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纳米是非常小的长度单位,只有“十亿分之一米”,相当于人类头发丝直径的万分之一。日常生活中的很多物品、商品早就带上了“纳米”二字。不过,从“纳米能量杯到“纳米内裤,从手机的7nm芯片到科幻电影中的“纳米战甲,再到现实世界的纳米机器人,到底哪些才真正蕴含着纳米科技?
未来,纳米机器人能进入体内给我们治病吗?几纳米的芯片能装下些什么?纳米战甲只是科幻编剧的万能道具吗?纳米这么“小”,怎么有那么多作用?一个长度单位又为何能成为一门学问?
中国之声、央视频携手中国科协青少年科技中心,推出全媒体科普栏目——大师课堂《科学家讲科学》。20位院士名家畅谈热点事件,为公众科普答疑。本期中国科学院院士、国家纳米科学中心主任赵宇亮与您一同进入神奇的纳米世界。
是时候展示真正的纳米技术了!
20世纪80年代,人类通过扫描隧道显微镜,第一次正式开启了对纳米尺度世界的科学观测与研究。
它有多小?1纳米是10的-9次方米。如果把直径为1纳米的小球放在乒乓球上,差不多就相当于是把一个乒乓球放在了地球上。
纳米技术研究的尺寸对象一般在1纳米到100纳米之间,“但在具体的研究中也不局限在这个尺度范围,主要看纳米尺度结构或纳米物质是否出现新奇的物理特性、化学特性、生物学特性或医学功能等。”赵宇亮解释说。
纳米世界能有什么新奇呢?
一些金属氧化物通常情况下没有磁性,但在20纳米尺度以下就会表现出顺磁性。金的熔点约为1064℃,但到了1~2纳米,在室温就会熔化。微粒的尺度不一样,性能会天差地别,这就是纳米尺寸效应。
赵宇亮表示,物质世界从无功能到有功能的过渡临界发生在纳米尺度,同时,生命世界从非生命到有生命的过渡临界也发生在纳米尺度,“所以要调控物质世界。比如获取物质的新功能,从调控纳米尺度上的结构入手最有效,因为导致物质宏观功能的源头在这里。”
目前,全世界有60多个国家专门成立了国家层面的纳米研究计划,我国也不例外。我国纳米科技研究起源于20世纪80年代后期。赵宇亮认为:“目前,在纳米科技的基础研究和应用基础研究领域,中国是全球最活跃也是最有影响力的国家之一。
从“纳米内裤到“纳米战甲,纳米到底能干什么?
有人可能觉得,纳米有什么稀奇的,自己早就穿上了“纳米内裤,垫上了“纳米鞋垫。曾经,一些不良商家想蹭“纳米”热度,将其作为营销噱头,出现了很多名字带“纳米”二字,却和纳米毫无关系的商品,甚至有消费者因此认为纳米科技就是骗局。
赵宇亮指出,大约二十年前,出现了五花八门的纳米产品,但是其实那时纳米技术尚未大规模应用。如今,纳米技术真的已经应用到很多方面、很多产品中,“纳米”二字反倒不再被用来标榜自己。
在一部已经快成了“人体新器官”的智能手机中,有一百多个零部件都是纳米技术和纳米材料的产品。手机里面的计算芯片是用人类迄今最为精细的微纳加工技术制造出来的。因此,5nm芯片每平方毫米的面积上就装有大约1.5亿个左右的晶体管,2nm芯片的晶体管密度大约是5nm芯片的2倍。一颗比人类指甲稍大的芯片里面装有上百亿个晶体管,比地球人口数量还多。
“当它大规模使用的时候,人们可能就不再拿它做噱头”,赵宇亮相信,纳米技术一定会改善,也正在改变我们的生活,尤其是当人类跨入智能社会,纳米技术应该是无处不在的。
不掌握纳米技术却熟练运用纳米概念的还有一些科幻电影编剧。他们笔下的纳米战甲能在需要时迅速释放覆盖全身,必要时也可在局部集中形成“盾牌”“铁锤”。这个万能道具能成真吗?
对此,赵宇亮认为,科幻有一定科学依据但不是科学,它给人类带来天马行空的想法,能够成为技术变革的推动力之一。“在某种意义上来看,它有一定道理,比如我们现在做的随时间变化的材料。”但是,从科幻到现实科技还需要有很多基础的研究和技术的开发。
纳米机器人能治病?
纳米科技在原子、分子尺度上研究物质的特性和相互作用,对物质进行精确加工和原子制造,能够对生命健康和疾病过程进行精准调控。
到目前为止,疾病的诊断和治疗是建立在分子间反应基础上的,人们吃的药物叫分子药物。而纳米药物则是单一分子聚集到一起形成一个颗粒,也可以叫颗粒药物。这个颗粒有一个表面,可以在表面装上很多不同的药物,然后可以控制它,让其一层一层地往外释放。
而把纳米颗粒作为治疗药物的载体,则可以让它在人体内输送药物,而且是像快递员一样定点递送。
除了精准送药的“快递员”,未来,纳米机器人也可能进入人体,来给人们看病。它是能对纳米空间进行操作的“功能分子器件”集合形成的系统。这个“机器人”和通常的机器人形象有着很大差别。一根纳米棒、纳米管就可以是一个纳米机器人。
未来,人们有望利用自组装纳米机器人通过血管直达病灶,进行疾病治疗以及自我修复,比如消除体内的肿瘤细胞,进行微创手术等。
看不见的纳米世界安全吗?
纳米这么小,肉眼无法察觉,进入人体内安全吗?
其实纳米颗粒物并不只是如今纳米技术的产物,汽车尾气、燃烧过程等都会产生大量纳米粒子。赵宇亮介绍,据估算,在大街上行走的人每小时通过呼吸空气吸进的纳米粒子大约有1亿个。
有关纳米材料的生物效应与毒性的研究数据目前还很少。初步的实验证据提示,即使化学成分相同的物质,它的微米颗粒与纳米颗粒也可能具有不同的生物效应,这些生物效应可能有益也可能有害,大量未知问题仍需研究。比如,研究人员发现,纳米颗粒进入人体后,人体内的蛋白会自动将其包裹起来,因此,它不会被身体当做外来异物,具有了隐身效应。“会不会产生长期的毒性?这个事情现在正在研究,目前还没有定论。”赵宇亮介绍。
纳米机器人会不会在我们的身体中“失联”,从而对人体产生副作用或刺激性伤害?目前研究人员倾向于用身体内部的材料来制作纳米机器人,这样便能够被人体分解掉,可能不会产生太大的负面效应。
不过,赵宇亮也坦言,目前相关研究时间较短,知识积累和技术积累还不是很多。“至少现在还不好说将来它会怎么样。但有一点是肯定的,如果要将其用到临床或人体内,相关问题肯定要做系统研究,有系统方法。”有关纳米材料的安全性,现在已形成“纳米毒理学”,很多科学家在研究怎样能够安全使用纳米材料。
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本文来源:中央广电总台中国之声(ID:zgzs001)

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