納米科技的神奇暢想

張軒碩

摘要：納米技術已經取得了舉世矚目的成績，在21世紀充滿了活力，如今納米技術已經滲透到各個領域，并且影響著人們的生活方式，本文主要介紹它的應用前景。關鍵詞：納米科技；納米蟲；碳納米管；納米污染物一、概念納米技術即是在0.1100nm的尺度空間研究電子、原子、分子運動規律和特性的嶄新科技。納米科技的理念在上世紀就初露頭角，費曼曾設想：“如果有一天人們能夠按照自己的意愿控制原子，那會產生怎樣的奇跡。”在當時異想天開的想法今天看來已經很正常并很現實（大家肯定已經見過高中物理課本封面上用56個鐵原子圍成的鐵柵欄），并由此催生了這門新技術。二、應用前景（一）納米材料納米材料是納米技術的重要部分，大致可分為天然納米材料和人工納米材料，海龜、鴿子在長途跋涉中不會迷失方向得益于它們頭部的納米磁性材料，利用地磁場來辨別方向。人造納米材料源于上世紀德國科學家Gleiter的突發奇想，當時的主流觀點是晶體以有序排列為主體，而其中的缺陷和雜質是次要的，因為晶體最典型的特征是長程有序，Gleiter則研制出了具有原子排列順序不規則的界面組元結構的材料——納米材料。納米材料具有五大效應——體積效應、表面效應、量子尺寸效應、量子隧道效應和介電限域。基于它的這五大效應，形形色色的納米材料被應用于各個領域。一定尺寸的納米粒子具有較高的吸收系數，可被用于隱形飛機（人眼能看見但雷達難以探測到）的研制；當納米粒子表面原子周圍有不飽和鍵時，易于結合其他原子而穩定下來，表現出很強的催化活性，可能成為一種新型催化劑。（二）納米機器人納米科技在醫療領域的應用前景非常誘人，設想之一是納米尺度的機器人，紅血球的直徑約為60009000nm，而納米機器人很小，進入血液中不會傷害到血細胞，當遇到癌細胞等病變細胞時卻可以識別并將其清除，納米機器人的研究已經取得很大進展，但離成熟的臨床應用還有很大距離。21世紀人工智能迎來了蓬勃發展時期，也許未來有望和納米機器人結合，形成一種納米智能機器人，之前聽過一位醫生給我打比喻：“腦梗患者的發病腦部就如同一片將要枯死的農作物，由于地塹沒被打通，所以水渠里的水流不進去。”現在的方法是用人血蛋白藥物打通腦血管，如果有朝一日能研制出納米智能機器人，當它檢測到腦血管中脂肪等沉淀物含量過高時，它可以將酶輸運至堵塞的腦血管，用于打開“地塹”，疏通“水渠”，這比隨血液循環的普通藥物見效更快，針對性更強。納米蟲是另一種構想中的納米級別的機器人，《特種部隊：眼鏡蛇的崛起》電影中的納米蟲（nanomites）擁有極強的再生能力和吞噬金屬的能力，是眼鏡蛇軍火商利用軍方資金研發的高科技武器。同時納米蟲可以增強人體的各種機能，有些特定的納米蟲還有特定的功能，比如在電影《特種部隊：眼鏡蛇的崛起》中已經變成美國總統（Jonathan Pryce飾）模樣的撒旦（Arnold Vosloo飾）在自己臉上劃了一刀，露出自己的真面容，而體內的納米蟲機器人迅速地將傷口愈合起來。（三）碳納米管1991年日本的一家電器公司研制出了由六邊形環狀碳原子組成的碳納米管，它的導電率比銅還高，強度約為鋼的100倍，同體積情況下，它的重量約為鋼的六分之一，直徑僅有14nm（相當于頭發絲直徑的1/50000）。碳納米管的兩端通常是封閉的，但當加熱到700℃時兩端的碳原子因氧化而被破壞，然后用電子束將低熔點金屬（如：Pb，Hg）蒸發后而凝聚，由于虹吸作用（原指由于液態分子存在引力與勢能的差能，液體會由壓力大的一端流向壓力小的一端）而進入中空芯部形成納米絲，它的尺寸效應可能具有超導性。還有一種有趣的設想，將許多根碳納米管“捆”成一束，從地面至高空形成太空天梯，由于其強度極高，所以可以支撐很大重量，即使設想實現，恐怕我們也難以在去“天堂”的旅途中安逸舒適，因為所受重力的變化肯定會令很多人頭暈目眩。（四）納米飛行器納米尺寸的飛行器在未來的軍事領域和外太空探索方面可能發揮重要作用。2016年霍金與扎克伯格聯手開啟了“突破攝星”計劃，打算用高能激光將納米飛行器加速到光速的1/5發往半人馬座α星（《三體》中三體世界的原型，距地球約4028光年），預計二十年左右就可到達目的地，但將1克物體加速到1/5光速大約消耗400噸TNT的能量，而且以如此高的速度運行，哪怕是與宇宙塵埃發生碰撞也會給飛行器帶來毀滅性的災難，由于耗費能量巨大和技術原因，此計劃能否成功還不確定。三、納米污染納米污染物不是近些年才出現的，而是在自然界原本就存在的，只是當納米尺度的觀念被人意識之后，人們才開始關注起納米污染物，納米污染物不是由于納米科技的實行而產生的，它的來源主要有兩種：一是火山噴發等地質活動產生的，二是由于垃圾焚燒、電焊等人類農業活動產生的。比如納米碳顆粒當尺度達到510納米時，會刺激人體具有免疫功能的巨噬細胞，使多種激素含量異常增加，這是造成人體器官炎癥原因之一。而且由于納米污染物的尺度極小，它們很容易隨風傳播，甚至漂浮在大氣層上部，難以沉淀下來，它們還有可能與大氣層中的其它化學物質結合凝聚成較大的團體在重力作用下沉積，從此殘留在土壤中。四、結語納米科技作為一個極具吸引力的研究領域，在解決環境問題上可發揮巨大作用，納米半導體材料對提高太陽能電池的能量轉換效率和電子運輸效率上有很大潛力，納米材料的儲氫和釋放效率也明顯優于傳統材料。總的來說，納米科技的蓬勃發展，推動了人類文明的進程，也許在不遠的將來將會有新的機遇和挑戰。參考文獻：[1]王直華.科學速遞[M].中國青年出版社，北京：2002，9（1）.[2]張立德.環境納米科技研究的新動向的機遇[J].科學前沿與未來，2009（11）.[3]百度百科[EB].虹吸作用.