納米的奇幻漂流

納米材料技術(shù)及應(yīng)用專家、國(guó)防科技大學(xué)常勝利教授為您講述

◎它那么微小，卻在全世界掀起軒然大波。

◎它那么年輕，卻放射出無數(shù)神奇光芒。

◎它那么簡(jiǎn)單，卻一路留下絕不簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)。

納米，一個(gè)今天人們耳熟能詳?shù)脑~；納米，一個(gè)曾經(jīng)讓人們不明就里的神話。

自“納米”一詞從科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中“蹦”出來，到為世人所知，經(jīng)歷了一個(gè)從默默無聞到大鳴大放、又重新遇冷的階段。

曾幾何時(shí)，納米頻現(xiàn)，大肆炒作，魚龍混雜，許多人一度對(duì)納米敬而遠(yuǎn)之。

正如電影《少年派的奇幻漂流》中，每個(gè)觀眾都有一個(gè)自己愿意相信的故事版本，對(duì)待納米的故事也一樣，科學(xué)家們有的一如既往熱情，有的自始至終冷靜。

他們熱情，是因?yàn)樗麄兛吹搅思{米的美好未來。至今，在納米尺度上編織想象、構(gòu)筑夢(mèng)想仍是很多科學(xué)家樂此不疲的工作。2013年7月，清華大學(xué)的魏飛教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功制備出世界上最長(zhǎng)的、單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管。這一世界性的突破，讓人類在地球和月球之間搭建一座“太空天梯”的夢(mèng)想又近了一步。

他們冷靜，是因?yàn)樗麄冞€對(duì)納米充滿太多未知。納米級(jí)顆粒如此微小，會(huì)不會(huì)成為健康殺手？通過納米材料操控生物基因，會(huì)不會(huì)制造出什么怪物？納米炸彈會(huì)不會(huì)帶來更大災(zāi)難？但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，通過對(duì)納米安全性進(jìn)行研究，人們有足夠的信心面對(duì)未來的威脅，使納米科技的發(fā)展最終能安全地造福于人類。

納米，從它誕生那天起，每一步都充滿奇幻。在從實(shí)驗(yàn)室到人間的漂流旅程中，作為科技領(lǐng)域名副其實(shí)的“少年派”，納米必須重視的一個(gè)客觀現(xiàn)實(shí)是，科學(xué)家對(duì)它的想象遠(yuǎn)遠(yuǎn)跑在成果前頭。

如今，納米科技已被公認(rèn)為是最重要、發(fā)展最快的前沿領(lǐng)域之一，它與信息技術(shù)、生物技術(shù)共同構(gòu)成了當(dāng)今世界高新技術(shù)的三大支柱。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類從微米層次深入到原子、分子級(jí)的納米層次，使人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個(gè)原子和分子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀世界的有效控制。

當(dāng)然，納米夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)，依然還有很長(zhǎng)的路要走。

度量底部，構(gòu)筑夢(mèng)想

納米，就像米、厘米、毫米一樣，是個(gè)長(zhǎng)度單位。納米究竟有多??？1納米是1米的10億分之一，只相當(dāng)于一根頭發(fā)的8萬分之一。

當(dāng)物質(zhì)的外形尺寸小到0.1納米至100納米的范圍之內(nèi)時(shí)，我們便來到了科學(xué)家眼中的微觀世界。

“如果有一天，人們可以按照自己的意愿來排列原子和分子，那么會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡？”1959年，費(fèi)曼在那篇題為《在底部還有很大空間》的演講中，充滿激情地問道。

這個(gè)發(fā)問，被公認(rèn)為是納米技術(shù)思想的起源。這位美國(guó)物理學(xué)家也許不會(huì)想到，多年以后的今天，以納米命名的實(shí)驗(yàn)室已遍地開花?？茖W(xué)家們也早已對(duì)“底部”世界的神奇見怪不怪——

把銅制成納米尺度的粉末再壓成塊狀，其導(dǎo)熱速度是原來的數(shù)倍；一些物質(zhì)制成厚度為納米尺度的超薄膜后，導(dǎo)電性能發(fā)生劇變……

研究這些現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)理的科學(xué)是納米科學(xué)，而在此基礎(chǔ)之上開發(fā)利用其性能的技術(shù)稱為納米技術(shù)。

當(dāng)然，在納米科技正式誕生之前，還有一段實(shí)驗(yàn)室的旅程要走——

1982年，科學(xué)家發(fā)明了研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡。這個(gè)顯微鏡的偉大之處在于，它不僅以極高的分辨率為我們揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，還為我們操縱原子、分子提供了有力工具。從此，人類進(jìn)入“底部”世界的大門打開了。20世紀(jì)80年代末到90年代初，基于掃描隧道顯微鏡的基本原理，誕生了原子力顯微鏡、磁力顯微鏡等一系列掃描探針顯微鏡，有力促進(jìn)了納米科技發(fā)展。

