名词解释

　　什么是纳米？

　　纳米是尺度单位。尽管苹果最新一代的iPod以Nano(纳米的英文名nanometer的缩写)命名，但其实轻薄的iPod Nano在体积上远远没有达到真正的纳米尺度。如果要换算尺度单位，1纳米=0.001微米=0.000001毫米=0.0000001厘米=0.00000001分米=0.000000001米。一根普通头发的直径约等于8万纳米；一个五号字体下的逗号，在纸上的跨度大约是50万纳米。

　　要观察如此微小的尺度，人类必须借助电子显微镜的帮助。电子显微镜的观察精度有多厉害？根据计算机世界网的资料，由IBM与尼康研发的最新电子显微镜可以看到比氢原子(自然界体积最小的原子)还要小的微粒。

　　能想象吗？像“银河”那样的巨型计算机小到可以被随手放进口袋，而国家图书馆的全部信息，都可以压缩到一块糖大小的设备中，易碎的陶瓷变得富有韧性，微米以下大小的机器人可以啃噬任何难以分解的垃圾……这一切都有可能通过纳米技术来实现。

　　再试想一下，一条由无比微小(小得也许不在肉眼可见的范围内)的纳米微粒组成的“电梯”，将从地球直通外太空的宇宙空间站。从燃料到食物，这条电梯能包揽运输任务，无须再以发射太空船为空间站提供补给。这种大胆的设想正在NASA(美国国家航空航天局)与包括中国在内的各国航空科技圈子中流传。除了神奇，很难用别的形容词来描述纳米带来的改变将何等惊人。

　　爱因斯坦曾预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”借助高分辨率的仪器洞察微观世界的秘密正在越来越成为科学家们的热门领域。有科学家预言，在不久的未来，我们一直相信的众多常识，比如衣服一定会脏，都将被纳米技术掀起的一场尺度革命所打破。

　　而从在国际上刊发的论文数量和相关申请的专利数看，中国在纳米方面的研究已经成为仅次于美日德三国的第四个大国。在这场关于纳米的创新和变革中，中国的前景无比广阔。

　　纳米 科技尺度革命席卷华夏

　　号称中国纳米第一人的白春礼院士曾经说过一个笑话：一名记者为采访一个关于纳米的专题，询问一位妇人是否听说过“纳米”这个词。那位妇人很自信地表示，那应该是指一种特殊的“米”。“这证明了纳米的概念有多热门。”白春礼事后幽默地这样评价。

　　纳米技术将被广泛应用

　　对于纳米的这种肉眼不可见尺度的不寻常热度，似乎与中国人性格中那种信奉实用、眼见为实的性格背道而驰——与热衷于讨论彼世的印度人相比，中国人往往冷待形而上的东西。而这似乎也能说明，纳米对生活可能造成的革命性冲击已经在一定程度上被国人所感知。

　　“我的孩子特别喜欢看好莱坞的科幻电影。”中山大学纳米技术研究中心的杨国伟教授说，“我记得有一次陪她看一部描写纳米机器人的影片，电影中描述的几个细节非常形象，那就是未来的纳米世界。影片中的纳米机器人可以被放在某种溶液里作为催化剂或分解剂，比如要分解废气钢材，无论多么厚的钢板，只要滴一滴含有无数纳米机器人的溶液，顷刻间就能看到钢板被蚀穿。”杨国伟解释称，溶液中小得无法看见的这些元件，就像小型的机构机器人，不断地与钢板发生反应。

　　纳米机器人还可指根据分子水平的生物学原理，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。这些功能分子器件，能对人体的病变部分进行诊断和针对性很强的治疗——当这些功能分子器件在人体中漫游时，它们一旦碰上有问题的细胞，就会与之发生反应。是的，我们在说的是细胞，而不是身体组织。如果这种设想实现，现今的癌症治疗方式将被彻底颠覆——再也不用担心化疗会杀死身体的好细胞，纳米机器人将瞄准癌细胞攻击啃噬，健康细胞则统统高枕无忧。

　　除了在医疗上的应用，根据杨国伟的介绍，纳米技术的影响将波及一切，几乎覆盖了所有人类日常生活应用领域。从建筑材料、衣服领带的新面料，到微电子元件、光电设备元件，再到废弃物分解，纳米的应用可能无所不包。

　　纳米材料具有特异性

　　以上种种看似异想天开的构想，其实是以纳米尺度下众多材料展现出的特殊性质为基础的。而对这种纳米尺度下微粒特性的应用，其实已有至少20多年的历史，而并非一夜春风来，万树梨花开。有研究纳米材料的学者对本报记者表示，立邦漆就是最早应用纳米颗粒的产品之一，而国内外不少化妆品亦运用了相关技术，以改善化妆品微粒被人体皮肤吸收的效率。

