文 趙宇亮

20世紀(jì)80年代，人類通過掃描隧道顯微鏡，第一次發(fā)現(xiàn)納米世界。短短幾十年，納米世界獨(dú)有的神奇特性，已經(jīng)催生出大量前沿科技，悄然改變了我們的生活。納米科技是在原子、分子尺度上，研究物質(zhì)的特性和相互作用，進(jìn)行知識(shí)和技術(shù)創(chuàng)新，并對(duì)物質(zhì)進(jìn)行精確加工和原子制造的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)和信息技術(shù)、生物技術(shù)一起，正在成為21世紀(jì)科技領(lǐng)域，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展最重要的三駕馬車。

納米有何神奇之處

什么是納米？納米本身只是一個(gè)尺度的單位，就是10的負(fù)9次方米，相當(dāng)于10億分之一米。納米技術(shù)真正進(jìn)入科學(xué)界的視野，或者說被科學(xué)界高度重視，開始于1981年掃描隧道顯微鏡被發(fā)明以后。

可能迄今為止，還沒有任何一個(gè)學(xué)科像納米技術(shù)這樣，引起了全世界如此高度的關(guān)注。大概全世界有60多個(gè)國家專門成立了國家層面的納米研究計(jì)劃，我們國家也不例外。中國納米技術(shù)、納米科技的研究大概起源于20世紀(jì)80年代后期。我們?cè)诩{米尺度下所看到的事情，跟在宏觀世界理解的東西完全不同。在納米這個(gè)尺度下，這些功能來自它的一些特殊的效應(yīng)，比如1克的顆粒直徑為5個(gè)納米的氧化鋁，它的比表面積有多大？相當(dāng)于一個(gè)籃球場(chǎng)這么大。比表面積是什么？小小的1克氧化鋁怎么會(huì)有這么大的比表面積？簡(jiǎn)單說來，比表面積可以這樣理解：無論什么物質(zhì)，它都是由大量的微粒組成的，所有這些微粒的表面積加起來就是這種物質(zhì)的比表面積。顯然，1克氧化鋁的比表面積肯定要比它的表面積大很多，完全展開之后，有一個(gè)籃球場(chǎng)那么大也就容易理解了。同樣是1克氧化鋁，如果組成它的微粒尺寸不同，那比表面積就會(huì)不一樣，最終會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的特性。

納米科技如何顛覆材料研發(fā)

納米科技問世不久，曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)。那時(shí)人們最早接觸到的，可能就是形形色色的“納米材料”了。一些不良商家打著納米科技的招牌夸夸其談，推出了諸多類似“納米內(nèi)褲”“納米鞋墊”之類令人哭笑不得的所謂高科技產(chǎn)品，宣稱具有各種神奇的效果，許多不明所以的消費(fèi)者上當(dāng)受騙之后，甚至誤認(rèn)為納米科技就是個(gè)騙局。其實(shí)，真正的納米材料確實(shí)具備許多神奇的特性和功能，它們是使用納米技術(shù)，在納米級(jí)別上，對(duì)某些材料從微觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的改造，從而脫胎換骨，獲得新生。這些需要科學(xué)家們堅(jiān)持不懈地反復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)過漫長而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)之路，最終才可能走向市場(chǎng)，進(jìn)入生活。

以納米醫(yī)藥技術(shù)為例?，F(xiàn)在的藥物叫作分子藥物，到目前為止，人類所有的診斷和治療都是建立在這些分子和分子之間的反應(yīng)基礎(chǔ)上的。納米藥物則是單一分子聚集到一起形成了顆粒，所以納米藥物也可以叫作顆粒藥物。這個(gè)顆粒，因?yàn)橛幸粋€(gè)表面，就可以在表面裝上很多不同的藥物在里面，然后通過控制它的釋放，可以一層一層地往外放。納米藥物，我們有時(shí)也叫它智能藥物。它更適合于復(fù)雜的疾病，像腫瘤、心腦血管疾病的治療。

另外還有化妝品?，F(xiàn)在化妝品里面用的材料幾乎100%都是納米材料。20世紀(jì)80年代在國外的時(shí)候，只要有一個(gè)女性從走廊的那一頭走過來，你就能看出她是不是化了妝，因?yàn)槟菚r(shí)妝上得很濃。但是現(xiàn)在大家化了妝以后，一般看不出來了，原因是化妝品所使用的是納米材料，很細(xì)，用量比原來少了很多。現(xiàn)在的化妝品，盡管它不叫納米化妝品，但是實(shí)際上使用的都是納米材料。

再有就是智慧城市。無傳感就無智能，智能技術(shù)最大的一個(gè)核心的部件就是傳感器。傳感器里面有兩個(gè)核心的東西：一個(gè)是微納器件，一個(gè)是敏感材料。傳感器表面的敏感材料大部分都屬于納米材料。獲取周圍的溫度信息、物體的位置信息、壓力信息、時(shí)間信息，以及空氣中間的有毒氣體等，都是靠敏感材料。承載這些敏感材料的器件，都是通過微納加工技術(shù)加工出來的，這是靠納米技術(shù)發(fā)展起來的一些加工技術(shù)。

在能源方面，太陽光加納米催化劑，把水分解成氫和氧，這個(gè)技術(shù)最近幾年發(fā)展很快。在納米催化劑出來之前，原來分解效率大概只有1%，通過納米催化劑的使用，分解效率已經(jīng)達(dá)到了百分之十幾，這有可能引起整個(gè)能源領(lǐng)域的變革。在能源環(huán)保方面，比如現(xiàn)在的新能源電池技術(shù)，現(xiàn)在性能最好的電極或隔膜都是納米材料。

