn)了奇特的磁、電、光及其特殊的力學(xué)屬性、敏感特性和催化性，可在0.1～100納米的尺度上研究物質(zhì)的相互作用及其規(guī)律，并利用其性能的突變等原理，制造具有特定功能的產(chǎn)品，為新材料的未來發(fā)展開辟了一個(gè)嶄新的研究和應(yīng)用天地。1959年，諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼率先提出“吞下的外科醫(yī)生”的設(shè)想，并預(yù)言醫(yī)用納米機(jī)器人有著無限的潛力，將為人們的身心健康帶來福音。如第三代醫(yī)用機(jī)器人，是在先進(jìn)的掃描隧道顯微鏡下進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的納米級超微機(jī)器人，功能強(qiáng)大，可獲取細(xì)胞和人體組織結(jié)構(gòu)的生命信息，發(fā)現(xiàn)識別病變組織，并可穿透人體內(nèi)生物屏障，快速精準(zhǔn)地疏通血脈、切掉腫瘤、清除病灶、粉碎結(jié)石、幫助凝血、清潔傷口等。

納米材料如此神奇，是由于某些材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元到了納米級后，理化性質(zhì)就會發(fā)生根本性的變化，具有常規(guī)材料所不具備的奇異或反常的理化性質(zhì)，成為新一代功能材料。如納米相銅的強(qiáng)度比普通銅高5倍，銅到納米級就不再導(dǎo)電；而絕緣的二氧化硅，處于20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電了；在室溫下的納米陶瓷材料，可以像金屬一樣任意彎曲、變形，柔韌異常，摔不碎，有的微晶陶瓷還可以做成陶瓷彈簧等；高分子塑料，加入納米材料可制成永不生銹、鋒利無比的刀具，它比金剛石還硬，削鐵如泥。納米材料制成的桌椅能因人而異，自動調(diào)整形狀和溫度；納米材料制作的汽車發(fā)動機(jī)汽缸，可提高高溫性能并且沒有磨損等。

從這一層面上講，只要控制結(jié)構(gòu)顆粒的大小，就能制造出強(qiáng)度、顏色和可塑性等都滿足用戶要求的納米級器件。因此，將納米材料應(yīng)用到武器裝備中，可提高武器裝備的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能，改進(jìn)其推進(jìn)功能（如在航天飛機(jī)和火箭的燃料中加入納米相材料，燃料效率將成倍增長），增強(qiáng)武器裝備對裝甲目標(biāo)等的穿透能力和破壞力，還能顯著提高武器裝備自身的抗毀能力和適應(yīng)能力。如給飛機(jī)表面覆蓋一層納米相材料的“可調(diào)諧”微型機(jī)械折翼，飛機(jī)可以根據(jù)感應(yīng)的氣動參量來調(diào)整翼型，使飛行更加安全。在水下，納米微型折翼也可根據(jù)感應(yīng)的水流參量，控制潛艇的航行狀況。此外，利用納米材料還可研發(fā)微型超級處理器及專用的集成微型儀器，升級換代軍事信息系統(tǒng)；研制性能獨(dú)特的納米隱形材料，使武器裝備的隱形效果更佳，以加速武器裝備小型化、信息化、隱形化及一體化進(jìn)程。

美國前總統(tǒng)克林頓曾經(jīng)發(fā)表《國家納米技術(shù)倡儀》

納米技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)得到廣泛應(yīng)用

納米技術(shù)軍事應(yīng)用嶄露頭角

納米科技在深刻影響人類社會的同時(shí)，備受軍事專家的極大關(guān)注，紛紛把目光聚焦這一“小人國”，納米科技從此將軍事領(lǐng)域帶進(jìn)了一個(gè)新奇的微觀世界。據(jù)五角大樓的武器專家預(yù)測，“微型機(jī)電系統(tǒng)”將隨著納米科技研究的深入日新月異，在軍事領(lǐng)域引發(fā)一場微型化革命，“袖珍武器”“微型軍”應(yīng)運(yùn)而生，未來戰(zhàn)爭可能由神奇的具有各種功能的納米袖珍武器稱雄戰(zhàn)場?！安灰嗑?，或許有一天當(dāng)人們一覺醒來時(shí)，納米戰(zhàn)爭已悄然而至?！?/p>

