纳米武艺走进生活

1959年12月,物理学家理查德·费曼发表了名为“底部充足的空间”的演讲,他的主题是“在微小等级操纵和控制事物的问题”。在这次演讲中,费曼不满足于在针头上刻字母的技术(这在当时已经是非常前沿的技术了),他问:“我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上?”

他给出了解决这个问题的答案:我们并不是尽量将字母变小去刻字,而是操纵针头的原子本身去形成字母,纳米技术被正式提出。1990年,首次出现了操纵原子“写出”的字母,一共用了35个原子的英文字母“IBM”,实现了费曼的设想。

纳米技术的设想出现以来,一直被定义为“明天的世界”,已经有上百部科幻小说描述过它。但其实,纳米技术的工业革命已经悄悄兴起,在一些领域已经开始大显身手了。那么,纳米技术究竟有何不同,它将如何改变我们的世界?

什么是纳米技术?

纳米是长度单位,但是这个单位非常的小,只有一米的十亿分之一。我们很难感受到1纳米到底有多小,想象一下,一根头发是75000纳米,一条DNA双链差不多是2纳米宽。

所谓纳米技术,就是在可控制的条件下,改变原子的连接结构以创造一种新的分子。纳米技术生产不同种类的纳米级材料(由纳米粒子组成),纳米粒子结构尺寸在1~100纳米之间。

20世纪初人们已开始用蒸发法制备金属及其氧化物的纳米粒子。20世纪中期人们探索机械粉碎法使物质粒子细化,现在制备纳米粒子的方法主要分为化学方法和物理方法两大类。

物理方法一般是“自上而下”的,即通过物理的方法将比较大的物质破坏成纳米级,再将这些纳米级的小单元转化成适宜的纳米粒子。物理法分为粉碎法和构筑法,其中,粉碎法主要是采用研磨、压碎等方式;构筑法包括气体蒸发法,混合等离子体法等。

化学法主要是“自下而上”的方法,即通过适当的化学反应(包括液相、气相和固相反应),从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学合成法包括气相反应法和液相反应法,其中比较常用的方法有:溶胶凝胶法、氧化还原法、气相分解法、气相合成法等。

纳米粒子不同凡响的特性

宏观技术将大的物质块以相对粗糙和近似的模式排列以建造微芯片、运动汽车、橡木餐桌和摩天大楼。而纳米技术则能够操纵单个原子,使人类技术提升到新的层面。

纳米粒子最重要的不是它的尺寸特别小,而是在纳米级下,物质的性质会有很大的不同。因为我们面对的是单个的原子或分子而不是成团的物质,在这里,量子效应成了最重要的影响因素。对于宏观物质来说,不管形状、大小如何,物质的性质不会改变,但是对于纳米级物质来说,面积体积比、相对尺寸改变,物质的性质也会改变。

举个例子,纳米粒子通常会有意想不到的光学性质,因为纳米粒子可以限制它们的电子并产生量子效应,比如黄金的纳米粒子在溶液中就会呈现紫红色。纳米粒子可以形成悬浮液,这是因为颗粒表面与溶剂的相互作用强到足以克服密度差异;如果是非纳米材料,这种相互作用通常会导致材料下沉或漂在液体中。纳米粒子中不均匀的电子分布会导致磁性,磁性纳米粒子引起了不同学科研究人员的兴趣。纳米粒子独特的机械性也在许多重要领域得到了应用,这些机械性能包括弹性模量、硬度、应力和应变、粘附力和摩擦力等。

通过在分子水平上改变事物的大小和形状,科学家们能够依据特定目的来定制纳米粒子的性质。例如,“纳米线”的直径仅为1纳米,因此限制了电子在其宽度上的流动,纳米线的电导率可以被精确地控制。“量子点”的厚度为1原子,直径为50原子,直径的大小可做调整控制。因为它的物理形状,量子点可将紫外线转化成特定频率的可见光,并且发出光的频率会随着量子点的尺寸改变而变化。纳米管是由一层1原子厚的碳卷成的一个圆柱体。不同的角度卷圆管,达到不同的直径,可以改变其机械、电气、热学和光学性质。在目前发现的所有材料中,这种结构意味着这些管材具有最高的抗拉强度,比钢材强了100多倍。

纳米技术已经进入日常生活

现在人类已经进入一个人人都使用、需要纳米技术的时代。许多早期科幻小说中所描述的纳米技术已经实现,只不过是以我们不易察觉的方式,比如它是智能手机或者其他各种设备的组件材料,但是我们并不知道这些是建立在纳米技术上的。纳米技术已经悄然渗透到了我们生活的各个方面,成为我们日常生活中的一部分。

如今,从防晒霜、衣服、汽车、太阳镜到电脑和显示屏,纳米技术的应用无处不在,哪怕是在最日常的生活中。比如,防晒霜通常含有二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)的纳米颗粒,两者都是高度紫外线吸收剂。有些衣服中也添加二氧化钛和氧化锌来抵御紫外线,同时在衣服中添加二氧化硅纳米粒子用于防水,银纳米粒子用于抗菌。2016年,中国研究者还利用相同的原理制成了一种布,这种布并不是阻断紫外线,而是吸收紫外线并将它转化为电能。同样地,加州大学的研究者发明了一种隐形的布,这种布使用黄金纳米粒子来使物体周围的光重新分布,达到隐形的效果。

随着我们对纳米工程更加深入了解,纳米技术将对我们生产的东西有更多的影响。例如,我们正在拓宽纳米管的应用。纳米管和量子点一样,目前科学家正在深入探索它在医学方面的应用,不仅仅是在诊断和药物输送方面,而且还因为它们可以用作“纳米海绵”。纳米管在人体内会被很快地自然排出,因此,当用作纳米海绵时,它会附着血液中的毒素,将毒素带出体外。

类似地,研究人员也在探索纳米管清理溢油和净化水,纳米管与污染物结合,然后使用专门针对其纳米结构定制的过滤器进行去除。纳米技术未来的发展趋势将会包括:纳米机器人、纳米传感器、癌症研究、遗传疗法和医学、疏水材料、食品和农业等。

纳米技术的风险

纳米技术在我们的生活中有着广泛的应用,因此关于纳米技术的风险更加引起了我们的重视。问题之一是纳米粒子是否有毒,早期的一些研究已经证实了同一材料的纳米粒子比起更大的粒子确实存在一定的毒性——小鼠的某些器官受到纳米粒子的严重影响,某些水生生物接触到纳米粒子后,其后代骤减。如果纳米粒子对其他的动物有影响,那么它对人体也很可能有相似的影响。纳米粒子可以通过呼吸、摄入、皮肤吸收和药物注射的方式进入人体,一旦它们进入人体,它们就可以在人体内自由的转移,血脑屏障对一些纳米粒子来说,根本不是屏障。

纳米技术理论涉及一种称为自组装的过程,在这种过程中,分子被刺激,从而自发地形成某种结构,而不是通过强加力、堆叠、粘合使分子结合。这使我们不得不考虑如果自组装过程变得不可控制了,该怎么办?如果一个特定的碳结构继续无限地进行自组装,将所有可用的碳(包括你)转换成没有用且统一的物质块怎么办?

当然,对于以上的两点问题,我们目前并不需要太过担心。因为很大程度上,纳米技术是在人为可控制的情况下,重新生产自然界已经存在的一些元素。随着对纳米技术的深入研究,我们越了解这个系统,就越能学会更加安全地做事情,那些我们认为最危险的纳米粒子在未来可能变成最普通的纳米粒子。