納米材料：小身材涵蓋多領域

　　顯微鏡下的“納米之星”

　　 在患有乳腺癌的小鼠體內注射一種納米新材料，并在腫瘤處用近紅外激光進行照射，僅用四天，小鼠體內的腫瘤便痊愈了。這是中國科技大學教授曾杰科研小組的一項實驗，其中用到的納米新材料叫做“納米之星”，是他們近期的發明。

　　 “納米之星”是一種兼具優良的光學性質和催化性能的納米新材料，據介紹，科研小組于2012年10月份入手課題，2013年7月份初步結果成型，最終成果發表在今年7月7日出版的《自然·通訊》雜志上。此種新材料有望廣泛應用于生物診療和催化領域。

　　 自下而上，打造“納米之星”的“三層小樓”

　　 曾杰教授打了一個形象的比方：“由于納米材料的尺度非常小，如果將通常用肉眼看得見的常規材料比作摩天大樓的話，納米材料可以比作一個三層小樓，原子和分子相當于建筑的一磚一瓦。”

　　 建造納米材料這座“三層小樓”通常有兩種方法：一種是自下而上，從打地基開始，一磚一瓦往上蓋，蓋到三層停止；第二種是自上而下，如同將摩天大樓一層一層往下拆，拆到剩下三層停下來，也可以得到納米材料。

　　 曾杰教授科研小組制備“納米之星”用的是自下而上的辦法：在一杯100攝氏度的沸水溶液中，金和銅的原子漂浮在水中，并可沿著任意方向運動，其相互的碰撞讓它們結合、長大。研究人員通過控制生長的快慢和方向，使金、銅原子沿著五個對稱的方向排列，最終結晶成規則的五角星形狀的納米尺度材料。“就像水里面的一顆糖，是一個溶解之后結晶的過程”。

　　 五星合金：優良的光熱轉換及催化性能

　　 “納米之星”和其他納米材料相比具有優良的光學性質和催化性能，這得益于它的兩個特有基本因素：呈五角星的形狀，以及金和銅的合金。

　　 五角星形狀在納米材料中非常少見。據曾杰介紹，良好的催化性能來源于材料的表面和棱角，常規的立方體或四面體形狀的材料表面是平整的，原子在平整的表面上排成排，形成的是一個平面，其催化活性就不夠好，而五角星的表面從兩個棱角中間到棱角的過渡部分是一個斜坡，就形成了原子臺階，一級級降下去，催化性能得到提升。

　　 “納米之星”優良的光學性質嚴格來說叫做光電效應，“光打在材料表面上，但能量不足以將電子打出去，電子雖然吸收了光的能量，卻接著轉換成電子的集體運動，電子波在運動過程中，經過一些物理過程跟材料的原子核發生相互作用，就變成了熱，是這樣一個光熱轉換過程”。曾杰告訴記者。

　　 光熱轉換，高溫“殺死”癌細胞

　　 小鼠實驗中，就是利用“納米之星”優良的光熱轉換性能，將照射的紅外光轉換成熱，從而殺死癌細胞。

　　 生物組織最重要的單元，正常溫度都是在37—42攝氏度。所以一般來說，只要對其加熱超過42攝氏度，并且加熱足夠長的時間，細胞就會死掉。“我們的辦法就是將納米材料通過生物技術定位到腫瘤（癌細胞的聚集區）上，再打一束紅外光，紅外光穿透生物組織，到達材料定位的地方，材料吸收光轉換成熱，對癌細胞加熱，只要材料的光熱效應足夠好，腫瘤就會消失”，曾杰說。實驗中小鼠體內腫瘤有綠豆大小，每天光照十分鐘，連續四天，癌細胞高溫致死之后腫瘤自然就塌陷了。

　　 “納米之星”在實驗中成功殺死了癌細胞，如果想進一步將它用于實際治療，還有一些需要解決的問題。一個是劑量問題，劑量同體重和腫瘤大小相關，需要標準化；另一個是代謝問題，它被注射入體內后，在體內循環一段時間最后會附在肝臟，研究人員目前并未發現材料具有自發毒性，但也還沒發現它具有自發代謝的功能。盡管目前沒有發現問題，但從長遠來說，代謝問題仍需考慮。總之，要將新材料應用于實際醫學治療，技術方面需要繼續推進，此外還涉及國家關于醫藥器械的政策問題。

　　 腫瘤治療、動物節育新法有望實現

　　 使用“納米之星”進行腫瘤治療，不需要開刀，只需將納米材料通過靜脈注射進體內，再結合光照就可以了。這是一種新的治療方法，至于療效還有待進一步研究所以還不好評價，但至少可以提供多渠道和其他療法綜合使用。

