纳米材料：小身材涵盖多领域

作者： 高敏

2014年08月14日 来源： 科技日报  

①国家大剧院穹顶玻璃与钛板采用纳米建材。

　　②纳米级微小粒子组成的超材料可以让光线拐弯，绕过障碍物。被超材料包裹的人，怎样在不被看到的情况下看到外面？美国的材料学家关于超材料的发现和中国物理学家的反隐形材料研究，让隐形不再遥不可及。

显微镜下的“纳米之星”

　　在患有乳腺癌的小鼠体内注射一种纳米新材料，并在肿瘤处用近红外激光进行照射，仅用四天，小鼠体内的肿瘤便痊愈了。这是中国科技大学教授曾杰科研小组的一项实验，其中用到的纳米新材料叫做“纳米之星”，是他们近期的发明。

　　“纳米之星”是一种兼具优良的光学性质和催化性能的纳米新材料，据介绍，科研小组于2012年10月份入手课题，2013年7月份初步结果成型，最终成果发表在今年7月7日出版的《自然·通讯》杂志上。此种新材料有望广泛应用于生物诊疗和催化领域。

　　自下而上，打造“纳米之星”的“三层小楼”

　　曾杰教授打了一个形象的比方：“由于纳米材料的尺度非常小，如果将通常用肉眼看得见的常规材料比作摩天大楼的话，纳米材料可以比作一个三层小楼，原子和分子相当于建筑的一砖一瓦。”

　　建造纳米材料这座“三层小楼”通常有两种方法：一种是自下而上，从打地基开始，一砖一瓦往上盖，盖到三层停止；第二种是自上而下，如同将摩天大楼一层一层往下拆，拆到剩下三层停下来，也可以得到纳米材料。

　　曾杰教授科研小组制备“纳米之星”用的是自下而上的办法：在一杯100摄氏度的沸水溶液中，金和铜的原子漂浮在水中，并可沿着任意方向运动，其相互的碰撞让它们结合、长大。研究人员通过控制生长的快慢和方向，使金、铜原子沿着五个对称的方向排列，最终结晶成规则的五角星形状的纳米尺度材料。“就像水里面的一颗糖，是一个溶解之后结晶的过程”。

　　五星合金：优良的光热转换及催化性能

　　“纳米之星”和其他纳米材料相比具有优良的光学性质和催化性能，这得益于它的两个特有基本因素：呈五角星的形状，以及金和铜的合金。

　　五角星形状在纳米材料中非常少见。据曾杰介绍，良好的催化性能来源于材料的表面和棱角，常规的立方体或四面体形状的材料表面是平整的，原子在平整的表面上排成排，形成的是一个平面，其催化活性就不够好，而五角星的表面从两个棱角中间到棱角的过渡部分是一个斜坡，就形成了原子台阶，一级级降下去，催化性能得到提升。

　　“纳米之星”优良的光学性质严格来说叫做光电效应，“光打在材料表面上，但能量不足以将电子打出去，电子虽然吸收了光的能量，却接着转换成电子的集体运动，电子波在运动过程中，经过一些物理过程跟材料的原子核发生相互作用，就变成了热，是这样一个光热转换过程”。曾杰告诉记者。

　　光热转换，高温“杀死”癌细胞

　　小鼠实验中，就是利用“纳米之星”优良的光热转换性能，将照射的红外光转换成热，从而杀死癌细胞。

　　生物组织最重要的单元，正常温度都是在37—42摄氏度。所以一般来说，只要对其加热超过42摄氏度，并且加热足够长的时间，细胞就会死掉。“我们的办法就是将纳米材料通过生物技术定位到肿瘤（癌细胞的聚集区）上，再打一束红外光，红外光穿透生物组织，到达材料定位的地方，材料吸收光转换成热，对癌细胞加热，只要材料的光热效应足够好，肿瘤就会消失”，曾杰说。实验中小鼠体内肿瘤有绿豆大小，每天光照十分钟，连续四天，癌细胞高温致死之后肿瘤自然就塌陷了。

　　“纳米之星”在实验中成功杀死了癌细胞，如果想进一步将它用于实际治疗，还有一些需要解决的问题。一个是剂量问题，剂量同体重和肿瘤大小相关，需要标准化；另一个是代谢问题，它被注射入体内后，在体内循环一段时间最后会附在肝脏，研究人员目前并未发现材料具有自发毒性，但也还没发现它具有自发代谢的功能。尽管目前没有发现问题，但从长远来说，代谢问题仍需考虑。总之，要将新材料应用于实际医学治疗，技术方面需要继续推进，此外还涉及国家关于医药器械的政策问题。

