科普｜《无穷小的巨人》：非凡的纳米科技正在改造世界

非凡的纳米科技正在改造世界。

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精华笔记 

纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，纳米科技研究的正是纳米尺度的物质和现象。

本书的作者是彼得·福布斯和汤姆·格里姆塞，他们主要从物质材料、奇特现象、实际应用三方面介绍了纳米科技的发展。

（1）纳米材料

纳米科技的重要目标是开发新型纳米材料，这其中就包括三类极具价值的碳纳米材料——富勒烯、碳纳米管和石墨烯。

富勒烯是碳原子相互连接形成的一种纳米小球。1985年，萨塞克斯大学克罗托博士发现了一种由60个碳原子组成的分子。在建筑家富勒一篇论文的启发下，克罗托和同事们确定了这些碳原子的组合形态是一个球体，并将其命名为“富勒烯”。富勒烯的内部是一个空腔，有学者将氮原子塞进富勒烯空腔，所形成的新材料具有很高的电子自旋寿命，可以用来制造精度极高的导航装置。

1991年，日本研究者饭岛澄男首先发现了碳纳米管。碳纳米管是一种纳米级的空心管子，管壁完全由碳原子组成的，其力学强度很高，可达钢的100倍以上。如果将碳纳米管做成悬索，那么它可以在海平面上被拉长到5000千米，它甚至还能用来制成太空电梯的缆绳。

2004年，曼彻斯特大学的盖姆教授和他的博士生诺沃肖洛夫制备了一种碳的“小薄片”。这种小薄片中，碳原子们以六边形的形状连接在一起，而且它只有一个原子的厚度，这种材料就是“石墨烯”。

为了制备出石墨烯，盖姆二人把一小片石墨粘在两条胶带之间，通过反复的黏贴、撕扯，把石墨的层数不断降低，直到获得单层的石墨烯。目前，石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它的强度是钢的200倍，导电性超过铜银，且几乎是完全透明的。石墨烯的潜在用途有很多，比如用来制造快速DNA序列测试设备。

（2）奇特现象

在纳米尺度会发生很多奇特现象，甚至能对宏观世界产生影响，比如“结构色”和“自组装”。

不同于色素色，结构色是依靠特定微观结构对光线的调控而形成的一类颜色。可见光的波长范围大约在400到700纳米。当光线照射到同样尺度的结构表面时，就会产生一些独特的偏折或散射，从而形成结构色。

结构色在生物中十分常见，比如大蓝闪蝶翅膀的蓝色就是一种结构色。用先进的显微镜观察大蓝闪蝶的翅膀，会发现其上布满了大量细小的瓦片状结构，这些微小结构的尺寸正是在纳米级别的，而且它们是周期性地分布在翅膀表面。当光线照射到这些微小结构上时，就会发生特定的折射和反射。如果人眼从宏观观察，就能看到鲜明的蓝色。

结构色的优点是环保且不容易褪色。很多学者都在人工模仿并制造这类颜色。比如，有研究者用一类叫做弹性聚合物的材料来产生结构色。这种材料在拉伸弯折时，会发生微观结构变化，从而产生不同的颜色。用这种材料制成的衣服，可以通过拉伸来改变色彩。

“自组装”是指物质和系统可以自发地形成有序结构，这也是一种纳米尺度可以发生的现象。

对于材料制造和器件加工来说，“自组装”是一种十分有前景的方法。在芯片制造中，需要光刻机在晶圆上雕刻出纳米级的微小结构。为了实现这种超高精度，一台光刻机的成本高达上亿美元。为了降低芯片制造成本，2019年，美国的研究者通过纳米分子的自组装现象，在特殊的化学环境中，得到排列高度规律的纳米阵列。这项工作被认为可以颠覆现有的芯片制造方式。

（3）实际应用

在实际应用中，纳米科技可以用来解决能源、健康等领域的难题。

为应对能源短缺，有学者提出可以通过纳米技术将空气变成燃料。比如，科学家们尝试研发“合成树叶”以模拟植物的光合作用，以空气和水为原料，来制造可以用做燃料的化合物。

对于“合成树叶”来说，需引入外部能量和催化剂。能源的形式可以是光能、电能等形式，来源比较广泛；而催化剂的作用更为关键，需要其来提升反应发生的速度。

当前，最前沿的研究思路是把催化剂的尺寸减小到纳米级别。在相同的质量下，尺寸越小的颗粒，就能暴露出更多表面积，也就意味着能让更多的原子能参与到反应之中，商用铂催化剂的颗粒尺寸只有3纳米左右。来自中国科学院的研究团队，就成功通过纳米催化剂将水和空气转变为甲醇燃料。

纳米科技在健康领域也能大展拳脚，比如使用纳米技术来诱导干细胞分化。

干细胞可以分化为不同种类细胞，用来进行疾病治疗和人体损伤修复。而如何控制干细胞的分化方向一直是难题。为此，需要研究细胞与周围环境的作用机理。

生物学家因格贝尔认为细胞受到的外力会影响其行为。他与纳米学家怀特塞德合作，在基板上做出不同尺寸的凸起，并把皮肤细胞移植到基板上进行生长。在十几微米的大凸起上，细胞受力比较均匀，生长比较正常；在几百纳米的小凸起上，细胞受力比较集中，容易死亡。

这一思路被引入干细胞研究领域。有研究者创造出不同形状的纳米表面来放置干细胞。其中，星形表面会让干细胞处于较大拉力的状态，这些干细胞易分化成为骨组织；花朵形表面的干细胞受力状况比较放松，它们倾向于变成脂肪细胞；还有一种120纳米尺寸的凹陷图案，可以让干细胞保持在原始状态不发生分化。

纳米科技的发展日新月异，从中诞生的新材料与新技术，将如同巨人移山填海一般，改造我们的现实世界，让人类社会走向更美好的未来。

书名：《无穷小的巨人》

作者：彼得·福布斯，汤姆·格里姆塞

主讲人：圆的方块

主讲人简介：理工科博士，科普作家

主播：刘波林

策划编辑：陈聪明

总编辑：左宓