如何打開神奇的納米世界

文 趙宇亮

20世紀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，進行知識和技術創(chuàng)新，并對物質(zhì)進行精確加工和原子制造的科學技術。納米技術和信息技術、生物技術一起，正在成為21世紀科技領域，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9次方米，相當于10億分之一米。納米技術真正進入科學界的視野，或者說被科學界高度重視，開始于1981年掃描隧道顯微鏡被發(fā)明以后。

可能迄今為止，還沒有任何一個學科像納米技術這樣，引起了全世界如此高度的關注。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、納米科技的研究大概起源于20世紀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，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受騙之后，甚至誤認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，在納米級別上，對某些材料從微觀結(jié)構上進行設計的改造，從而脫胎換骨，獲得新生。這些需要科學家們堅持不懈地反復試驗，經(jīng)過漫長而嚴謹?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)藥技術為例?，F(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基礎上的。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。它更適合于復雜的疾病，像腫瘤、心腦血管疾病的治療。

另外還有化妝品?，F(xiàn)在化妝品里面用的材料幾乎100%都是納米材料。20世紀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加工出來的，這是靠納米技術發(fā)展起來的一些加工技術。

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，現(xiàn)在性能最好的電極或隔膜都是納米材料。

納米催化，中國應該是世界上做得最好的。通過納米催化劑的設計，可以在一些反應里面，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，它的一個很大應用就是儲存介質(zhì)。20世紀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)?，F(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。這個技術進步就是納米材料巨磁阻效應所帶來的變化。

納米材料在航天航空里面也有應用。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。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的發(fā)展實現(xiàn)的。納米技術在農(nóng)業(yè)方面也有大量應用。除了中國農(nóng)科院在研究納米農(nóng)藥、納米肥料以外，納米技術在農(nóng)業(yè)里面的應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，是把包括納米技術在內(nèi)的不同的技術，如微納傳感、信息處理技術及大數(shù)據(jù)的算法技術等全部融合到了一起。

還有納米技術和超材料。超材料完全是人工設計的一種可以超越自然界一些功能的新材料。我們可以設計一個結(jié)構，這個結(jié)構是納米尺度的，然后把這個結(jié)構組裝成一定的陣列。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測的那么一類材料。這一類材料也是納米技術發(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的源頭，很多技術如果你往前溯源，溯源到最后，其實就是材料上的變革。有人問我：納米技術是不是無所不能？我說：不是，但是納米技術無處不在，它幾乎是一個覆蓋全學科的領域。目前，納米技術在生物醫(yī)藥領域的廣泛應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“納米生物效應與安全性”實驗室，專門研究納米尺度顆粒和納米結(jié)構物質(zhì)對生命的影響，實現(xiàn)了納米毒理學領域在中國的起步、形成和發(fā)展，使中國在相關領域成為最具影響力的國家之一。

納米技術在生物健康領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，這也是納米技術在新冠肺炎研究中很重要的應用。

靜電紡絲技術也是伴隨納米技術發(fā)展起來的。這個技術的過濾性和孔徑率，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，一直是納米技術里面最為活躍的領域之一。把納米技術和生物技術結(jié)合起來，這可能是人類發(fā)生技術變革的一個非常重要的突破口。

納米技術的發(fā)展，給人類開辟了很多新的領域，也催生了很多新的技術，這些技術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這個行業(yè)里面來，尤其有更多的企業(yè)家和金融機構能夠加入納米科技領域，讓我們把這個前沿科技，變成中國科技創(chuàng)新的強大力量。