　　肿瘤治疗、动物节育新法有望实现

　　使用“纳米之星”进行肿瘤治疗，不需要开刀，只需将纳米材料通过静脉注射进体内，再结合光照就可以了。这是一种新的治疗方法，至于疗效还有待进一步研究所以还不好评价，但至少可以提供多渠道和其他疗法综合使用。

　　此外，“纳米之星”还有诸多潜在应用。曾杰教授同其他课题组正在进行合作的一个项目是将之用于动物节育。现在流浪猫狗特别多，不加以控制容易传染疾病，但控制过度又出现诸如城管打狗等极端社会事件，畜牧业也需要对动物进行节育来提高产量。通过光热转换的办法，高温杀死精子细胞，实现雄性节育。正如曾杰教授所说，医学领域是一个很大的突破口，“纳米之星”在医学领域的应用前景相当广阔。

　　延伸阅读

　　国家大剧院：纳米材料涂层

　　曾杰教授向我们介绍了纳米材料的自清洁表面的应用，国家大剧院表面就有一层特殊纳米材料的涂层，任何水在这层纳米材料上面就会变成一颗水球滚落，无法在斜面上停留，这样下雨时雨滴里携带的灰尘便不会残留在大剧院表面，因而表面的砖是不需要进行人工清洁的。当然，只是特殊结构的纳米材料才具有这种功能。

　　纳米材料在环境方面的应用是一柄双刃剑。一方面它有很多用武之地，例如利用其催化作用降解环境中的一些有毒的微生物或工业废料等；还可以模拟自然界中的光合作用。

　　但是，纳米材料的安全问题不容忽视。它并不是指某一种类的材料，而是某一种尺度的材料，因而涉及方方面面的材料，形态多样且流动性大，一旦泄漏就会在水中或者空气中漂浮，这对环境来说是一种潜在的威胁。对纳米材料安全性的预警和评估，目前研究还比较少，是今后值得关注的话题。

　　量子计算机：未来的全新概念和体验

　　纳米技术对信息时代的贡献有两方面：一方面可以使单位体积的信息量和存储容量提升好几个数量级，速度也会加快；另一方面，伴随着新的概念的出现，比如量子计算机。

　　量子计算机跟传统计算机相比，除了容量和速度性能好之外，还有革命性的一些创新：传统的计算机芯片技术是靠导线传输信号，这还处在经典力学范畴。由于波粒二象性原理，纳米尺度下的电子具备“穿墙术”，可任意穿梭于足够小尺度下的障碍物。这就是量子计算机的基本原理，利用“穿墙术”可以摆脱导线的约束，也就不再受加工工艺的限制，实现在非常小的集合单元里高密度的电子传输。

　　从牛顿到爱因斯坦，从经典力学到量子力学，带来了诸多前所未有的概念和现象。正是在纳米尺度下，量子力学才得以大展拳脚。

　　燃气炼油：未雨绸缪

　　化工包括石油化工、精细化工、化学工业（如PX项目）等，里面涉及到的化学转化全部都需要靠催化剂实现，绝大部分纳米材料本身就是优质催化剂，新兴的一些纳米材料的催化性能甚至可以实现传统纳米材料做不了的事情。

　　曾杰教授课题组正着手的一个研究是将天然气转换成汽油，这使用传统的催化剂几乎不可行。这是一种燃气制燃油技术，炼制汽油、柴油、煤油的传统原材料是石油，然而现在石油面临枯竭，“原料一旦枯竭，燃油就无从谈起。我们未雨绸缪，提出燃气炼油。从前石油炼油是做减法，石油本身是一个长链烷烃，是一个很长的碳链，将其剪断成长长短短的碳链，再通过不同的沸点把他们分开，就可以得到汽油。我们要做的正好相反，是加法炼油，原材料天然气只有一个碳，将其接起来，接成七到十二个碳就可以变成汽油”，曾杰介绍道。目前，我国天然气的储量和开采量每年都在上升，原材料很充足，值得去开发此技术。

　　“隐身衣”有望成真

　　军事上的应用进展值得一提的是隐形斗篷和隐身衣。前几年美国科学家已经用碳纳米材料制作出一块隐形布，加入电流，马上就能隐形。现在虽然由于技术原因，真正的隐身衣还未面世，但相信等待的时间也不会太久。隐形斗篷主要针对战斗机，目前这些都处于研究阶段，但相较于之前的理论阶段，实验阶段已经有所突破。

　　钱学森曾经预言过：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”

　　“无论从科技发展的历史规律，还是从纳米材料的特殊性能来看，我们理解的第三次科技革命就应该指的是纳米革命”。曾杰说。