引發(fā)武器裝備的微型化革命?！把喟烁缧l(wèi)星”，始于美國20世紀(jì)90年代的納米衛(wèi)星倡議。這種衛(wèi)星大小與燕八哥體積相當(dāng)，所以稱之為“燕八哥衛(wèi)星”。由于其部件和儀器都安裝在納米芯片上，因而被譽(yù)為“芯片級衛(wèi)星”。“燕八哥衛(wèi)星”是由專用集成微型儀器構(gòu)成的機(jī)電一體化、具有特定功能的衛(wèi)星部件或分系統(tǒng)。主要采用MEMS（微型機(jī)電一體化系統(tǒng)）中的超大規(guī)模多重集成技術(shù)，不僅把機(jī)械部件像電子電路一樣集成起來，而且把傳感器、執(zhí)行器、微處理器以及其他電學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)都濃縮在一個(gè)超級袖珍的空間內(nèi)，重量不足0.5千克，且堅(jiān)固耐用、可靠性強(qiáng)。用一枚中等運(yùn)載火箭即可將數(shù)百顆“燕八哥衛(wèi)星”送入近地軌道，按不同用途組成衛(wèi)星網(wǎng)，構(gòu)成覆蓋全球的星座式布局。由于這種衛(wèi)星能大批量生產(chǎn)，且成本很低，因此可以批量部署，即使某些衛(wèi)星失效，也不至于影響整個(gè)星座的可靠性。

2019年7月，法國國防部出臺了納米衛(wèi)星武器（配備槍和激光武器）研發(fā)計(jì)劃。該計(jì)劃是響應(yīng)總統(tǒng)馬克龍宣布成立太空部隊(duì)、負(fù)責(zé)保衛(wèi)其航天等領(lǐng)域安全的一項(xiàng)舉措，主要任務(wù)是將眾多的納米衛(wèi)星武器部署到相應(yīng)的區(qū)域，以保護(hù)法國的戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)對雪城軍用通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)升級換代。國防部要求這一系統(tǒng)在2030年前投入運(yùn)行。

昆蟲平臺，主要是利用昆蟲作為載體，將微機(jī)器人電子系統(tǒng)植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)的“小蟲小咬”裝備。如“蚊子導(dǎo)彈”可利用紅外微波等方式遙控，神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部執(zhí)行任務(wù)，令敵方防不勝防?！靶↑S蜂”是一種自主性能較強(qiáng)的納米武器裝備，身手不凡，集偵察監(jiān)視、信息處理、通信導(dǎo)航及精確打擊于一體，能按照戰(zhàn)術(shù)動作飛行越障、跳躍規(guī)避、自尋的，其裝備的高爆微彈頭專門攻擊敵人的信息系統(tǒng)?！靶↑S蜂”還可以通過接口鉆進(jìn)敵人的網(wǎng)絡(luò)中，猶如悟空鉆進(jìn)鐵扇公主的肚內(nèi)，“五臟六腑”一覽而盡，可以竊取信息，破壞硬件設(shè)施，癱瘓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

據(jù)報(bào)道，微型電子機(jī)械裝置功效更加神奇，如裝有微型電子機(jī)械裝置的坦克，在遭到火力打擊時(shí)能夠通過微型機(jī)械裝置而變得“堅(jiān)固”。安裝在頭盔、衣服和武器里的微型電子機(jī)械裝置，不但能監(jiān)視和傳送士兵的生命特征（包括脈搏、呼吸、體溫、血壓等）和所處的位置，還可以監(jiān)視和傳送附近敵人的情報(bào)信息。用納米技術(shù)升級改造的直升機(jī)，由于機(jī)翼、旋翼及槳葉等技術(shù)的改進(jìn)，其重量大幅減輕，航速快航程遠(yuǎn)，載彈量增加，且耗油量少，機(jī)動性能更強(qiáng)，隱身性能不斷提升。

戰(zhàn)場更加單向透明。納米技術(shù)的微型化，勢必在軍事探測領(lǐng)域引發(fā)一場深刻的革命。外軍利用納米技術(shù)設(shè)計(jì)的“間諜草”，其內(nèi)裝有敏感的超微電子偵察儀器、照相機(jī)和感應(yīng)器，能自動定位、定向和進(jìn)行移動，繞過各種障礙物，可偵測出百米以外坦克、車輛等出動時(shí)產(chǎn)生的震動和聲音。雖形狀與小花小草一樣平常得不那么引人注目，但其敏銳的偵察探測能力卻非同尋常，讓人真假難辨，不易暴露。納米技術(shù)使未來戰(zhàn)場的單向透明度倍增，任何軍事保密措施均無能為力。如空軍在敵軍可能部署的陣地上，空投數(shù)以萬計(jì)的“間諜草”，就能神不知鬼不覺地將敵人的一舉一動盡收眼底。如蒼蠅般大小的“機(jī)器蟲”，可用飛機(jī)、火炮和相應(yīng)投射器投放，能在某地區(qū)形成高效偵察監(jiān)視網(wǎng)，一般雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)，可大大提高戰(zhàn)場信息獲取量。

