如何打開神奇的納米世界

20世紀(jì)80年代，人類通過掃描隧道顯微鏡，第一次發(fā)現(xiàn)納米世界。短短幾十年，納米世界獨有的神奇特性，已經(jīng)催生出大量前沿科技，悄然改變了我們的生活。納米科技是在原子、分子尺度上，研究物質(zhì)的特性和相互作用，進行知識和技術(shù)創(chuàng)新，并對物質(zhì)進行精確加工和原子制造的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)和信息技術(shù)、生物技術(shù)一起，正在成為21世紀(jì)科技領(lǐng)域，推動經(jīng)濟和社會發(fā)展最重要的三駕馬車。

納米有何神奇之處

什么是納米？納米本身只是一個尺度的單位，就是10的負(fù)9次方米，相當(dāng)于10億分之一米。納米技術(shù)真正進入科學(xué)界的視野，或者說被科學(xué)界高度重視，開始于1981年掃描隧道顯微鏡被發(fā)明以后。

可能迄今為止，還沒有任何一個學(xué)科像納米技術(shù)這樣，引起了全世界如此高度的關(guān)注。大概全世界有60多個國家專門成立了國家層面的納米研究計劃，我們國家也不例外。中國納米技術(shù)、納米科技的研究大概起源于20世紀(jì)80年代后期。我們在納米尺度下所看到的事情，跟在宏觀世界理解的東西完全不同。在納米這個尺度下，這些功能來自它的一些特殊的效應(yīng)，比如1克的顆粒直徑為5個納米的氧化鋁，它的比表面積有多大？相當(dāng)于一個籃球場這么大。比表面積是什么？小小的1克氧化鋁怎么會有這么大的比表面積？簡單說來，比表面積可以這樣理解：無論什么物質(zhì)，它都是由大量的微粒組成的，所有這些微粒的表面積加起來就是這種物質(zhì)的比表面積。顯然，1克氧化鋁的比表面積肯定要比它的表面積大很多，完全展開之后，有一個籃球場那么大也就容易理解了。同樣是1克氧化鋁，如果組成它的微粒尺寸不同，那比表面積就會不一樣，最終會導(dǎo)致出現(xiàn)不同的特性。

納米科技如何顛覆材料研發(fā)

納米科技問世不久，曾經(jīng)風(fēng)靡一時。那時人們最早接觸到的，可能就是形形色色的“納米材料”了。一些不良商家打著納米科技的招牌夸夸其談，推出了諸多類似“納米內(nèi)褲”“納米鞋墊”之類令人哭笑不得的所謂高科技產(chǎn)品，宣稱具有各種神奇的效果，許多不明所以的消費者上當(dāng)受騙之后，甚至誤認(rèn)為納米科技就是個騙局。其實，真正的納米材料確實具備許多神奇的特性和功能，它們是使用納米技術(shù)，在納米級別上，對某些材料從微觀結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計的改造，從而脫胎換骨，獲得新生。這些需要科學(xué)家們堅持不懈地反復(fù)試驗，經(jīng)過漫長而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)之路，最終才可能走向市場，進入生活。

以納米醫(yī)藥技術(shù)為例。現(xiàn)在的藥物叫作分子藥物，到目前為止，人類所有的診斷和治療都是建立在這些分子和分子之間的反應(yīng)基礎(chǔ)上的。納米藥物則是單一分子聚集到一起形成了顆粒，所以納米藥物也可以叫作顆粒藥物。這個顆粒，因為有一個表面，就可以在表面裝上很多不同的藥物在里面，然后通過控制它的釋放，可以一層一層地往外放。納米藥物，我們有時也叫它智能藥物。它更適合于復(fù)雜的疾病，像腫瘤、心腦血管疾病的治療。

另外還有化妝品。現(xiàn)在化妝品里面用的材料幾乎100%都是納米材料。20世紀(jì)80年代在國外的時候，只要有一個女性從走廊的那一頭走過來，你就能看出她是不是化了妝，因為那時妝上得很濃。但是現(xiàn)在大家化了妝以后，一般看不出來了，原因是化妝品所使用的是納米材料，很細，用量比原來少了很多?，F(xiàn)在的化妝品，盡管它不叫納米化妝品，但是實際上使用的都是納米材料。

再有就是智慧城市。無傳感就無智能，智能技術(shù)最大的一個核心的部件就是傳感器。傳感器里面有兩個核心的東西：一個是微納器件，一個是敏感材料。傳感器表面的敏感材料大部分都屬于納米材料。獲取周圍的溫度信息、物體的位置信息、壓力信息、時間信息，以及空氣中間的有毒氣體等，都是靠敏感材料。承載這些敏感材料的器件，都是通過微納加工技術(shù)加工出來的，這是靠納米技術(shù)發(fā)展起來的一些加工技術(shù)。

在能源方面，太陽光加納米催化劑，把水分解成氫和氧，這個技術(shù)最近幾年發(fā)展很快。在納米催化劑出來之前，原來分解效率大概只有1%，通過納米催化劑的使用，分解效率已經(jīng)達到了百分之十幾，這有可能引起整個能源領(lǐng)域的變革。在能源環(huán)保方面，比如現(xiàn)在的新能源電池技術(shù)，現(xiàn)在性能最好的電極或隔膜都是納米材料。

