以纳米丈量未来

张　欣

50年前，美国物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾憧憬说：试想有一天，人们可以按自己的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇妙景象?

这番话是对纳米时代和纳米科技的最早预言。

纳米，作为今天人们谈论最多的科学新名词之一，其实在自然界就能找到有趣的例子。莲花“出淤泥而不染”，其原因就是因为它的表面是一种“纳米”结构。

“莲花表面纳米尺度的细致结构，使得尺寸远大于这种结构的灰尘、雨水，与叶面的实际接触面积非常小，雨点在自身表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘并滚出叶面，这就是莲花能自洁叶面的奥妙所在。”中国科学院院士、中国科技大学校长侯建国解释道。

纳米科技当前正处于快速成长期。从1997年到2005年，各国政府对纳米技术研究和开发的投入飙升了10倍左右，同期工业投入在2005年更是超过了政府投入。我国的纳米技术研究近年来已取得进步，例如大面积定向碳管阵列、准一维纳米丝和纳米电缆、超延展性纳米金属铜等先进纳米材料的制备，以纳米材料应用为主的纳米技术产业正在兴起。

“纳米时代”离我们还有多远?

我们还处在“微米时代”

“狭义上的纳米是一种长度测量单位，即十亿分之一米。”侯建国接受《瞭望东方周刊》采访时说，而广义上，纳米代表了物质材料或其结构单元在纳米尺度下，也即约1个原子到100个分子大小的范围内，表现出来的不同于宏观体材料的特殊性质和相关应用。

在这个尺度下，包括量子效应、低维带来的尺寸效应等特殊物理机制，开始对物质和材料的特性起决定作用。

最近20多年，随着各种材料制造工艺和分析手段的进步，人们对于纳米世界的认识和探索获得了突破，特别是以扫描隧道显微镜为代表的高分辨率局域探针技术已经可以观测甚至改变原子的位置排列、分子的化学成键等重要信息(例如用金属原子建筑成纳米围栏并观察到被约束在其中的量子波纹)。费曼当年的设想正在一步步被实现。

模拟莲花自清洁特性的机理，人类已经制作出了“纳米自洁领带”以及各类纺织材料，这些材料具有防水、防油、杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。

“‘鸟巢顶棚所用的特殊纳米防护涂层可经受700摄氏度高温。”侯建国告诉记者，这样能避免烟花燃放时对顶棚膜可能的损坏。

虽然纳米技术已经初步走入中国人的日常生活，但侯建国认为，我国乃至世界的科技产业主体目前还是处于“微米时代”，还需要更加深入和大量的研究工作以发展和完善纳米科技。

纳米革命

“纳米技术给普通人的感觉似乎只是无限微缩的部件，”侯建国说，“但实质上，纳米是一种新的思考方式，它的革命性在于其综合学科性，即在很大程度上依赖于物理、化学、数学、生命科学和机械学上的成就进步以及这些学科之间的互动。”

相应地，以纳米科技的研究成果为依托，在未来几十年内将持续产生新技术和推动新产业。

纳米科技在未来的医疗科学中将发挥前所未有的作用。几十年后，人体内纳米级的医疗机械组件将问世，仅有1微米左右大小的“纳米机器人”由多个纳米级尺度的功能组件构成。“他们被医生操控在人体内运动，采集人体图像及其他重要数据，以确诊使用传统医疗技术无法诊断的疾病。”侯建国说，纳米机器人甚至还可以对患病部位进行直接治疗而不必开刀，例如传送医药给肿瘤细胞、清除血管间油脂以疏通管壁等。

环保可再生新能源也是纳米科学的研究热点。当前利用纳米半导体材料如TiO2、ZnO、SO2等作为太阳能电池光电极的研究已经成为热点，其中纳米TiO2材料由于具有光稳定、无毒性等优点，尤其受到关注；也可利用一些特殊分子或纳米结构在光照下的变化，直接把光能转化为机械运动或者化学能而利用。“实验上已经实现了光能驱动的由四个C60分子构成的纳米小车，”侯建国说，在未来微型机械器件的使用中，这种转化方式将非常有用。

英国科幻大师克拉克曾设想过连接地球和地球同步太空站之间的“太空电梯”或者说“太空升降机”，而碳纳米管无疑是制造这种“太空电梯”的最合适材料。“这是因为碳纳米管是由碳原子网形成的空心圆柱，比一般的碳纤维更坚固，其强度比普通钢材料大了两个数量级，密度更低、柔韧性更好，”侯建国告诉记者，利用纳米技术，还可以制备出高性能的传感材料，譬如，利用一些纳米材料列一些特殊气体的吸收能力，可以制造出能够测试环境大气和人呼吸气体中的有毒气体的浓度的感应器，从而实现对危急病人的呼吸或工厂有毒气体泄露的快速检测。

把电脑卷起装进口袋

尽管纳米科技将会是生产力的又一次革命，但它本身也存在潜在危险，特别是对于环境和人体健康方面。“纳米微粒有能力进入人类身体而到达一般化学物质所不能到达的位置，而且其表面积与体积比很高，反应活性很强，可能导致直接病变。”侯建国解释道。

国内曾发现涂层材料软聚丙烯酸酯含有的纳米颗粒侵入浙江一家塑料厂的多名女工的肺部细胞，使她们患上类似尘肺病加肺结核症状的疾病。“我国应该把部分研究资源投向研究和防止新型纳米技术可能带来的危害。”侯建国说，尽可能规避风险，才能最大程度地发挥纳米技术的优势。

比如，当前计算机基于传统晶体硅材料的集成电路元件微型化的发展已经越来越受到高芯片耗电量、高发热以及纳米尺度下量子现象干扰等问题的制约，研究和开发基于单个分子或其他纳米结构的功能纳米器件是一个很好的解决办法。

“中国科学技术大学的研究者们通过‘分子手术技术，即利用扫描隧道显微镜探针对单个三聚氰胺单分子进行化学键的‘裁剪，改造成既有整流效应又有机械开关效应的双功能集成新型人造分子，”侯建国说，这些分子电子学上的成就能够为未来电子计算机的研制提供新的材料和思路。

纳米技术还可以被广泛应用于各种各样的柔性电子器件。传统电子器件都是基于硅和金属等坚硬的材料，而未来人们生活需要的是便携、轻巧、柔性的电子器件。有了纳米科技，人们可以自下而上地构建电子器件，使得柔性功能材料及柔性电子器件成为可能。

“2050年，我们或许可以用上柔性显示器、柔性的电子纸、电子书，可以像看纸质的书籍一样看电子书籍，甚至将电视、电脑卷在口袋里带走，并可随时展开查阅。”侯建国展望说，利用纳米科技还可以制备出柔性的太阳能电池，贴覆在具有曲率的太阳能电动汽车表面，可以最大限度地利用太阳能。