纳米从军微微秀

王君学

纳米是长度单位，1纳米是1米的十亿分之一（相当于一根头发细丝的十万分之一左右），只能用专门的高倍电子显微镜和隧道显微镜才能看到。所谓“纳米技术”是在纳米级尺度上通过操纵原子、分子或原子团和分子团使其重新排列组合，形成新的物质，制造出具有新功能的微器件。纳米技术是伴随微电子技术的蓬勃发展而兴起的一门在微观环境下工作的高新技术，它将与信息技术、生物技术“三足鼎立”互融交汇，使人类认识和改造自然的能力延伸到分子和原子量级，也使得纳米材料及其技术成为目前科学研究及军事应用等的热点之一，被认为是新世纪的又一次产业革命。

涌动全球的“纳米潮”

20世纪末，自美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“IBM”后，纳米科研成果捷报频传。美国科学家向中央情报局展示了他们研制成功的微型发动机，小到令人难以置信的程度，1000台发动机平摆只有5平方厘米大小。德国已制造出一架只有黄蜂大小的直升机，其发动机只有削尖了的铅笔尖大，但转速可达每分钟10万次。纳米微电子技术已成功研制出单个电子晶体管，只需控制单个电子的运动状态就可以达到特定的功效。“量子芯片”可突破传统硅芯片“物理极限”的制约，性能更好更强的新一代超高速芯片将为信息时代提供支撑。目前，科学家已经用碳纳米管研制出了内孔径只有头发丝百亿分之一的个性十足的神奇试管。在军事领域，碳纳米管已成为有效解决高超声速武器散热难题的一项核心技术……

涌动全球的“纳米潮”，驱使各科技大国制定发展纳米计划，竞逐前沿技术浪潮，以抢占纳米高科技的战略制高点。早在2000年1月，美国前总统克林顿发表《国家纳米技术倡仪》，并把纳米技术列为国家高技术战略，宣布成立国家纳米研究机构，认为这一技术“将领导下一次产业革命”。美国由国防部、能源部、航空航天局、商务部以及国立卫生研究所等部门参与研究开发相关纳米技术，此举“要使纳米技术成为美国经济发展的又一个助推器，并以此领导下一次工业革命”。近年来，美国开发纳米技术的经费中有近半用于国防部的相关研发。日本政府以20年为长远目标，拟定了纳米技术战略，并将其列为四大基础科技项目之一，确定发展方向、重点课题、研究开发体制及相关措施。欧洲有关纳米技术的军事研究计划已在法国开始起步。法国投资8亿法郎建立拥有3500名研究人员的纳米技术发明中心。德国把纳米技术作为21世纪科研创新的战略领域，开启国家级研究计划，着手建立6个政府与企业联合的研发中心，拟组成一个遍布全德的研究网，共同研究作为“21世纪关键技术”的纳米技术。英国早在20世纪90年初期就已先后实施了3项有关纳米技术研究计划，现有上千家公司、30多所大学、7个研究中心积极进行纳米技术的应用开发。

可以预见，在这个新兴的科技领域，纳米技术给人类带来的变化会像产业革命那样深远，是改变未来的“十大技术”之一。

神奇的纳米材料

纳米“小人国”里麦芒做“稻场”，毫微世界有乾坤。由于纳米材料展现了奇特的磁、电、光及其特殊的力学属性、敏感特性和催化性，可在0.1～100纳米的尺度上研究物质的相互作用及其规律，并利用其性能的突变等原理，制造具有特定功能的产品，为新材料的未来发展开辟了一个崭新的研究和应用天地。1959年，诺贝尔奖得主理查德·费曼率先提出“吞下的外科医生”的设想，并预言医用纳米机器人有着无限的潜力，将为人们的身心健康带来福音。如第三代医用机器人，是在先进的扫描隧道显微镜下进行设计制造的纳米级超微机器人，功能强大，可获取细胞和人体组织结构的生命信息，发现识别病变组织，并可穿透人体内生物屏障，快速精准地疏通血脉、切掉肿瘤、清除病灶、粉碎结石、帮助凝血、清洁伤口等。