“納米無人機(jī)”的大小與一只麻雀差不多，機(jī)上裝有超敏銳的感應(yīng)器，可聞出氣味，并可在夜間拍攝紅外線照片，將最新軍情傳回幾百英里外的基地或把敵軍的坐標(biāo)位置傳回導(dǎo)彈發(fā)射基地。更可怕的是研制中的“蟻兵勇士”，其體貌雖如螞蟻般平常，但技術(shù)性能好，破壞力夠大，可謂“千里長堤潰于蟻穴”?！跋伇率俊钡膭恿χ饕杀成系奈⑿吞柲茈姵靥峁?，身上嵌有微型探測傳感器，有的還帶有高爆炸藥，關(guān)鍵時(shí)刻可與敵方指揮信息系統(tǒng)和人員同歸于盡。

專家認(rèn)為，納米技術(shù)一旦與生物工程技術(shù)相結(jié)合，就能制造出比人的毛孔還要小得多的“微型軍”，它們可以植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，控制昆蟲去收集戰(zhàn)場情報(bào)，執(zhí)行投放化學(xué)制劑等特殊任務(wù)等。新型納米探測器可像現(xiàn)在攔截聲頻信號那樣識別生物系統(tǒng)，使讀取分子特征標(biāo)記和進(jìn)行DNA分析成為可能。澳大利亞的科學(xué)家研制的手持式納米傳感器，是高精度的分子生物傳感器（可測出在悉尼海灣里溶解一粒方糖的成份）。這種一枚硬幣見方的傳感器能在幾分鐘內(nèi)從病人的體液中確認(rèn)病因，可快速準(zhǔn)確地檢測出空氣中的病原體（炭疽熱病菌等），及時(shí)探明敵方是否使用了細(xì)菌武器，還可以用來監(jiān)測環(huán)境污染及放射性沾染等，是有效對付核生化襲擊的一種先進(jìn)裝備。

納米仿生機(jī)器人是未來納米技術(shù)在軍事方面應(yīng)用的趨勢

攻關(guān)高超聲速武器的突破口?！耙钥熘瓶臁笔乾F(xiàn)代戰(zhàn)爭的顯著特征。目前，軍事大國在提升彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等精確打擊武器精度的同時(shí)，還在不斷提高武器的飛行速度，力求超聲速、高超聲速?！逗喪戏绖?wù)周刊》認(rèn)為：“由于高超聲速武器的飛行速度極快，有些具有機(jī)動性，它們更可能破壞國際攻防技術(shù)平衡，從而使核武器與常規(guī)武器之間的界限越來越模糊?！笨梢?，高超聲速武器使未來戰(zhàn)爭更加詭譎。突破馬赫數(shù)5的“速度門檻”是高超聲速武器的標(biāo)配。但隨著打擊武器飛行速度的飚升，與大氣層中空氣的摩擦力也會增加，產(chǎn)生的溫度也將越來越高，因此必須有新型的耐熱材料以抗衡高溫的燒蝕。如俄羅斯先鋒高超聲速（速度為馬赫數(shù)20）助推滑翔導(dǎo)彈，再入大氣層后，其彈體表面耐熱材料可承受近2000℃的高溫，并且還能進(jìn)行非常規(guī)的規(guī)避機(jī)動，完全可以躲開美軍現(xiàn)役反導(dǎo)系統(tǒng)的偵察及攔截。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管作為一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)項(xiàng)目，已成為在高超聲速飛行時(shí)能迅速散熱的堅(jiān)固而輕巧的最佳材料。碳納米管是由直徑為納米級的碳管組成的合成材料，比鋼更牢固并能隔熱。碳納米管的結(jié)構(gòu)酷似“挖空的足球”（1985年碳原子“足球”結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，轟動了世界）：碳原子以碳－碳共價(jià)鍵結(jié)合，形成自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，因此軸向具有很高的強(qiáng)度和韌性，堪稱具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。這種“足球”結(jié)構(gòu)是由六邊形排列的碳原子組成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層的間距為0.34納米左右。碳納米管的個(gè)性十足，主要表現(xiàn)在超越傳統(tǒng)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性等優(yōu)異的性能方面。據(jù)報(bào)道，美軍為了追趕俄羅斯等軍事大國的高超聲速武器技術(shù)，五角大樓把其列為頭等大事，集中人力物力財(cái)力，大手筆推進(jìn)高超聲速武器的研發(fā)攻關(guān)。佛羅里達(dá)州立大學(xué)高性能材料研究所的科學(xué)家正在研究將碳納米管作為高超聲速武器的制造材料。

