如何打开神奇的纳米世界

文 赵宇亮

20世纪80年代，人类通过扫描隧道显微镜，第一次发现纳米世界。短短几十年，纳米世界独有的神奇特性，已经催生出大量前沿科技，悄然改变了我们的生活。纳米科技是在原子、分子尺度上，研究物质的特性和相互作用，进行知识和技术创新，并对物质进行精确加工和原子制造的科学技术。纳米技术和信息技术、生物技术一起，正在成为21世纪科技领域，推动经济和社会发展最重要的三驾马车。

纳米有何神奇之处

什么是纳米？纳米本身只是一个尺度的单位，就是10的负9次方米，相当于10亿分之一米。纳米技术真正进入科学界的视野，或者说被科学界高度重视，开始于1981年扫描隧道显微镜被发明以后。

可能迄今为止，还没有任何一个学科像纳米技术这样，引起了全世界如此高度的关注。大概全世界有60多个国家专门成立了国家层面的纳米研究计划，我们国家也不例外。中国纳米技术、纳米科技的研究大概起源于20世纪80年代后期。我们在纳米尺度下所看到的事情，跟在宏观世界理解的东西完全不同。在纳米这个尺度下，这些功能来自它的一些特殊的效应，比如1克的颗粒直径为5个纳米的氧化铝，它的比表面积有多大？相当于一个篮球场这么大。比表面积是什么？小小的1克氧化铝怎么会有这么大的比表面积？简单说来，比表面积可以这样理解：无论什么物质，它都是由大量的微粒组成的，所有这些微粒的表面积加起来就是这种物质的比表面积。显然，1克氧化铝的比表面积肯定要比它的表面积大很多，完全展开之后，有一个篮球场那么大也就容易理解了。同样是1克氧化铝，如果组成它的微粒尺寸不同，那比表面积就会不一样，最终会导致出现不同的特性。

纳米科技如何颠覆材料研发

纳米科技问世不久，曾经风靡一时。那时人们最早接触到的，可能就是形形色色的“纳米材料”了。一些不良商家打着纳米科技的招牌夸夸其谈，推出了诸多类似“纳米内裤”“纳米鞋垫”之类令人哭笑不得的所谓高科技产品，宣称具有各种神奇的效果，许多不明所以的消费者上当受骗之后，甚至误认为纳米科技就是个骗局。其实，真正的纳米材料确实具备许多神奇的特性和功能，它们是使用纳米技术，在纳米级别上，对某些材料从微观结构上进行设计的改造，从而脱胎换骨，获得新生。这些需要科学家们坚持不懈地反复试验，经过漫长而严谨的研发之路，最终才可能走向市场，进入生活。

以纳米医药技术为例。现在的药物叫作分子药物，到目前为止，人类所有的诊断和治疗都是建立在这些分子和分子之间的反应基础上的。纳米药物则是单一分子聚集到一起形成了颗粒，所以纳米药物也可以叫作颗粒药物。这个颗粒，因为有一个表面，就可以在表面装上很多不同的药物在里面，然后通过控制它的释放，可以一层一层地往外放。纳米药物，我们有时也叫它智能药物。它更适合于复杂的疾病，像肿瘤、心脑血管疾病的治疗。

另外还有化妆品。现在化妆品里面用的材料几乎100%都是纳米材料。20世纪80年代在国外的时候，只要有一个女性从走廊的那一头走过来，你就能看出她是不是化了妆，因为那时妆上得很浓。但是现在大家化了妆以后，一般看不出来了，原因是化妆品所使用的是纳米材料，很细，用量比原来少了很多。现在的化妆品，尽管它不叫纳米化妆品，但是实际上使用的都是纳米材料。

再有就是智慧城市。无传感就无智能，智能技术最大的一个核心的部件就是传感器。传感器里面有两个核心的东西：一个是微纳器件，一个是敏感材料。传感器表面的敏感材料大部分都属于纳米材料。获取周围的温度信息、物体的位置信息、压力信息、时间信息，以及空气中间的有毒气体等，都是靠敏感材料。承载这些敏感材料的器件，都是通过微纳加工技术加工出来的，这是靠纳米技术发展起来的一些加工技术。