　　杨国伟表示，在纳米这个概念正式出现于商业产品之前，这些产品均把这种纳米尺度的微粒称为超细微粒。“但是，我认为这些达到纳米尺度的微粒，还不能成为真正的纳米材料，因为他们只是纯粹在尺度上缩小而已，并没有改变已有材料的物理化学特性，也就是说，没有产生新的特性。”的确，并非所有材料在纳米化以后都会产生用途巨大的性质改变，但其中有一部分如此就已经可以造就一大批奇异的新材料，而这部分物质在纳米水平上可以产生魔术般的反应。正如美国国家地理杂志曾经撰文描述的那样，“纳米技术之所以重要，是因为寻常的材料会在纳米尺度上产生奇妙的特性，就像你在不断地缩小一只猫，当它被缩小到一定程度时，突然之间就变成了一条狗。”

　　而对于尺度缩小虽不能改变特性，但有利于改良材料本身的变化，杨国伟教授解释称，这些单纯达到纳米尺度的材料，其原有的物理化学性质会比尺度更大的材料明显，因而是一种更好的材料。“如运用了均匀纳米粒子的油漆，其光亮的色泽能维持得更持久，也不易附着灰尘和污物。但如果运用了带有全新特性的物理材料，那我们可以进一步要求油漆能自动调节室温，同时吸收异味等等。”

　　为了获得有全新特性的纳米材料，就必须在实验室里培育种种具有新奇结构的纳米材料，再探究这些结构是否具备一般材料不具有的特性。在中山大学纳米技术研究中心的电脑上，本报记者看到了由电子显微镜拍摄的各式纳米结构图片，它们有的“长”得像青草或者蜂巢，有的甚至像针管般有着惟妙惟肖的针头。和众多纳米科学家一样，杨国伟教授对这些纳米结构情有独钟，透过电子显微镜看到千姿百态的纳米形态是日常研究工作中的极大乐趣。

　　“这就是一种很有趣的纳米结构，”杨国伟指着一种看起来像管道，有着怪异的中空结构的纳米材料图片说，“这样的结构是前所未见的，因为以往的材料都是实心的。”据悉，这就是目前在纳米科学界中热度最高的研究对象之一——碳纳米管。

    技术应用难题有待攻克

    碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能。与众多拥有前所未见的特殊结构的纳米材料一样，碳纳米管的用途很大。 
 
    用这样轻而柔软、但又非常结实的材料做防弹背心是最好不过了；而如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不会被自身重量所拉断的绳索。本文开头提到的纳米通天电梯也是科学家们由此产生的设想。

　　但究竟如何才能大规模地生成碳纳米管，再派上用场，至今成谜。按照杨国伟的说法，这就是目前国内在纳米应用研究上必须面对的难题之一。“你每找到一样新东西，就有更多的问题有待解答。”其中，纳米通天电梯之所以仍然停留在设想阶段，就与此有关。据了解，要建造纳米通天电梯，就必须大量制造纳米导管，也就是碳纳米管，但这种材料仍难以在实验室内大量制造。“目前我们能做到的，只是在实验室里抽取一根碳纳米管，然后用一个圆珠笔尖般细小的‘纺锤’，‘纺织’出一小团碳纳米管线。”杨国伟说。“而这根纺出来的线，远远不够从地表到外太空的长度。”

　　此外，还有高昂的制造成本。与纳米科学所需的较低的研究经费相反，纳米技术研究需要巨额资金投入。但在我国，目前仍缺乏针对纳米研究而投放的风险投资。“中国企业往往倾向于使用低风险的成熟技术。”有纳米科学家这样表态。

　　而白春礼则对纳米的不当商业炒作感到忧虑。“正当中国与许多国家一道发展纳米科学与纳米技术之时，有部分人却利用这种科技的新奇性与公众的无知来钻空子。”他表示，有些企业发现，只要简单地在自己的产品名称中冠以“纳米”的名头，就能提高利润。“我们听过的什么纳米气、纳米杯、纳米牙刷、纳米啤酒……这些只是说得出来的其中一部分。”

　　据悉，数年前有一名广州人自称发明了制造纳米水的方法，他声称每日饮用数杯就能延年益寿，还成功地骗到了数位投资者。最后这个骗局被曝光，该人士亦受到了法律的制裁。杨国伟也承认，对纳米概念的玩弄并不鲜见。“如果中国要在纳米产业化上有所作为，必须正视并解决这些问题。”(记者 覃羿彬 林峥)

　　国家纳米科学中心对本文亦有贡献

　　纳米机器人指根据分子水平的生物学原理，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。这些功能分子器件，能对人体的病变部分进行诊断和针对性很强的治疗。如果这种设想实现，现今的癌症治疗方式将被彻底颠覆——纳米机器人将瞄准癌细胞攻击啃噬，健康细胞则可高枕无忧。

