无限小巨人:非凡的纳米技术正在改变世界

这本书的作者是彼得·福布斯和汤姆·格里姆斯。他们主要从材料、奇异现象、实际应用三个方面介绍纳米技术的发展。

(1)纳米材料

纳米技术的重要目标是开发新的纳米材料，包括三种有价值的碳纳米材料——富勒烯、碳纳米管和石墨烯。

富勒烯是一种由碳原子相互连接形成的纳米球。1985年，苏塞克斯大学的克洛索博士发现了一种由60个碳原子组成的分子。受到建筑师富勒一篇论文的启发，克洛索和他的同事们确定这些碳原子的结合形式是一个球体，并将其命名为“富勒烯”。富勒烯内部是一个空腔。有学者将氮原子塞入富勒烯的空穴中，新材料具有较高的电子自旋寿命，可用于制造高精度的导航设备。

1991年，日本研究人员饭岛诚男首先发现了碳纳米管。碳纳米管是纳米大小的空心管，管壁完全由碳原子组成，其机械强度非常高，可以达到钢的100倍以上。如果将碳纳米管制成悬索，可以拉伸到海平面5000公里，甚至可以用来制作太空电梯的缆绳。

2004年，曼彻斯特大学的Gaim教授和他的博士生Novoselos制备了一种碳“薄片”。在这个小薄片中，碳原子以六边形连接，它只有一个原子厚。这种材料就是“石墨烯”。

为了制备石墨烯，Gaim和Geim将一小块石墨粘在两个胶带之间，通过反复粘贴和撕扯，不断减少石墨的层数，直到获得单层石墨烯。目前，石墨烯是世界上最薄但最硬的纳米材料。它的强度是钢的200倍，导电性超过铜和银，几乎完全透明。石墨烯有很多潜在用途，比如制作快速DNA序列检测设备。

(2)奇怪的现象

在纳米尺度上会发生很多奇怪的现象，甚至对宏观世界产生影响，比如“结构色”、“自组装”。

与颜料色不同的是，结构色是特定的微结构对光的调控而形成的一种颜色。可见光的波长范围约为400至700纳米。当光线照射到相同尺度的结构面上时，会产生一些独特的偏转或散射，从而形成结构色。

结构色在生物中很常见。例如，蓝色大蝴蝶翅膀的蓝色是一种结构色。用先进的显微镜观察蓝蝴蝶的翅膀，我们会发现它的翅膀上覆盖着大量微小的瓦状结构，大小在纳米级别，它们周期性地分布在翅膀表面。当光线照射到这些微小的结构上时，会发生特定的折射和反射。如果人眼宏观观察，可以看到明亮的蓝色。

结构色的优点是环保，不易褪色。很多学者都在人工模仿和制作这样的色彩。例如，一些研究人员使用一种叫做弹性聚合物的材料来产生结构色。当这种材料被拉伸和弯曲时，其微观结构会发生变化，从而产生不同的颜色。用这种材料制成的衣服可以被拉伸以改变颜色。

“自组装”是指物质和系统可以自发形成有序结构，这也是一种可以在纳米尺度上发生的现象。

自组装是一种非常有前途的材料制造和器件加工方法。在芯片制造中，需要使用光刻机在晶圆上雕刻出纳米级的微结构。为了达到这种超高精度，一台光刻机的成本高达数亿美元。为了降低芯片制造成本，2019年，美国研究人员通过纳米分子在特殊化学环境下的自组装，获得了高度规则的纳米阵列。这项工作被认为颠覆了现有的芯片制造方法。

(3)实际应用

在实际应用中，纳米技术可以用来解决能源和健康领域的难题。

为了应对能源短缺，有学者提出可以通过纳米技术将空气变成燃料。例如，科学家试图开发“合成叶”来模拟植物的光合作用，并以空气和水为原料来制造可用作燃料的化合物。

对于“合成叶”，需要引入外部能量和催化剂。能量的形式可以是光能、电能等多种形式，来源比较广泛；催化剂的作用更为关键，需要提高反应速度。

目前最先进的研究思路是将催化剂的尺寸缩小到纳米级。在质量相同的情况下，粒径越小，可以暴露的表面积越多，也就意味着可以有更多的原子能参与反应。商用铂催化剂的粒径只有3纳米左右。来自中国科学院的研究团队通过纳米催化剂成功地将水和空气转化为甲醇燃料。

纳米技术在健康领域也可以发挥很大作用，比如利用纳米技术诱导细胞分化。

干细胞可以分化成不同种类的细胞，可用于治疗疾病和修复人体损伤。如何控制干细胞的分化方向一直是个难题。因此，有必要研究细胞与周围环境的相互作用机制。

生物学家英格伯认为，细胞受到的外力会影响它们的行为。他与纳米科学家怀特塞德(Whiteside)合作，在基底上制作不同大小的凸点，并将皮肤细胞移植到基底上生长。在十几微米的大凸点上，细胞受力均匀，生长正常；几百纳米的小凸点上，细胞受力集中，容易死亡。

这个想法被引入干细胞研究领域。一些研究人员创造了不同形状的纳米表面来放置干细胞。其中，星形的表面会使干细胞处于非常紧张的状态，这些干细胞容易分化为骨组织；干细胞在花形表面的受力相对松弛，它们容易变成脂肪细胞；还有一个大小为120 nm的凹面图案，可以使干细胞保持原始状态，不发生分化。

纳米技术的发展日新月异，从中诞生的新材料、新技术将像巨人移山填海一样改造我们的现实世界，让人类社会走向更加美好的未来。