納米催化，中國應(yīng)該是世界上做得最好的。通過納米催化劑的設(shè)計(jì)，可以在一些反應(yīng)里面，達(dá)到?jīng)]有副產(chǎn)物，沒有副產(chǎn)物就意味著沒有廢水向環(huán)境里排。如果采用納米催化，能夠100%達(dá)到單一的產(chǎn)物，那將來化工廠在哪兒都可以建，不需要跑到荒郊野外、人跡罕至的地方去建。所以這些技術(shù)的發(fā)展，會(huì)給我們的生活、產(chǎn)業(yè)帶來變革。

納米磁性材料，它的一個(gè)很大應(yīng)用就是儲(chǔ)存介質(zhì)。20世紀(jì)90年代，3.5英寸的磁盤出現(xiàn)。它的存儲(chǔ)量大概是1.44兆字節(jié)?，F(xiàn)在，我們很多人在鑰匙鏈上都掛著小小的一個(gè)U盤，它的存儲(chǔ)量差不多增加了1億倍。這個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是納米材料巨磁阻效應(yīng)所帶來的變化。

納米材料在航天航空里面也有應(yīng)用。航天航空最大的一個(gè)問題就是減重，納米材料的強(qiáng)度和重量，恰恰能滿足這個(gè)要求。還有納米加工技術(shù)。我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)、手機(jī)做得越來越小、越來越薄，就是隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)的。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面也有大量應(yīng)用。除了中國農(nóng)科院在研究納米農(nóng)藥、納米肥料以外，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)里面的應(yīng)用比我們想象得還要更尖端，跟我們傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)完全是兩回事情，是把包括納米技術(shù)在內(nèi)的不同的技術(shù)，如微納傳感、信息處理技術(shù)及大數(shù)據(jù)的算法技術(shù)等全部融合到了一起。

還有納米技術(shù)和超材料。超材料完全是人工設(shè)計(jì)的一種可以超越自然界一些功能的新材料。我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是納米尺度的，然后把這個(gè)結(jié)構(gòu)組裝成一定的陣列。這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生了一些新的功能，這些功能是我們?cè)瓉頉]有預(yù)計(jì)的，或者說以原有的知識(shí)、原有的理論、原有的東西所外推出去是沒法預(yù)測(cè)的那么一類材料。這一類材料也是納米技術(shù)發(fā)展的過程中逐漸出現(xiàn)的。

誰掌握了材料，誰就掌握了世界

材料實(shí)際上是我們很多技術(shù)的源頭，很多技術(shù)如果你往前溯源，溯源到最后，其實(shí)就是材料上的變革。有人問我：納米技術(shù)是不是無所不能？我說：不是，但是納米技術(shù)無處不在，它幾乎是一個(gè)覆蓋全學(xué)科的領(lǐng)域。目前，納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正越來越受到世界各國的重視。我們團(tuán)隊(duì)在2001年就創(chuàng)建了中國乃至世界第一個(gè)“納米生物效應(yīng)與安全性”實(shí)驗(yàn)室，專門研究納米尺度顆粒和納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)對(duì)生命的影響，實(shí)現(xiàn)了納米毒理學(xué)領(lǐng)域在中國的起步、形成和發(fā)展，使中國在相關(guān)領(lǐng)域成為最具影響力的國家之一。

納米技術(shù)在生物健康領(lǐng)域也起到了巨大作用。在抗擊新冠肺炎疫情方面，上文提到的磁性納米顆粒，它可以吸附和病毒相關(guān)的一些蛋白，包括抗體，這樣可以用它來做很多檢測(cè)。還有就是通過納米顆粒去改造一些藥物，提高藥物的穩(wěn)定性。把納米顆粒作為治療藥物的載體，讓它去輸送藥物，定點(diǎn)地輸運(yùn)到某一個(gè)部位，比如說輸運(yùn)到肺、輸運(yùn)到肝。這種定點(diǎn)的輸運(yùn)，通常叫作靶向性，這也是納米技術(shù)在新冠肺炎研究中很重要的應(yīng)用。

靜電紡絲技術(shù)也是伴隨納米技術(shù)發(fā)展起來的。這個(gè)技術(shù)的過濾性和孔徑率，都可以很容易調(diào)節(jié)。新冠病毒大概是120多個(gè)納米大小，我們可以精確地調(diào)控納米織物孔徑的大小，把病毒擋在外面，這個(gè)技術(shù)可以用于生產(chǎn)口罩、防護(hù)服。

針對(duì)腫瘤的治療和診斷，一直是納米技術(shù)里面最為活躍的領(lǐng)域之一。把納米技術(shù)和生物技術(shù)結(jié)合起來，這可能是人類發(fā)生技術(shù)變革的一個(gè)非常重要的突破口。

納米技術(shù)的發(fā)展，給人類開辟了很多新的領(lǐng)域，也催生了很多新的技術(shù)，這些技術(shù)正在不斷地悄聲無息地影響著我們的生活。希望有更多的人能夠加入納米技術(shù)這個(gè)行業(yè)里面來，尤其有更多的企業(yè)家和金融機(jī)構(gòu)能夠加入納米科技領(lǐng)域，讓我們把這個(gè)前沿科技，變成中國科技創(chuàng)新的強(qiáng)大力量。