納米武器是武器系統(tǒng)超微型化的集成

為隱身武器裝備梳妝巧扮。在信息化戰(zhàn)場上，隱身武器裝備的最大好處就是在復(fù)雜電磁環(huán)境中可防電子干擾、防雷達(dá)監(jiān)視和防衛(wèi)星跟蹤，在作戰(zhàn)中可收到殺敵于無聲、決勝于無形的奇效。所謂“隱身技術(shù)”，又稱隱形技術(shù)或低可探測技術(shù)，是通過降低武器裝備等目標(biāo)的信號特征，使其難以被發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤和攻擊的技術(shù)。當(dāng)前的隱身技術(shù)主要通過改進(jìn)武器裝備的系統(tǒng)布局、整體結(jié)構(gòu)和外形設(shè)計(jì)，采用能吸收、散射和屏蔽雷達(dá)電磁波、紅外輻射的新型材料等措施來達(dá)到隱形的目的。納米科技可用以研制超級隱形涂料、智能靈巧軍服等，能極大提高隱形兵器的隱形效果。

納米隱身涂料是飛機(jī)等隱身武器裝備的優(yōu)質(zhì)“化妝品”。據(jù)報(bào)道，美國利用納米技術(shù)研發(fā)的隱身涂料——超黑粉，不但能吸收99%電磁波，而且還具有凹透鏡的光發(fā)散性能，改變照射光束的傳播方向及空間分布，極大降低了光反射的強(qiáng)度，從而可有效對抗敵方的光電探測。毋庸置疑，納米隱身涂料為武器裝備的隱身效能向全波段、主動和被動兼容方向發(fā)展開辟了路徑。此外，納米隱身涂料還可以提高隱身武器裝備的耐老化、防腐蝕、抗輻射等效能。

據(jù)報(bào)道，目前美國正在用納米材料研制一款變色的“隱形軍服”。這款特制軍裝的顏色像變色龍一樣可隨環(huán)境的變化而變化，收到意想不到的隱形效果。其設(shè)計(jì)理念主要是在特種纖維中摻入納米微型發(fā)光粒子裝置，可感知所處環(huán)境的顏色，并隨著環(huán)境基色的不同而作出相應(yīng)的調(diào)整，直至與周圍顏色一致。值得指出的是，“隱形軍服”的外層除能自動“變色”隱身外，還裝有感應(yīng)各種武器彈藥部件的探測器，可防止彈片的攻擊。內(nèi)層嵌鑲多種超微傳感處理器，可把獲得的信息適時(shí)傳送到士兵相關(guān)裝備，還能監(jiān)控士兵的健康狀況。

納米技術(shù)還可以使武器裝備變得更“靈巧”。如納米材料制作的蒙皮堪稱智能蒙皮材料，由微觀尺寸為納米級的相控陣有源發(fā)射單元陣列組成，可以察覺感知細(xì)微的外界刺激。如將其用作飛機(jī)蒙皮，可模擬正在飛行的受到雷達(dá)照射的地面散射的雜波，從而使飛機(jī)表面的雷達(dá)特征電磁信號與地面雜波一致，隱形飛機(jī)就變成了“電子變色龍”。用納米材料制造潛艇的蒙皮，可靈敏地探測出水溫、水壓及水流等參數(shù)的細(xì)微變化，并反饋給中央處理器后及時(shí)發(fā)出控制指令；能根據(jù)水波的變化預(yù)警魚雷的來襲，引導(dǎo)潛艇及時(shí)做規(guī)避機(jī)動。用納米材料加工的軍用機(jī)器人的皮膚，其觸感比真人的皮膚還要靈敏，從而能更有效地完成軍事任務(wù)。

納米從軍微微秀，孕育著無窮的潛力，將對軍事領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。未來戰(zhàn)爭可能由數(shù)不清的具有各種功能的納米袖珍武器稱雄疆場，“小妖巧戰(zhàn)巨魔”“螞蟻啃大象”將成為軍事對弈的一大景觀。一場由納米技術(shù)引發(fā)的新一輪軍事革命即將到來?！盎B魚蟲情報(bào)信息戰(zhàn)”“微型武器點(diǎn)穴摧毀戰(zhàn)”“無影無蹤癱瘓戰(zhàn)”等新概念將刷新作戰(zhàn)理論，大小結(jié)合、以微制大、蚍蜉撼樹將成為一種全新的作戰(zhàn)理念。