在能源方面，太阳光加纳米催化剂，把水分解成氢和氧，这个技术最近几年发展很快。在纳米催化剂出来之前，原来分解效率大概只有1%，通过纳米催化剂的使用，分解效率已经达到了百分之十几，这有可能引起整个能源领域的变革。在能源环保方面，比如现在的新能源电池技术，现在性能最好的电极或隔膜都是纳米材料。

纳米催化，中国应该是世界上做得最好的。通过纳米催化剂的设计，可以在一些反应里面，达到没有副产物，没有副产物就意味着没有废水向环境里排。如果采用纳米催化，能够100%达到单一的产物，那将来化工厂在哪儿都可以建，不需要跑到荒郊野外、人迹罕至的地方去建。所以这些技术的发展，会给我们的生活、产业带来变革。

纳米磁性材料，它的一个很大应用就是储存介质。20世纪90年代，3.5英寸的磁盘出现。它的存储量大概是1.44兆字节。现在，我们很多人在钥匙链上都挂着小小的一个U盘，它的存储量差不多增加了1亿倍。这个技术进步就是纳米材料巨磁阻效应所带来的变化。

纳米材料在航天航空里面也有应用。航天航空最大的一个问题就是减重，纳米材料的强度和重量，恰恰能满足这个要求。还有纳米加工技术。我们现在的计算机、手机做得越来越小、越来越薄，就是随着微纳加工技术的发展实现的。纳米技术在农业方面也有大量应用。除了中国农科院在研究纳米农药、纳米肥料以外，纳米技术在农业里面的应用比我们想象得还要更尖端，跟我们传统的农业完全是两回事情，是把包括纳米技术在内的不同的技术，如微纳传感、信息处理技术及大数据的算法技术等全部融合到了一起。

还有纳米技术和超材料。超材料完全是人工设计的一种可以超越自然界一些功能的新材料。我们可以设计一个结构，这个结构是纳米尺度的，然后把这个结构组装成一定的阵列。这个时候会发现它产生了一些新的功能，这些功能是我们原来没有预计的，或者说以原有的知识、原有的理论、原有的东西所外推出去是没法预测的那么一类材料。这一类材料也是纳米技术发展的过程中逐渐出现的。

谁掌握了材料，谁就掌握了世界

材料实际上是我们很多技术的源头，很多技术如果你往前溯源，溯源到最后，其实就是材料上的变革。有人问我：纳米技术是不是无所不能？我说：不是，但是纳米技术无处不在，它几乎是一个覆盖全学科的领域。目前，纳米技术在生物医药领域的广泛应用正越来越受到世界各国的重视。我们团队在2001年就创建了中国乃至世界第一个“纳米生物效应与安全性”实验室，专门研究纳米尺度颗粒和纳米结构物质对生命的影响，实现了纳米毒理学领域在中国的起步、形成和发展，使中国在相关领域成为最具影响力的国家之一。

纳米技术在生物健康领域也起到了巨大作用。在抗击新冠肺炎疫情方面，上文提到的磁性纳米颗粒，它可以吸附和病毒相关的一些蛋白，包括抗体，这样可以用它来做很多检测。还有就是通过纳米颗粒去改造一些药物，提高药物的稳定性。把纳米颗粒作为治疗药物的载体，让它去输送药物，定点地输运到某一个部位，比如说输运到肺、输运到肝。这种定点的输运，通常叫作靶向性，这也是纳米技术在新冠肺炎研究中很重要的应用。

静电纺丝技术也是伴随纳米技术发展起来的。这个技术的过滤性和孔径率，都可以很容易调节。新冠病毒大概是120多个纳米大小，我们可以精确地调控纳米织物孔径的大小，把病毒挡在外面，这个技术可以用于生产口罩、防护服。

针对肿瘤的治疗和诊断，一直是纳米技术里面最为活跃的领域之一。把纳米技术和生物技术结合起来，这可能是人类发生技术变革的一个非常重要的突破口。

纳米技术的发展，给人类开辟了很多新的领域，也催生了很多新的技术，这些技术正在不断地悄声无息地影响着我们的生活。希望有更多的人能够加入纳米技术这个行业里面来，尤其有更多的企业家和金融机构能够加入纳米科技领域，让我们把这个前沿科技，变成中国科技创新的强大力量。