納米粒子與我們的生活

把東西變得極小，無所謂好壞；關鍵在于，這些小東西有什么用途，使用它們是否安全。

登月電梯

納米是長度單位，1納米即10億分之一米，相當于4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小。所謂納米粒子，是指至少一個維度的尺寸小于100納米的顆粒。科學家告訴我們：無論什么東西，一旦微縮到100納米以內(nèi)，就會呈現(xiàn)全新的特性，世間萬物皆如此。最典型的是碳納米管，它是由普通石墨中的一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”；它的內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。它很輕，但很結實；它的密度只是鋼的六分之一，但強度卻是鋼的100倍。用這樣既輕柔又結實的材料做防彈背心，是最好不過了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量拉斷的繩索。如果更進一步用它做成從地球直通月球的電梯，地球人登月賞景就很容易了。

大塊物質(zhì)的物理性質(zhì)通常與大小無關，但在納米尺寸上卻往往并非如此，一些和尺寸相關的物理性質(zhì)就會呈現(xiàn)出來。這是為什么呢？一個普通的保齡球，它的絕大多數(shù)原子都在球內(nèi)，只有有限的原子在與空氣和木質(zhì)球道接觸的球表面上。這意味著，在球內(nèi)是相同原子互相之間發(fā)生作用，而位于球表面的原子，則是在與其他不同的原子相互作用。當球體較大時，位于球表面的原子數(shù)量相對于球內(nèi)的原子數(shù)而言是微不足道的。現(xiàn)在，用我們的想象把這個保齡球逐漸縮小到分子大小；縮得越小，球面與球內(nèi)原子的數(shù)量比率就越高；到了納米尺寸，構成球的很可能幾乎都是位于表面的原子，這些原子就會對球的總體特性產(chǎn)生重大影響。

導電墨水

銀納米粒子的尺寸在1納米到100納米之間。由于它的光學及電磁特性與它的大小有特別的關系，銀納米粒子很早就得到了廣泛的應用。最近，美國的研究人員用銀納米粒子制造出了導電墨水。他們讓銀納米粒子懸浮在纖維素溶液中，以便能夠從筆芯里流出來。用這種墨水畫出的線條就成了導電性能極佳而且極細的銀絲，不僅足以為利用發(fā)光二極管的顯示裝置供電，而且還能制作出更易彎曲和伸展的、跨度較大的微電極，實現(xiàn)信號從一個電路元件到另一個電路元件的傳遞。這種微電極能經(jīng)受住反復的彎曲和伸展，而自身性能卻基本不會發(fā)生改變。這種新型的導電墨水還能用于3D打印，實現(xiàn)用最微弱的接觸壓力將精細的銀線與精巧的裝置相連接。

對付癌癥

醫(yī)生們早就知道，隨著癌細胞的增長，細胞內(nèi)的基因和蛋白質(zhì)會發(fā)生變化。這個過程會釋放出可探測到的揮發(fā)性有機化合物。這就是為什么經(jīng)過訓練的狗可以“嗅”出人體內(nèi)惡性腫瘤的道理。事實上，納米粒子也能“聞”出癌癥來。兩年前，以色列研究人員發(fā)明了一種金納米粒子傳感器，它不僅能判斷一個人是否患了癌癥，而且能分清是肺癌、乳腺癌、前列腺癌還是結腸癌。從中受益的不僅僅是癌癥患者，因為它還能確定住院病人是否受到了感染。

對于晚期癌癥患者，納米粒子也一樣能夠大顯神威。美國的研究人員先對患有前列腺癌的狗進行CT掃描，確定其體內(nèi)腫瘤的位置、大小；然后，給它注射了一種含有放射性金納米粒子的紫色液體。經(jīng)臨床檢測，用金納米粒子進行治療是安全的，狗沒有發(fā)生腫脹、中毒，其腎臟和骨髓也沒有變化。雖然，用放射性粒子對付腫瘤并不是什么新思想，但使用金納米粒子的主意卻是全新的。

功與過

幾乎每個星期，科學家都會宣布在利用納米粒子向細胞內(nèi)輸送基因、藥物或化學信使方面取得的新突破。不同形狀和化學成分的納米粒子可以根據(jù)醫(yī)生的選擇來追蹤、瞄準特定細胞并完成各種任務。動物試驗表明，納米粒子的形狀能大大影響它實施基因治療的效果。

人們在夏天使用的防曬霜中含有二氧化鈦和氧化鋅兩種納米粒子，它們具有很強的反射性，能防止有害的太陽輻射直射皮膚。除了防曬，納米涂層還能使紙張防水、使服飾防污，甚至還能使各種表面防火、防塵。

