纳米的奇幻漂流

纳米材料技术及应用专家、国防科技大学常胜利教授为您讲述

◎它那么微小，却在全世界掀起轩然大波。

◎它那么年轻，却放射出无数神奇光芒。

◎它那么简单，却一路留下绝不简单的发现。

纳米，一个今天人们耳熟能详的词；纳米，一个曾经让人们不明就里的神话。

自“纳米”一词从科学家的实验室中“蹦”出来，到为世人所知，经历了一个从默默无闻到大鸣大放、又重新遇冷的阶段。

曾几何时，纳米频现，大肆炒作，鱼龙混杂，许多人一度对纳米敬而远之。

正如电影《少年派的奇幻漂流》中，每个观众都有一个自己愿意相信的故事版本，对待纳米的故事也一样，科学家们有的一如既往热情，有的自始至终冷静。

他们热情，是因为他们看到了纳米的美好未来。至今，在纳米尺度上编织想象、构筑梦想仍是很多科学家乐此不疲的工作。2013年7月，清华大学的魏飞教授带领团队成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管。这一世界性的突破，让人类在地球和月球之间搭建一座“太空天梯”的梦想又近了一步。

他们冷静，是因为他们还对纳米充满太多未知。纳米级颗粒如此微小，会不会成为健康杀手？通过纳米材料操控生物基因，会不会制造出什么怪物？纳米炸弹会不会带来更大灾难？但大多数科学家认为，通过对纳米安全性进行研究，人们有足够的信心面对未来的威胁，使纳米科技的发展最终能安全地造福于人类。

纳米，从它诞生那天起，每一步都充满奇幻。在从实验室到人间的漂流旅程中，作为科技领域名副其实的“少年派”，纳米必须重视的一个客观现实是，科学家对它的想象远远跑在成果前头。

如今，纳米科技已被公认为是最重要、发展最快的前沿领域之一，它与信息技术、生物技术共同构成了当今世界高新技术的三大支柱。它的出现，标志着人类从微米层次深入到原子、分子级的纳米层次，使人类最终能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制。

当然，纳米梦想的实现，依然还有很长的路要走。

度量底部，构筑梦想

纳米，就像米、厘米、毫米一样，是个长度单位。纳米究竟有多小？1纳米是1米的10亿分之一，只相当于一根头发的8万分之一。

当物质的外形尺寸小到0.1纳米至100纳米的范围之内时，我们便来到了科学家眼中的微观世界。

“如果有一天，人们可以按照自己的意愿来排列原子和分子，那么会产生什么样的奇迹？”1959年，费曼在那篇题为《在底部还有很大空间》的演讲中，充满激情地问道。

这个发问，被公认为是纳米技术思想的起源。这位美国物理学家也许不会想到，多年以后的今天，以纳米命名的实验室已遍地开花。科学家们也早已对“底部”世界的神奇见怪不怪——

把铜制成纳米尺度的粉末再压成块状，其导热速度是原来的数倍；一些物质制成厚度为纳米尺度的超薄膜后，导电性能发生剧变……

研究这些现象内在机理的科学是纳米科学，而在此基础之上开发利用其性能的技术称为纳米技术。

当然，在纳米科技正式诞生之前，还有一段实验室的旅程要走——

1982年，科学家发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜。这个显微镜的伟大之处在于，它不仅以极高的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，还为我们操纵原子、分子提供了有力工具。从此，人类进入“底部”世界的大门打开了。20世纪80年代末到90年代初，基于扫描隧道显微镜的基本原理，诞生了原子力显微镜、磁力显微镜等一系列扫描探针显微镜，有力促进了纳米科技发展。

这之后，更多科学家开始在纳米度量的“底部”世界构筑梦想。这其中，最不可思议的一幕，莫过于英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的实验——他们竟然用胶带纸剥离出了“只有一层碳原子厚的碳薄片”！

这一幕意味着什么？只有一层碳原子厚的碳薄片，被公认为目前已知的最薄、最坚硬、传导电子速度最快的新型材料，即石墨烯。这意味着将来的电子产品将会发生革命性变化。

几年之后，两位科学家凭着这项实验成果获得了诺贝尔物理学奖。

衣食住行，无处不在

科学界的努力，正在使纳米走出实验室，渗透到我们的衣食住行中——

用在纺织产品上，可以制作防水面料、自洁面料及抗菌织物；用在食品包装上，可以有效提高包装材料的抗菌性能与密封效果；用在建筑行业，房子可以改变形状、自我修复；用在高层建筑的外墙，不仅能有效减少对尘土的吸附，通过雨水冲刷就可以完成建筑的清洁……

科学家在微观尺度上编织的想象，正在让纳米科技看起来无所不能。

仅以汽车为例，从车身到车轮，纳米材料几乎能够引起每一个部件的变革：纳米材料可强化钢板结构，使车身外观色泽更光亮，更耐蚀、耐磨；纳米级的稀土材料能够大大净化汽车尾气及车内空气；纳米润滑油能够填充金属发动机或者齿轮的表面微孔，最大限度地减少金属表面摩擦，使机械寿命成倍增长；引入纳米电极的电池系统让高效、低污染的电动汽车成为现实。

越来越多的事实表明，纳米技术还在医疗卫生、环境污染治理、污染检测、能源高效利用和可再生能源开发等领域“漂流”。

未来世界，人们或许可以用到几秒钟就能充满电的手机，有纳米机器人帮我们治病……

崭露头角，颠覆战争

当纳米遇到军事，将会发生什么？

让我们先来认识一位“超级战士”，他的超级之处在于身上的特殊军装：高度智能，具有通信、指挥、分析以及全天候火力瞄准等功能；可以感应空气中生化指标的变化，及时关闭透气口，打开供氧系统，释放生化武器解毒剂；具有隐身功能，可以感知周围环境的颜色并做出相应调整……

这不是科幻，崭露头角的纳米材料正在让这身“军装”成为现实。

事实上，一些战机先于战士穿上了特殊外衣。隐身涂料是迄今在军事方面应用最成功的纳米材料。美军已把它涂在战机、导弹等飞行器的表面。

随着纳米科技的迅猛发展，利用纳米科技开发的微型武器将成为可能，如“纳米卫星”“袖珍飞机”等，将在未来战场上大显神通。

有专家指出：“纳米技术将决定21世纪战争的面貌和进程。”这一论断逐渐成为人们的共识。早在2000年，美国就发布了第一个国家纳米技术计划。这项计划在第一年就得到了4.64亿美元拨款，此后年度预算稳步扩大，在2013年的预算中，这一数字提高到了18亿美元。

“哪个国家率先掌握了纳米技术，就一定会在下世纪的世界技术领域里占据主导地位。”正如美国“氢弹之父”爱德华·泰勒预言的那样，纳米这个微观尺度注定将成为大国实力的标刻。

显然，爱德华并不孤单。他的知音至少有3位——

诺贝尔奖得主罗勒：“未来的技术将属于那些以纳米为精度标准，并首先学习和使用它的国家。”

IBM首席科学家阿姆斯特朗：“纳米科技将成为21世纪信息时代的核心。”

中国科学家钱学森：“纳米将引起21世纪又一次产业革命。”