納米催化，中國應(yīng)該是世界上做得最好的。通過納米催化劑的設(shè)計，可以在一些反應(yīng)里面，達到?jīng)]有副產(chǎn)物，沒有副產(chǎn)物就意味著沒有廢水向環(huán)境里排。如果采用納米催化，能夠100%達到單一的產(chǎn)物，那將來化工廠在哪兒都可以建，不需要跑到荒郊野外、人跡罕至的地方去建。所以這些技術(shù)的發(fā)展，會給我們的生活、產(chǎn)業(yè)帶來變革。

納米磁性材料，它的一個很大應(yīng)用就是儲存介質(zhì)。20世紀(jì)90年代，3.5英寸的磁盤出現(xiàn)。它的存儲量大概是1.44兆字節(jié)。現(xiàn)在，我們很多人在鑰匙鏈上都掛著小小的一個U盤，它的存儲量差不多增加了1億倍。這個技術(shù)進步就是納米材料巨磁阻效應(yīng)所帶來的變化。

納米材料在航天航空里面也有應(yīng)用。航天航空最大的一個問題就是減重，納米材料的強度和重量，恰恰能滿足這個要求。還有納米加工技術(shù)。我們現(xiàn)在的計算機、手機做得越來越小、越來越薄，就是隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)的。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面也有大量應(yīng)用。除了中國農(nóng)科院在研究納米農(nóng)藥、納米肥料以外，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)里面的應(yīng)用比我們想象得還要更尖端，跟我們傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)完全是兩回事情，是把包括納米技術(shù)在內(nèi)的不同的技術(shù)，如微納傳感、信息處理技術(shù)及大數(shù)據(jù)的算法技術(shù)等全部融合到了一起。

還有納米技術(shù)和超材料。超材料完全是人工設(shè)計的一種可以超越自然界一些功能的新材料。我們可以設(shè)計一個結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)是納米尺度的，然后把這個結(jié)構(gòu)組裝成一定的陣列。這個時候會發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生了一些新的功能，這些功能是我們原來沒有預(yù)計的，或者說以原有的知識、原有的理論、原有的東西所外推出去是沒法預(yù)測的那么一類材料。這一類材料也是納米技術(shù)發(fā)展的過程中逐漸出現(xiàn)的。

誰掌握了材料，誰就掌握了世界

材料實際上是我們很多技術(shù)的源頭，很多技術(shù)如果你往前溯源，溯源到最后，其實就是材料上的變革。有人問我：納米技術(shù)是不是無所不能？我說：不是，但是納米技術(shù)無處不在，它幾乎是一個覆蓋全學(xué)科的領(lǐng)域。目前，納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正越來越受到世界各國的重視。我們團隊在2001年就創(chuàng)建了中國乃至世界第一個“納米生物效應(yīng)與安全性”實驗室，專門研究納米尺度顆粒和納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)對生命的影響，實現(xiàn)了納米毒理學(xué)領(lǐng)域在中國的起步、形成和發(fā)展，使中國在相關(guān)領(lǐng)域成為最具影響力的國家之一。

納米技術(shù)在生物健康領(lǐng)域也起到了巨大作用。在抗擊新冠肺炎疫情方面，上文提到的磁性納米顆粒，它可以吸附和病毒相關(guān)的一些蛋白，包括抗體，這樣可以用它來做很多檢測。還有就是通過納米顆粒去改造一些藥物，提高藥物的穩(wěn)定性。把納米顆粒作為治療藥物的載體，讓它去輸送藥物，定點地輸運到某一個部位，比如說輸運到肺、輸運到肝。這種定點的輸運，通常叫作靶向性，這也是納米技術(shù)在新冠肺炎研究中很重要的應(yīng)用。

靜電紡絲技術(shù)也是伴隨納米技術(shù)發(fā)展起來的。這個技術(shù)的過濾性和孔徑率，都可以很容易調(diào)節(jié)。新冠病毒大概是120多個納米大小，我們可以精確地調(diào)控納米織物孔徑的大小，把病毒擋在外面，這個技術(shù)可以用于生產(chǎn)口罩、防護服。

針對腫瘤的治療和診斷，一直是納米技術(shù)里面最為活躍的領(lǐng)域之一。把納米技術(shù)和生物技術(shù)結(jié)合起來，這可能是人類發(fā)生技術(shù)變革的一個非常重要的突破口。

納米技術(shù)的發(fā)展，給人類開辟了很多新的領(lǐng)域，也催生了很多新的技術(shù)，這些技術(shù)正在不斷地悄聲無息地影響著我們的生活。希望有更多的人能夠加入納米技術(shù)這個行業(yè)里面來，尤其有更多的企業(yè)家和金融機構(gòu)能夠加入納米科技領(lǐng)域，讓我們把這個前沿科技，變成中國科技創(chuàng)新的強大力量。

（文章轉(zhuǎn)載自《學(xué)習(xí)時報》2022-06-22 A6版。責(zé)編：楊思玄）

專家簡介

趙宇亮，中國科學(xué)院院士，國家納米科學(xué)中心主任，中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室主任，科技部納米重大研究計劃總體專家組副組長。多次擔(dān)任國家“973計劃”項目首席科學(xué)家，中國科學(xué)院先導(dǎo)專項首席科學(xué)家。他的開創(chuàng)性工作揭示了納米結(jié)構(gòu)與效應(yīng)之間的關(guān)系，被國際上譽為“引領(lǐng)科學(xué)家”。他曾先后兩次獲國家自然科學(xué)獎二等獎（2012年、2018年），并獲得中國科學(xué)院杰出科技成就獎（2019年）、發(fā)展中國家科學(xué)院（TWAS）化學(xué)獎、中國毒理學(xué)杰出貢獻獎、全國優(yōu)秀科技工作者等榮譽。