納米技術最有爭議、大概也最鮮為人知的，是對農(nóng)作物的影響。納米粒子可用于殺蟲劑和肥料，但有研究表明，它們也有可能給莊稼帶來災難性的后果。例如，對大豆的研究表明，氧化鋅會在植物組織里累積，以至于植物的根和根瘤能吸收和儲存高度濃縮的納米粒子。造成的后果是，即使在施氮水平很高的情況下，植物仍無法固氮，而這對大豆來說是致命的。

不是“永動機”

納米器件具有功耗小、反應靈敏等大尺寸器件所不具有的優(yōu)勢。在層出不窮的納米器件中，最引人注目的是具有高電壓輸出的納米發(fā)電機和自驅(qū)動納米器件。

納米發(fā)電機可以收集各種廢棄的能量，例如，人體的活動、肌肉的收縮、血液的流動、聲波和超聲波等等，并將這些能量轉化為電能。目前，由美國科學家發(fā)明的氧化鋅納米發(fā)電機，可輸出迄今為止最高的電壓——2.4伏特。你可別小看了這不起眼的2.4伏特，它雖然不可能驅(qū)動一座城市，但已經(jīng)足以為你的手機和其他手持電子設備充電了。

提高納米發(fā)電機的輸出電壓和功率的最終目標，是實現(xiàn)納米器件的自驅(qū)動化；也就是說，你不需要像使用家用電器那樣，專門為納米器件配備外接電源或電池；它們會自動尋找和收集各種廢棄的能量，并將它們轉化為電能，來滿足自己的需要。曾有中學生問，能實現(xiàn)自驅(qū)動化的納米器件不就是一臺小小的“永動機”嗎？你認為呢？聰明的你能說說為什么嗎？

納米機器人

在納米生物學中，對老百姓生活最具影響力的是納米機器人。已經(jīng)問世的第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療；還可用來進行人體器官的修復及整容手術；甚至能從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行。科學家正在研制的第二代納米機器人，是直接用原子或分子裝配而成的具有特定功能的納米尺度的分子裝置。未來的第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以與人對話的裝置。

用不了多久，個頭只有分子大小的納米機器人將源源不斷地進入人們的日常生活。它們將直接利用分子甚至單個原子為人類提供各種食物，制造貨真價實的鉆石，甚至筑路、建房、造艦艇；為了及時完成各種復雜的任務，它們還能復制出更多的納米機器人；要它們停止工作只需啟動事先設定的程序。這并非天方夜譚，而是在本世紀中葉前后就可以實現(xiàn)的目標。

納米飛船

曾經(jīng)到過月球的人類，計劃在本世紀20年代登陸火星。似乎每個地球人都相信，這是有可能實現(xiàn)的。但人類如果想親自拜訪太陽系外的任一恒星系，則幾乎是不可能的。因為離我們最近的一顆恒星，距離地球約4.2光年。這意味著從地球發(fā)射的一束光，需要經(jīng)過4.2年時間的長途跋涉才能到達那里。如果宇宙飛船的速度不能達到光速，那么，在一個人的有生之年拜訪另一顆恒星的目標，肯定是不可能實現(xiàn)的。以目前已經(jīng)飛離太陽系的“旅行者”號探測器為例，它的飛行速度大約是每小時64000千米，僅相當于光速的0.00006%。試想一下，以這樣的速度飛到那顆最近的恒星得多少年？

但是，好奇的人類不會因此而放棄對星際空間的探索。一個可行的辦法，是利用飛行速度可以達到接近光速的微型飛船。正如你所知道的，在大型強子對撞機中，質(zhì)子的速度之所以能達到接近光速，一是由于質(zhì)子非常小非常輕，二是由于對它們不斷加速。根據(jù)同樣的道理，科學家正在研制利用納米粒子作為燃料的推進器，并把它們直接雕刻在極薄的硅片上。這種擁有好幾萬個加速器的推進器，面積小于一張普通的郵票，可以將它“粘貼”在縫衣針大小的微型飛船上，所以人們又稱這種微型飛船為納米飛船。由于太空中沒有摩擦力，攜帶微型探測儀器的納米飛船經(jīng)過一次加速，就可以在數(shù)年的時間里持續(xù)加速，最終達到接近光速的速度，飛往其他恒星。但至少在目前，這種納米粒子推進器在距離地球更近的地方有著更多的實際應用。