　　一根普通头发的直径约等于8万纳米。

　　一个五号字体下的逗号，跨度大约是50万纳米。

　　大头针的头宽度为100万纳米。

　　权威观点

　　中国科学院常务副院长、中国纳米“第一人”白春礼院士：

　　国内纳米学术地位不断上升

　　上世纪80年代，纳米科学与纳米技术的概念首次被引入中国，并迅速受到精英阶层的欢迎。开始时，大家的兴趣集中在用新技术和新工具对物质展开纳米层面的观察，特别是对扫描式探针显微镜的研究。

　　很快，纳米的概念就随着其科研地位的上升而在国内进一步发展。中科院、中国国家自然科学基金、国家科技委员会开始为纳米科学的相关工作、活动筹募资金。扫描隧道显微学就是得到早期资助的研究领域之一(编者注：这是白春礼院士的主要研究领域)。此后，观察物质表面的原子与分子结构影像的重大技术突破、纳米材料研究等都受惠于相关的资助计划。

　　从上世纪90年代开始，纳米领域的众多国际和国家级研讨会都在中国举行，包括1993年的第七届扫描隧道显微学国际研讨会、1996年的第四届纳米层级科学技术国际研讨会。在北京举行的这些会议，引来了学界的广泛关注和公众的注意。

　　整个90年代，对纳米科技发展的支持大大增加，大部分都归功于数个重大项目的启动。这些项目包括国家科技委员会改组为科技部之后发起的“纳米科学与纳米结构”项目，而包括纳米管道在内的纳米材料基础研究从此也获得了资助。我国的国家高技术研究发展计划(863计划)就包含了众多关于纳米材料应用的项目。

　　从1990年到2002年，总资助额达2700万美元的接近1000项类似项目得到实施。此外，在此期间，国家自然科学基金批准了近1000项相关领域的中小规模项目。对纳米研究的资助也由此扩展到纳米设备、纳米生物学与医学、检测等领域。由科技部、国家发改委、教育部、中科院与国家自然科学基金共同成立的国家纳米指导协调委员会在2000年运行，目的是监察国家在相关领域的政策和规划。

　　由于对整合了学术与产业联系的跨学科研究平台的需要近年迅猛增加，有不完全统计显示，国内包括50多所大学与中科院下属的20个研究所，以及超过300家的工业企业都开展着纳米科技研发。这吸引了全国各个研究机构、大学与企业超过3000名研究人员的参与。

    相关报道

　　与发达国家竞争刻不容缓

　　我国“863”计划“纳米材料技术专项”实施以来，在纳米电子材料与器件、纳米生物医学、纳米能源领域取得了一系列创新型成果。 
 
    我国在国际上首次设计并制造出具有新型结构的纳米复合负极材料，可使负极材料同时具备高容量、高寿命、低成本的特性，综合性能指标已超出国际先进水平。在医疗检测方面，我国研制成功基于纳米晶生物探针的免疫层析检测技术，在保证免疫层析检测准确性的同时，灵敏度比酶联免疫检测法提高1000倍，检测时间为10分钟，并实现检测的定量化，目前已经建成年产800万条免疫试纸的包装生产线。该技术将对我国乙肝、艾滋病的检测、治疗、预防等方面产生巨大的社会效益。另外我国开发的血糖检测仪可以同时对糖尿病患者和训练中运动员的血糖、乳酸水平进行检测，使用方便，成本低。

　　在纳米涂料方面，我国开发了纳米化聚丙烯酸高性能水性木器涂料，消除了油性涂料中有毒有机溶剂对环境的污染，而且基本达到油性木器涂料的性能，解决了木器涂料水性化这一世界难题。

　　尽管创新型成果不断，但有纳米科学家表示，我国在纳米技术上与发达国家的差距仍非常大，如果要追上对方现时的应用水平，恐怕起码要5年以上。不过，亦有科学家向记者指出，中国纳米科学界机会巨大，原因是纳米科学研究正是纳米技术应用的基础。中国在纳米科学上的强大实力，如果能有效地与产业、市场相结合，那么急起直追亦是可以迅速实现的事。

　　正如有关科学家指出的，这是一个时间问题。如果不开始加快脚步，那么中国就难以摆脱在纳米技术上的不利地位。而纳米技术应用产品的市场，据估计到2010年规模将达一兆亿美元，中国科学界没理由投弃权票。

　　大事记

　　我国重大纳米科技成果

　　1993年

　　中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。

　　1998年

　　清华大学范守善率领的小组成功地制造出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制造成一维纳米晶体。

　　1998年

　　美国《科学》杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法，制造出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金——从四氯化碳制成金刚石”。

　　近年

　　中国科学院物理研究所解思深研究员率领科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。

　　1999年上半年

　　北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。

　　1999年

　　中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可以做成燃料电池驱动汽车。

　　2005年

　　中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。

　　2006年

　　《科学》杂志报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。