纳米材料如此神奇，是由于某些材料的物质结构单元到了纳米级后，理化性质就会发生根本性的变化，具有常规材料所不具备的奇异或反常的理化性质，成为新一代功能材料。如纳米相铜的强度比普通铜高5倍，铜到纳米级就不再导电；而绝缘的二氧化硅，处于20纳米时却开始导电了；在室温下的纳米陶瓷材料，可以像金属一样任意弯曲、变形，柔韧异常，摔不碎，有的微晶陶瓷还可以做成陶瓷弹簧等；高分子塑料，加入纳米材料可制成永不生锈、锋利无比的刀具，它比金刚石还硬，削铁如泥。纳米材料制成的桌椅能因人而异，自动调整形状和温度；纳米材料制作的汽车发动机汽缸，可提高高温性能并且没有磨损等。

从这一层面上讲，只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性等都满足用户要求的纳米级器件。因此，将纳米材料应用到武器装备中，可提高武器装备的技术战术性能，改进其推进功能（如在航天飞机和火箭的燃料中加入纳米相材料，燃料效率将成倍增长），增强武器装备对装甲目标等的穿透能力和破坏力，还能显著提高武器装备自身的抗毁能力和适应能力。如给飞机表面覆盖一层纳米相材料的“可调谐”微型机械折翼，飞机可以根据感应的气动参量来调整翼型，使飞行更加安全。在水下，纳米微型折翼也可根据感应的水流参量，控制潜艇的航行状况。此外，利用纳米材料还可研发微型超级处理器及专用的集成微型仪器，升级换代军事信息系统；研制性能独特的纳米隐形材料，使武器装备的隐形效果更佳，以加速武器装备小型化、信息化、隐形化及一体化进程。

美国前总统克林顿曾经发表《国家纳米技术倡仪》

纳米技术在医疗行业得到广泛应用

纳米技术军事应用崭露头角

纳米科技在深刻影响人类社会的同时，备受军事专家的极大关注，纷纷把目光聚焦这一“小人国”，纳米科技从此将军事领域带进了一个新奇的微观世界。据五角大楼的武器专家预测，“微型机电系统”将随着纳米科技研究的深入日新月异，在军事领域引发一场微型化革命，“袖珍武器”“微型军”应运而生，未来战争可能由神奇的具有各种功能的纳米袖珍武器称雄战场。“不要多久，或许有一天当人们一觉醒来时，纳米战争已悄然而至。”

引发武器装备的微型化革命。“燕八哥卫星”，始于美国20世纪90年代的纳米卫星倡议。这种卫星大小与燕八哥体积相当，所以称之为“燕八哥卫星”。由于其部件和仪器都安装在纳米芯片上，因而被誉为“芯片级卫星”。“燕八哥卫星”是由专用集成微型仪器构成的机电一体化、具有特定功能的卫星部件或分系统。主要采用MEMS（微型机电一体化系统）中的超大规模多重集成技术，不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，而且把传感器、执行器、微处理器以及其他电学和光学系统都浓缩在一个超级袖珍的空间内，重量不足0.5千克，且坚固耐用、可靠性强。用一枚中等运载火箭即可将数百颗“燕八哥卫星”送入近地轨道，按不同用途组成卫星网，构成覆盖全球的星座式布局。由于这种卫星能大批量生产，且成本很低，因此可以批量部署，即使某些卫星失效，也不至于影响整个星座的可靠性。

2019年7月，法国国防部出台了纳米卫星武器（配备枪和激光武器）研发计划。该计划是响应总统马克龙宣布成立太空部队、负责保卫其航天等领域安全的一项举措，主要任务是将众多的纳米卫星武器部署到相应的区域，以保护法国的战略目标，同时对雪城军用通信卫星网络升级换代。国防部要求这一系统在2030年前投入运行。

昆虫平台，主要是利用昆虫作为载体，将微机器人电子系统植入昆虫的神经系统的“小虫小咬”装备。如“蚊子导弹”可利用红外微波等方式遥控，神不知鬼不觉地潜入目标内部执行任务，令敌方防不胜防。“小黄蜂”是一种自主性能较强的纳米武器装备，身手不凡，集侦察监视、信息处理、通信导航及精确打击于一体，能按照战术动作飞行越障、跳跃规避、自寻的，其装备的高爆微弹头专门攻击敌人的信息系统。“小黄蜂”还可以通过接口钻进敌人的网络中，犹如悟空钻进铁扇公主的肚内，“五脏六腑”一览而尽，可以窃取信息，破坏硬件设施，瘫痪整个网络系统。