　　 此外，“納米之星”還有諸多潛在應用。曾杰教授同其他課題組正在進行合作的一個項目是將之用于動物節育。現在流浪貓狗特別多，不加以控制容易傳染疾病，但控制過度又出現諸如城管打狗等極端社會事件，畜牧業也需要對動物進行節育來提高產量。通過光熱轉換的辦法，高溫殺死精子細胞，實現雄性節育。正如曾杰教授所說，醫學領域是一個很大的突破口，“納米之星”在醫學領域的應用前景相當廣闊。

　　 延伸閱讀

　　 國家大劇院：納米材料涂層

　　 曾杰教授向我們介紹了納米材料的自清潔表面的應用，國家大劇院表面就有一層特殊納米材料的涂層，任何水在這層納米材料上面就會變成一顆水球滾落，無法在斜面上停留，這樣下雨時雨滴里攜帶的灰塵便不會殘留在大劇院表面，因而表面的磚是不需要進行人工清潔的。當然，只是特殊結構的納米材料才具有這種功能。

　　 納米材料在環境方面的應用是一柄雙刃劍。一方面它有很多用武之地，例如利用其催化作用降解環境中的一些有毒的微生物或工業廢料等；還可以模擬自然界中的光合作用。

　　 但是，納米材料的安全問題不容忽視。它并不是指某一種類的材料，而是某一種尺度的材料，因而涉及方方面面的材料，形態多樣且流動性大，一旦泄漏就會在水中或者空氣中漂浮，這對環境來說是一種潛在的威脅。對納米材料安全性的預警和評估，目前研究還比較少，是今后值得關注的話題。

　　 量子計算機：未來的全新概念和體驗

　　 納米技術對信息時代的貢獻有兩方面：一方面可以使單位體積的信息量和存儲容量提升好幾個數量級，速度也會加快；另一方面，伴隨著新的概念的出現，比如量子計算機。

　　 量子計算機跟傳統計算機相比，除了容量和速度性能好之外，還有革命性的一些創新：傳統的計算機芯片技術是靠導線傳輸信號，這還處在經典力學范疇。由于波粒二象性原理，納米尺度下的電子具備“穿墻術”，可任意穿梭于足夠小尺度下的障礙物。這就是量子計算機的基本原理，利用“穿墻術”可以擺脫導線的約束，也就不再受加工工藝的限制，實現在非常小的集合單元里高密度的電子傳輸。

　　 從牛頓到愛因斯坦，從經典力學到量子力學，帶來了諸多前所未有的概念和現象。正是在納米尺度下，量子力學才得以大展拳腳。

　　 燃氣煉油：未雨綢繆

　　 化工包括石油化工、精細化工、化學工業（如PX項目）等，里面涉及到的化學轉化全部都需要靠催化劑實現，絕大部分納米材料本身就是優質催化劑，新興的一些納米材料的催化性能甚至可以實現傳統納米材料做不了的事情。

　　 曾杰教授課題組正著手的一個研究是將天然氣轉換成汽油，這使用傳統的催化劑幾乎不可行。這是一種燃氣制燃油技術，煉制汽油、柴油、煤油的傳統原材料是石油，然而現在石油面臨枯竭，“原料一旦枯竭，燃油就無從談起。我們未雨綢繆，提出燃氣煉油。從前石油煉油是做減法，石油本身是一個長鏈烷烴，是一個很長的碳鏈，將其剪斷成長長短短的碳鏈，再通過不同的沸點把他們分開，就可以得到汽油。我們要做的正好相反，是加法煉油，原材料天然氣只有一個碳，將其接起來，接成七到十二個碳就可以變成汽油”，曾杰介紹道。目前，我國天然氣的儲量和開采量每年都在上升，原材料很充足，值得去開發此技術。

　　 “隱身衣”有望成真

　　 軍事上的應用進展值得一提的是隱形斗篷和隱身衣。前幾年美國科學家已經用碳納米材料制作出一塊隱形布，加入電流，馬上就能隱形。現在雖然由于技術原因，真正的隱身衣還未面世，但相信等待的時間也不會太久。隱形斗篷主要針對戰斗機，目前這些都處于研究階段，但相較于之前的理論階段，實驗階段已經有所突破。

　　 錢學森曾經預言過：“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的特點，會是一次技術革命，從而將是21世紀的又一次產業革命。”

　　 “無論從科技發展的歷史規律，還是從納米材料的特殊性能來看，我們理解的第三次科技革命就應該指的是納米革命”。曾杰說。