走进精彩的纳米世界

吴礼萍

走进精彩的纳米世界

吴礼萍

从光学显微镜到能探知纳米世界的超分辨率显微镜，2014年诺贝尔化学奖所表彰的科学研究突破了以往物体观测尺寸的界限，使人类得以研究更微小的世界。如，一般病毒的尺寸在100纳米左右，普通的光学显微镜难以进行有效的观察，也难以进行跟踪。用超分辨率显微技术，可以帮助实现对活细胞内病毒活动的观察，帮助理解这些病毒相关的致病分子机制，有可能帮助我们找到克制埃博拉病毒致病的方法和药物。它可以观察细胞中生物大分子的相互作用，促进对相关生命过程的理解，更好地理解各类疾病的分子机制，促进各类疾病的诊疗技术和药物的开发。还可以观察特定的数个生物大分子之间的相互作用过程。这样就为探究生命的分子机制提供了非常直观的技术手段。

无论什么东西，一旦微缩到100纳米以下就会呈现出全新的特性，世间万物皆如此。纳米粒子的关键在于其尺寸，与较大的粒子相比，它们有着奇特的化学和物理特性。纳米物质的尺寸使原子之间和它们的组分之间发生独特的相互作用，这种相互作用有好几种方式。就非生物纳米粒子来说，不妨拿球打比方，绝大多数原子都在球内，有限的原子在球的表面与空气接触。球内的原子互相之间发生作用，而球面的原子是与其他不同原子相互作用。现在把这个球缩小到分子大小。缩得越小，球面与球内原子的比率就越高，当球体较大时，表面的原子相对而言微不足道。但是到了纳米尺寸，颗粒可能会几乎全是表面，那些原子就会对材料的总体物性产生重大影响。

当然，这种相互作用也存在于电子器件中，使石墨烯和量子点等材料可用于制造微型计算机。石墨烯是2004年发现的一种全新的超薄材料，它只有一个原子那么厚，大约为0.35纳米，把20万个片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。因为在石墨烯中的电子能以光的速度进行移动，电子可不通过散射而进行亚微细距离移动，这种特性对于制造需要快速转换的晶体管很重要。石墨烯晶体管比今天最小的计算机芯片还要小许多倍，用于开启和关闭的电压非常低，所以速度更快，耗能也更低，被视为硅晶体管的接班人。

科学家发现，如果癌症已经根深蒂固，纳米粒子也一样能够大显神威。研究人员对患有前列腺癌的狗进行CT扫描，确定其体内肿瘤的大小，然后放射学家给它注射了一种含有放射性纳米金粒子的紫色液体。经临床检测，用纳米金粒子进行治疗是安全的，狗没有发生肿胀、中毒，其肾脏和骨髓也没有变化。用放射性粒子对付肿瘤不是什么新思想，但使用纳米金粒子的主意是革新的。

纳米金粒子还用于癌症疾病的新型“嗅探器”。随着癌细胞增长，细胞内的基因和蛋白质会发生变化。这个过程会释放出可探测到的挥发性有机化合物——这就是为什么经过训练的狗可以“闻”出癌症，纳米粒子也能闻出来。以色列研究人员宣称发明了一种纳米金粒子传感器，它不仅能判断一个人是否患癌，而且能分清是肺癌、乳腺癌、前列腺癌、还是结肠癌。

近来，几乎每个星期，科学家们都会宣布在利用纳米粒子向细胞内输送基因、药物或化学信使方面取得新的突破。不同形状和化学成分的纳米粒子可以根据药剂师的选择追踪瞄准特定细胞并完成各种任务。研究人员利用一个由两部分组成的聚合物将DNA分子包装成纳米粒子，一部分带正电荷，使聚合物与DNA紧密相连。动物试验表明，纳米粒子的形状能大大影响它实施基因治疗的效果。