据报道，微型电子机械装置功效更加神奇，如装有微型电子机械装置的坦克，在遭到火力打击时能够通过微型机械装置而变得“坚固”。安装在头盔、衣服和武器里的微型电子机械装置，不但能监视和传送士兵的生命特征（包括脉搏、呼吸、体温、血压等）和所处的位置，还可以监视和传送附近敌人的情报信息。用纳米技术升级改造的直升机，由于机翼、旋翼及桨叶等技术的改进，其重量大幅减轻，航速快航程远，载弹量增加，且耗油量少，机动性能更强，隐身性能不断提升。

战场更加单向透明。纳米技术的微型化，势必在军事探测领域引发一场深刻的革命。外军利用纳米技术设计的“间谍草”，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物，可侦测出百米以外坦克、车辆等出动时产生的震动和声音。虽形状与小花小草一样平常得不那么引人注目，但其敏锐的侦察探测能力却非同寻常，让人真假难辨，不易暴露。纳米技术使未来战场的单向透明度倍增，任何军事保密措施均无能为力。如空军在敌军可能部署的阵地上，空投数以万计的“间谍草”，就能神不知鬼不觉地将敌人的一举一动尽收眼底。如苍蝇般大小的“机器虫”，可用飞机、火炮和相应投射器投放，能在某地区形成高效侦察监视网，一般雷达难以发现，可大大提高战场信息获取量。

“纳米无人机”的大小与一只麻雀差不多，机上装有超敏锐的感应器，可闻出气味，并可在夜间拍摄红外线照片，将最新军情传回几百英里外的基地或把敌军的坐标位置传回导弹发射基地。更可怕的是研制中的“蚁兵勇士”，其体貌虽如蚂蚁般平常，但技术性能好，破坏力够大，可谓“千里长堤溃于蚁穴”。“蚁兵勇士”的动力主要由背上的微型太阳能电池提供，身上嵌有微型探测传感器，有的还带有高爆炸药，关键时刻可与敌方指挥信息系统和人员同归于尽。

专家认为，纳米技术一旦与生物工程技术相结合，就能制造出比人的毛孔还要小得多的“微型军”，它们可以植入昆虫的神经系统内，控制昆虫去收集战场情报，执行投放化学制剂等特殊任务等。新型纳米探测器可像现在拦截声频信号那样识别生物系统，使读取分子特征标记和进行DNA分析成为可能。澳大利亚的科学家研制的手持式纳米传感器，是高精度的分子生物传感器（可测出在悉尼海湾里溶解一粒方糖的成份）。这种一枚硬币见方的传感器能在几分钟内从病人的体液中确认病因，可快速准确地检测出空气中的病原体（炭疽热病菌等），及时探明敌方是否使用了细菌武器，还可以用来监测环境污染及放射性沾染等，是有效对付核生化袭击的一种先进装备。

纳米仿生机器人是未来纳米技术在军事方面应用的趋势

攻关高超声速武器的突破口。“以快制快”是现代战争的显著特征。目前，军事大国在提升弹道导弹、巡航导弹等精确打击武器精度的同时，还在不断提高武器的飞行速度，力求超声速、高超声速。《简氏防务周刊》认为：“由于高超声速武器的飞行速度极快，有些具有机动性，它们更可能破坏国际攻防技术平衡，从而使核武器与常规武器之间的界限越来越模糊。”可见，高超声速武器使未来战争更加诡谲。突破马赫数5的“速度门槛”是高超声速武器的标配。但随着打击武器飞行速度的飚升，与大气层中空气的摩擦力也会增加，产生的温度也将越来越高，因此必须有新型的耐热材料以抗衡高温的烧蚀。如俄罗斯先锋高超声速（速度为马赫数20）助推滑翔导弹，再入大气层后，其弹体表面耐热材料可承受近2000℃的高温，并且还能进行非常规的规避机动，完全可以躲开美军现役反导系统的侦察及拦截。研究发现，碳纳米管作为一项关键核心技术项目，已成为在高超声速飞行时能迅速散热的坚固而轻巧的最佳材料。碳纳米管是由直径为纳米级的碳管组成的合成材料，比钢更牢固并能隔热。碳纳米管的结构酷似“挖空的足球”（1985年碳原子“足球”结构的发现，轰动了世界）：碳原子以碳－碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性，堪称具有特殊结构的一维量子材料。这种“足球”结构是由六边形排列的碳原子组成数层到数十层的同轴圆管，层与层的间距为0.34纳米左右。碳纳米管的个性十足，主要表现在超越传统的导电、导热特性等优异的性能方面。据报道，美军为了追赶俄罗斯等军事大国的高超声速武器技术，五角大楼把其列为头等大事，集中人力物力财力，大手笔推进高超声速武器的研发攻关。佛罗里达州立大学高性能材料研究所的科学家正在研究将碳纳米管作为高超声速武器的制造材料。