這之后，更多科學(xué)家開始在納米度量的“底部”世界構(gòu)筑夢(mèng)想。這其中，最不可思議的一幕，莫過于英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的實(shí)驗(yàn)——他們竟然用膠帶紙剝離出了“只有一層碳原子厚的碳薄片”！

這一幕意味著什么？只有一層碳原子厚的碳薄片，被公認(rèn)為目前已知的最薄、最堅(jiān)硬、傳導(dǎo)電子速度最快的新型材料，即石墨烯。這意味著將來的電子產(chǎn)品將會(huì)發(fā)生革命性變化。

幾年之后，兩位科學(xué)家憑著這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

衣食住行，無處不在

科學(xué)界的努力，正在使納米走出實(shí)驗(yàn)室，滲透到我們的衣食住行中——

用在紡織產(chǎn)品上，可以制作防水面料、自潔面料及抗菌織物；用在食品包裝上，可以有效提高包裝材料的抗菌性能與密封效果；用在建筑行業(yè)，房子可以改變形狀、自我修復(fù)；用在高層建筑的外墻，不僅能有效減少對(duì)塵土的吸附，通過雨水沖刷就可以完成建筑的清潔……

科學(xué)家在微觀尺度上編織的想象，正在讓納米科技看起來無所不能。

僅以汽車為例，從車身到車輪，納米材料幾乎能夠引起每一個(gè)部件的變革：納米材料可強(qiáng)化鋼板結(jié)構(gòu)，使車身外觀色澤更光亮，更耐蝕、耐磨；納米級(jí)的稀土材料能夠大大凈化汽車尾氣及車內(nèi)空氣；納米潤(rùn)滑油能夠填充金屬發(fā)動(dòng)機(jī)或者齒輪的表面微孔，最大限度地減少金屬表面摩擦，使機(jī)械壽命成倍增長(zhǎng)；引入納米電極的電池系統(tǒng)讓高效、低污染的電動(dòng)汽車成為現(xiàn)實(shí)。

越來越多的事實(shí)表明，納米技術(shù)還在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境污染治理、污染檢測(cè)、能源高效利用和可再生能源開發(fā)等領(lǐng)域“漂流”。

未來世界，人們或許可以用到幾秒鐘就能充滿電的手機(jī)，有納米機(jī)器人幫我們治病……

嶄露頭角，顛覆戰(zhàn)爭(zhēng)

當(dāng)納米遇到軍事，將會(huì)發(fā)生什么？

讓我們先來認(rèn)識(shí)一位“超級(jí)戰(zhàn)士”，他的超級(jí)之處在于身上的特殊軍裝：高度智能，具有通信、指揮、分析以及全天候火力瞄準(zhǔn)等功能；可以感應(yīng)空氣中生化指標(biāo)的變化，及時(shí)關(guān)閉透氣口，打開供氧系統(tǒng)，釋放生化武器解毒劑；具有隱身功能，可以感知周圍環(huán)境的顏色并做出相應(yīng)調(diào)整……

這不是科幻，嶄露頭角的納米材料正在讓這身“軍裝”成為現(xiàn)實(shí)。

事實(shí)上，一些戰(zhàn)機(jī)先于戰(zhàn)士穿上了特殊外衣。隱身涂料是迄今在軍事方面應(yīng)用最成功的納米材料。美軍已把它涂在戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的表面。

隨著納米科技的迅猛發(fā)展，利用納米科技開發(fā)的微型武器將成為可能，如“納米衛(wèi)星”“袖珍飛機(jī)”等，將在未來戰(zhàn)場(chǎng)上大顯神通。

有專家指出：“納米技術(shù)將決定21世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)的面貌和進(jìn)程?！边@一論斷逐漸成為人們的共識(shí)。早在2000年，美國(guó)就發(fā)布了第一個(gè)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃在第一年就得到了4.64億美元撥款，此后年度預(yù)算穩(wěn)步擴(kuò)大，在2013年的預(yù)算中，這一數(shù)字提高到了18億美元。

“哪個(gè)國(guó)家率先掌握了納米技術(shù)，就一定會(huì)在下世紀(jì)的世界技術(shù)領(lǐng)域里占據(jù)主導(dǎo)地位?！闭缑绹?guó)“氫彈之父”愛德華·泰勒預(yù)言的那樣，納米這個(gè)微觀尺度注定將成為大國(guó)實(shí)力的標(biāo)刻。

顯然，愛德華并不孤單。他的知音至少有3位——

諾貝爾獎(jiǎng)得主羅勒：“未來的技術(shù)將屬于那些以納米為精度標(biāo)準(zhǔn)，并首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家?！?/p>

IBM首席科學(xué)家阿姆斯特朗：“納米科技將成為21世紀(jì)信息時(shí)代的核心?！?/p>

中國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森：“納米將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?/p>