在生活中，人们在夏天每天使用的防晒霜含有二氧化钛和氧化锌纳米粒子，它们具有很强的反射性，能防止有害的太阳辐射直射皮肤。

纳米涂层还能使纸张防水、服饰防污以及保护地毯，甚至有效地使各种表面防尘。还有一种能证明纳米具有神奇特性的产品纳米吸收材料。这种能膨胀的玻璃材料能与极微量的炸药分子发生反应，因此可用作机场等地方的安检工具和停车场等地方，它可以吸收车辆的漏油，防止其在洗车时被冲进水体。它还可以涂上铁等材料来捕获磷酸盐等化学品。

纳米技术的发展涉及军队的各个方面，小到军服、枪支、大到航天器和复杂的武器系统，无不用到纳米技术。首先，新的纳米技术可以用于现有的武器和技术装备，其性能和功能将因此大大改善。可以利用纳米技术制造独特的材料、新的半导体和光学仪器、能发现生物武器的微型传感器、能力提高数倍的计算机……。此外，应用纳米技术还能减轻仪器装备的重量，降低能耗。“氢弹之父”爱德华·特勒曾这样预言：“谁更早掌握纳米技术，谁就将占据高新技术的制高点”。就破坏力来说，纳米武器将大大超过核武器。特别可怕的是，纳米武器能使整个地球“失去生命”，也就是说，完全消灭地球的生物圈，连细菌和病毒也无法存活。

据一些专家估计，2025～2030年，世界政治军事形势将由于纳米机器人的出现而发生改变。

首先，将出现武器系统的微型化，出现“隐形”武器及军队和军工企业的“无人化”。

其次，将暴露出其他武器不敌纳米武器的事实，核武器将丧失其作为遏制手段或战略优势的意义，纳米机器人开始取代各兵种部队的传统武器。

当前，纳米技术最有争议、大概也最鲜为人知的影响是对食品供应的影响。纳米粒子可以用作杀虫剂或肥料，但有研究表明，它们有可能破坏庄稼甚至是灾难性的。

例如，对大豆的研究表明，氧化锌会在植物组织里累积。植物的根和根瘤能吸收和储存高度浓缩的纳米粒子，在施氮水平很高的情况下，植物仍无法固氮。

纳米技术正在被很多领域所应用。它是研发提炼新纳米材料的定向投资的产物。这些新发明背后是极大的安全担忧。纳米粒子小到可以很容易地被皮肤吸入和吸收。目前还不确定，但强有力的证据表明，吸入这些粒子可能引发肺癌或肺病。如果碳纳米管具有像石棉一样的特性，那么我们不知道未来20年里它会对健康产生怎样的影响。20年，是从接触它到疾病发作所需要的时间。

中国现在出版的纳米技术论文比其他任何国家都多。从北京到深圳，纳米技术工厂如雨后春笋。这些工厂生产的产品包括吸收废气的路面和有纳米涂层能监视人体健康情况的服装。2009年，南京就曾展示了一个有两只胳膊、可以改变遗传密码的纳米机器人。它能帮助创造新的DNA结构，也可以变成为新材料组装基础材料的工厂。

特别值得关注的是厦门材料研究院的建设。它是国家级研发机构，从事新材料领域的科技成果转化和产业化，构建了材料通用性能、材料环境适应性和材料安全评估等四个技术平台。涵盖新型金属、新型功能、生物交叉、电子信息等相关材料的各种基础性能及特殊性能的分析评价。有纳米压痕仪、倒置荧光显微镜等先进的设备。从事纳米材料晶粒尺寸及微观应变测定等。

面向未来，院部在厦门创新产业园建设22万平米产业园区、10万平米科研园区、12万平米住宅区，按照“产业引领、创新超越”的发展思路，实现生活、创新与产业一体化综合发展，让在厦门创业的每一个人都能够感受到“成就事业、享受生活”的快乐，为建设祖国的大厦之门，为这个事业和生活琴瑟和鸣、相得益彰的城市贡献力量。