纳米武器是武器系统超微型化的集成

为隐身武器装备梳妆巧扮。在信息化战场上，隐身武器装备的最大好处就是在复杂电磁环境中可防电子干扰、防雷达监视和防卫星跟踪，在作战中可收到杀敌于无声、决胜于无形的奇效。所谓“隐身技术”，又称隐形技术或低可探测技术，是通过降低武器装备等目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。当前的隐身技术主要通过改进武器装备的系统布局、整体结构和外形设计，采用能吸收、散射和屏蔽雷达电磁波、红外辐射的新型材料等措施来达到隐形的目的。纳米科技可用以研制超级隐形涂料、智能灵巧军服等，能极大提高隐形兵器的隐形效果。

纳米隐身涂料是飞机等隐身武器装备的优质“化妆品”。据报道，美国利用纳米技术研发的隐身涂料——超黑粉，不但能吸收99%电磁波，而且还具有凹透镜的光发散性能，改变照射光束的传播方向及空间分布，极大降低了光反射的强度，从而可有效对抗敌方的光电探测。毋庸置疑，纳米隐身涂料为武器装备的隐身效能向全波段、主动和被动兼容方向发展开辟了路径。此外，纳米隐身涂料还可以提高隐身武器装备的耐老化、防腐蚀、抗辐射等效能。

据报道，目前美国正在用纳米材料研制一款变色的“隐形军服”。这款特制军装的颜色像变色龙一样可随环境的变化而变化，收到意想不到的隐形效果。其设计理念主要是在特种纤维中掺入纳米微型发光粒子装置，可感知所处环境的颜色，并随着环境基色的不同而作出相应的调整，直至与周围颜色一致。值得指出的是，“隐形军服”的外层除能自动“变色”隐身外，还装有感应各种武器弹药部件的探测器，可防止弹片的攻击。内层嵌镶多种超微传感处理器，可把获得的信息适时传送到士兵相关装备，还能监控士兵的健康状况。

纳米技术还可以使武器装备变得更“灵巧”。如纳米材料制作的蒙皮堪称智能蒙皮材料，由微观尺寸为纳米级的相控阵有源发射单元阵列组成，可以察觉感知细微的外界刺激。如将其用作飞机蒙皮，可模拟正在飞行的受到雷达照射的地面散射的杂波，从而使飞机表面的雷达特征电磁信号与地面杂波一致，隐形飞机就变成了“电子变色龙”。用纳米材料制造潜艇的蒙皮，可灵敏地探测出水温、水压及水流等参数的细微变化，并反馈给中央处理器后及时发出控制指令；能根据水波的变化预警鱼雷的来袭，引导潜艇及时做规避机动。用纳米材料加工的军用机器人的皮肤，其触感比真人的皮肤还要灵敏，从而能更有效地完成军事任务。

纳米从军微微秀，孕育着无穷的潜力，将对军事领域产生深刻的影响。未来战争可能由数不清的具有各种功能的纳米袖珍武器称雄疆场，“小妖巧战巨魔”“蚂蚁啃大象”将成为军事对弈的一大景观。一场由纳米技术引发的新一轮军事革命即将到来。“花鸟鱼虫情报信息战”“微型武器点穴摧毁战”“无影无踪瘫痪战”等新概念将刷新作战理论，大小结合、以微制大、蚍蜉撼树将成为一种全新的作战理念。