纳米：神奇的未来材料

第7版(国际)
专栏：科技大观

纳米：神奇的未来材料
刘爱成
　　进入21世纪，世界纳米技术迅速发展，给信息、医疗、自动化、能源等领域以及人类生活带来许多新的变化。最近，记者访问了在纳米技术研究方面处于领先地位的美国伯克利大学的纳米研究部门，华裔科学家崔屹先生向记者介绍了目前科学界在纳米研究方面的进展情况。
　　崔屹早在哈佛大学攻读博士学位时就从事纳米研究，并曾获得美国材料研究会博士金奖及纳米研究杰出博士奖。谈及纳米研究方面的情况，他滔滔不绝，如数家珍。为了使记者有感性认识，在实验室里，他打开电脑进行解说。显示屏上出现犹如米粒大小的颗粒，有三粒“米”组成的三脚型“米粒”（像电子三极管的腿），也有“米粒”串连在一起组成的线状或管状物体。崔博士说，这是硒化镉的纳米颗粒，它们是通过电子显微镜拍摄、放大许多倍才在电脑上显示出来，人的肉眼是根本看不见的。纳米是一种长度单位，1纳米是1米的十亿分之一。20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。而纳米技术则是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。在众多的材料和物体中，纳米大小的颗粒可以通过化学合成呈现不同的型貌，有球型的，有三角型、六角型等多棱型。组合成棒状和线状的，我们称它为纳米棒或纳米线；成为带状的，我们称之为纳米带；成为空心的，我们称为纳米管。
　　世界各国都对纳米技术进行研究。目前科学家们对小于100个纳米尺寸的材料和物质，包括金属、半导体、陶瓷材料以及生物、DNA蛋白质等物质的分析、研发直至应用都非常感兴趣。涉及的范围包括电子、光学、力学、化学反应和热学等多种科学。
　　纳米材料的特殊结构决定了它的特殊性能，它可以产生四大效应：即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。
　　比如，在力学方面，纳米材料具有奇特韧性，在180摄氏度经受弯曲不断裂，而且拉力非常强。如果我们把纳米管连接在一起，成为一根坚韧的线，其力度足以能牵着天上的卫星走。
　　在热学方面，纳米材料的熔化功能特别强，比如，一块金子，在1000摄氏度的高温下才能融化，但如果把它变成纳米颗粒粉末进行融化，500摄氏度就可以了。同样，利用纳米技术，可以使一些材料在80摄氏度至180摄氏度温度下，塑性大大提高，可以使陶瓷变得像金属一样柔韧、结实，而且容易加工。
　　目前，纳米技术在世界上的研究进展和主攻方向是什么？崔博士说，总体看来，很多国家都非常重视这一领域的研究，在进度上还是美国领先。从目前美国的研究情况来看，重点是在信息技术和生物工程两大领域。
　　在信息技术方面，纳米分子的结构在半导体和硅材料上有充分体现。纳米技术在这些材料上的优势在于它不仅体积小，而且电子传输速度快。因此，美国的纳米技术科研人员正在加紧研究，要把纳米尺寸的半导体材料做成晶体管，从而让一块芯片上容纳更多的晶体管，其结果是尺寸比原来的要小100倍，而运算速度比传统芯片提高100倍以上。
　　在光学方面，科学家们正在进行研究，用纳米技术改变某些半导体材料的尺寸和结构，从而大大提高显示器的清晰度和颜色逼真程度。
　　对于运用在生物工程方面的纳米技术研究，目前有两个方面进展比较快：一是利用纳米技术跟踪生物体内活动。比如，纳米颗粒比人体细胞颗粒要小得多，而且具有发光功能，科学家们把这种纳米颗粒送进人的肉体、器官内，然后从人体外部向内照射光，纳米颗粒在体内也会发光，这样就可以跟踪了解人体细胞的变化情况，从而达到追踪病毒等效果。目前科学家们对跟踪查找艾滋病病毒、癌细胞等在人体内活动的研究取得了不少新进展。在这项研究中，科学家们还有趣地发现，癌细胞还特别喜欢吃纳米颗粒。
　　另一方面是利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。医学界主要是利用纳米技术对癌症的诊断进行研究，并取得了成果。
　　医科专家已经在实验室环境下实现了用纳米技术对前列腺癌、直肠癌等多种癌症类型的早期诊断。具体做法是，将人的血液，哪怕是很少的一小滴血，放在一块用纳米技术做成的检测板或仪器上，当仪器的传感器中预置的某种癌细胞抗体遇到相应的抗原时，传感器中的电流会发生变化，通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。这种纳米技术检测器也可以用来在人的皮肤外表进行检测，检测器可以做成甚至比手表还要小的仪器，使用会非常方便。而且，今后还可能会将多种纳米传感器集成在一起，植入人体，用于检测各种早期疾病。