以納米丈量未來

張　欣

50年前，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾憧憬說：試想有一天，人們可以按自己的意志來安排一個個原子，將會產生怎樣的奇妙景象?

這番話是對納米時代和納米科技的最早預言。

納米，作為今天人們談論最多的科學新名詞之一，其實在自然界就能找到有趣的例子。蓮花“出淤泥而不染”，其原因就是因為它的表面是一種“納米”結構。

“蓮花表面納米尺度的細致結構，使得尺寸遠大于這種結構的灰塵、雨水，與葉面的實際接觸面積非常小，雨點在自身表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵并滾出葉面，這就是蓮花能自潔葉面的奧妙所在。”中國科學院院士、中國科技大學校長侯建國解釋道。

納米科技當前正處于快速成長期。從1997年到2005年，各國政府對納米技術研究和開發的投入飆升了10倍左右，同期工業投入在2005年更是超過了政府投入。我國的納米技術研究近年來已取得進步，例如大面積定向碳管陣列、準一維納米絲和納米電纜、超延展性納米金屬銅等先進納米材料的制備，以納米材料應用為主的納米技術產業正在興起。

“納米時代”離我們還有多遠?

我們還處在“微米時代”

“狹義上的納米是一種長度測量單位，即十億分之一米。”侯建國接受《瞭望東方周刊》采訪時說，而廣義上，納米代表了物質材料或其結構單元在納米尺度下，也即約1個原子到100個分子大小的范圍內，表現出來的不同于宏觀體材料的特殊性質和相關應用。

在這個尺度下，包括量子效應、低維帶來的尺寸效應等特殊物理機制，開始對物質和材料的特性起決定作用。

最近20多年，隨著各種材料制造工藝和分析手段的進步，人們對于納米世界的認識和探索獲得了突破，特別是以掃描隧道顯微鏡為代表的高分辨率局域探針技術已經可以觀測甚至改變原子的位置排列、分子的化學成鍵等重要信息(例如用金屬原子建筑成納米圍欄并觀察到被約束在其中的量子波紋)。費曼當年的設想正在一步步被實現。

模擬蓮花自清潔特性的機理，人類已經制作出了“納米自潔領帶”以及各類紡織材料，這些材料具有防水、防油、殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。

“‘鳥巢頂棚所用的特殊納米防護涂層可經受700攝氏度高溫。”侯建國告訴記者，這樣能避免煙花燃放時對頂棚膜可能的損壞。

雖然納米技術已經初步走入中國人的日常生活，但侯建國認為，我國乃至世界的科技產業主體目前還是處于“微米時代”，還需要更加深入和大量的研究工作以發展和完善納米科技。

納米革命

“納米技術給普通人的感覺似乎只是無限微縮的部件，”侯建國說，“但實質上，納米是一種新的思考方式，它的革命性在于其綜合學科性，即在很大程度上依賴于物理、化學、數學、生命科學和機械學上的成就進步以及這些學科之間的互動。”

相應地，以納米科技的研究成果為依托，在未來幾十年內將持續產生新技術和推動新產業。

納米科技在未來的醫療科學中將發揮前所未有的作用。幾十年后，人體內納米級的醫療機械組件將問世，僅有1微米左右大小的“納米機器人”由多個納米級尺度的功能組件構成。“他們被醫生操控在人體內運動，采集人體圖像及其他重要數據，以確診使用傳統醫療技術無法診斷的疾病。”侯建國說，納米機器人甚至還可以對患病部位進行直接治療而不必開刀，例如傳送醫藥給腫瘤細胞、清除血管間油脂以疏通管壁等。

環保可再生新能源也是納米科學的研究熱點。當前利用納米半導體材料如TiO2、ZnO、SO2等作為太陽能電池光電極的研究已經成為熱點，其中納米TiO2材料由于具有光穩定、無毒性等優點，尤其受到關注；也可利用一些特殊分子或納米結構在光照下的變化，直接把光能轉化為機械運動或者化學能而利用。“實驗上已經實現了光能驅動的由四個C60分子構成的納米小車，”侯建國說，在未來微型機械器件的使用中，這種轉化方式將非常有用。

英國科幻大師克拉克曾設想過連接地球和地球同步太空站之間的“太空電梯”或者說“太空升降機”，而碳納米管無疑是制造這種“太空電梯”的最合適材料。“這是因為碳納米管是由碳原子網形成的空心圓柱，比一般的碳纖維更堅固，其強度比普通鋼材料大了兩個數量級，密度更低、柔韌性更好，”侯建國告訴記者，利用納米技術，還可以制備出高性能的傳感材料，譬如，利用一些納米材料列一些特殊氣體的吸收能力，可以制造出能夠測試環境大氣和人呼吸氣體中的有毒氣體的濃度的感應器，從而實現對危急病人的呼吸或工廠有毒氣體泄露的快速檢測。

把電腦卷起裝進口袋

盡管納米科技將會是生產力的又一次革命，但它本身也存在潛在危險，特別是對于環境和人體健康方面。“納米微粒有能力進入人類身體而到達一般化學物質所不能到達的位置，而且其表面積與體積比很高，反應活性很強，可能導致直接病變。”侯建國解釋道。

國內曾發現涂層材料軟聚丙烯酸酯含有的納米顆粒侵入浙江一家塑料廠的多名女工的肺部細胞，使她們患上類似塵肺病加肺結核癥狀的疾病。“我國應該把部分研究資源投向研究和防止新型納米技術可能帶來的危害。”侯建國說，盡可能規避風險，才能最大程度地發揮納米技術的優勢。

比如，當前計算機基于傳統晶體硅材料的集成電路元件微型化的發展已經越來越受到高芯片耗電量、高發熱以及納米尺度下量子現象干擾等問題的制約，研究和開發基于單個分子或其他納米結構的功能納米器件是一個很好的解決辦法。

“中國科學技術大學的研究者們通過‘分子手術技術，即利用掃描隧道顯微鏡探針對單個三聚氰胺單分子進行化學鍵的‘裁剪，改造成既有整流效應又有機械開關效應的雙功能集成新型人造分子，”侯建國說，這些分子電子學上的成就能夠為未來電子計算機的研制提供新的材料和思路。

納米技術還可以被廣泛應用于各種各樣的柔性電子器件。傳統電子器件都是基于硅和金屬等堅硬的材料，而未來人們生活需要的是便攜、輕巧、柔性的電子器件。有了納米科技，人們可以自下而上地構建電子器件，使得柔性功能材料及柔性電子器件成為可能。

“2050年，我們或許可以用上柔性顯示器、柔性的電子紙、電子書，可以像看紙質的書籍一樣看電子書籍，甚至將電視、電腦卷在口袋里帶走，并可隨時展開查閱。”侯建國展望說，利用納米科技還可以制備出柔性的太陽能電池，貼覆在具有曲率的太陽能電動汽車表面，可以最大限度地利用太陽能。