最新纳米技术巡礼

——维生素激光器、具有量子特性的海藻

作者： 记者 刘霞

2013.10.22 来源： 科技日报   

纳米钻石温度计

　　英国《卫报》网站在近日的报道中，为我们梳理了最新的纳米技术，其中涵盖了石油、太阳能、激光、基础物理学等领域。

　　廉价的“油老虎”

　　气凝胶是一种神奇的材料，其完全由碳制成，重量仅为空气的七分之一，是目前地球上最轻的材料。而且，当将气凝胶放入石油中时，其可以吸收重量为自己900倍的物质。

　　诸如气凝胶这类多孔且超便轻的固体除了可用于清除浮油外，还能用于其他领域，例如可以用作超能可充电电池内的电极，也可用来探测气体污染物。

　　中国哈尔滨工业大学的科学家们最新研制出了一种新的碳基泡沫，其或许不如气凝胶轻便，但也有自己独特的魅力。这种碳基泡沫可以用包装材料中经常会使用到的塑料—聚亚安酯泡沫廉价地制成。

　　该研究团队研发出了一种方法，可以方便快捷地将聚亚安酯掏空，从而得到一个由相互连接的管子（每个管子的厚度不足1微米）组成的结构。研究人员在《化学世界》杂志上指出，当将这一碳基泡沫放入石油中，其能吸收重量为其100倍的物质。

　　另外，在制造该碳基泡沫的过程中，可以将聚亚安酯浸入包含有铁或铜等金属的溶液中，如此一来，最后得到的泡沫就拥有了磁性，从而使科学家们能遥控这一泡沫的“一举一动”。例如，可以将其派遣到实验室，用于水油分离；也可以用其来清除浮油。

　　可食用的激光器

　　科学家们正在研发微型电子和光子设备，其能安全地植入人体内从而监控人体发出的重要信号；在疾病还处于萌芽阶段就将其探测出来；帮助递送正确剂量的药物。理想的设备是这样的：制造成本低廉，完成其使命后能被身体直接吸收。

　　其实，能生物兼容的可植入发光设备目前已经存在，但科学家们在临床应用中发现，如果它们能发射激光的话，或许会更有用。从上世纪70年代开始，就有研究激光的物理学家开始尝试制造一些类似于“果冻激光器”的有机物质，尽管其味道并不真如果冻那么甜美，但仍然能被安全地食用，因为它们是由一些经过精挑细选的无毒材料制成。

　　随后，科学家们使用了大批经过美国食品与药品管理局（FDA）批准的物质进行试验，结果发现，维生素B2是一个可以发射激光的好选择。为了制造出维生素B2激光器，科学家们将维生素B2溶液喷射在一块柔软的生物高聚物薄膜上。随着溶液慢慢蒸发，会有液滴形成，维生素就落入薄膜内部，自我组合成充满激光燃料的“光学共振器”。在一台激光设备内，光辐射会在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，从而放大数倍，最终形成一束强大的、方向集中的光束“激光”。一般情况下，这些共振腔由庞大而笨重的镜子组成。

　　科学家们认为，他们的“维生素激光器”最终有望用作生物传感器来探测特定的疾病。美国塔夫斯大学的生物光子学专家费奥伦茨·奥门托教授认为，尽管这种维生素激光器令人激动，但实际应用可能还需等几年时间。

　　具有量子特性的海藻

　　奥地利维也纳大学的研究人员正在研究简单的水中生物，以便进行一项经典的物理学实验——杨氏双缝干涉实验。杨氏双缝干涉实验被认为是物理学史上最美丽的十大科学实验之一，因为其完美地展示了物理学中一个令人惊奇的原理：粒子能像波一样运动这一量子力学效应。

　　杨氏双缝干涉实验表明，电子等很多粒子都具有这一效应。当粒子撞击一块有两个开口的屏幕（双缝）时，人们起初认为，粒子会通过其中的一条缝，在另外一边的一块屏幕上制造出两个完全不同的顶点。但结果表明，这些粒子会像波一样同时通过双缝，且当双缝之间的间隙同粒子的波长差不多时，另一边的屏幕上会出现一种干涉图案。

　　科学家们惊奇地发现，如果双缝足够小而且探测方法足够精确的话，比电子更大的粒子甚至分子也会出现这种现象。

　　尽管人们需要昂贵的纳米设备来制造足够小且足够精确的双缝来进行这类实验，但维也纳大学的科学家们现在证明，透明双肋藻的骨架上布满了间距为200纳米的小孔，其可以很好地做到这一点。这样，人们几乎不费吹灰之力，就可以使用从水中免费获得的工具来展示量子属性了。

　　混合太阳能技术

　　美国能源部下属的能源高级研究计划署（ARPA-E）表示，目前太阳能正变得越来越便宜，但其独有的间歇性使其只能在某些时段某些地方展“身手”，仅占美国总能耗的5%。

　　有鉴于此，ARPA-E将投入3000万美元，对几个让光伏技术和太阳光热技术“联姻”的示范项目提供资助，这样的“混合太阳能”技术有望在晚上和阴天都工作，相关研究目前还处于初始阶段。

　　有些光热电站需要将太阳光集中在细小且超高效的太阳能电池内，但聚集的太阳光产生的热会消散在大气中。如果这些热能被收集起来，它们就能被存储起来以供日后发电使用。不过做到这一点，需要比较高的温度，而高温会破坏太阳能电池，研究人员正在研制耐高温能力更强的太阳能电池。

　　另一种可行的办法是将太阳光光谱分开。太阳能电池很擅长将某些光转化为电，但对另一些光波则无能为力。人们可以让无法被有效利用的光另谋出路，用其来加热水并产生蒸汽。据美国麻省理工学院《技术评论》杂志报道，塔尔萨大学的机械工程学教授托德·奥塔尼卡正在践行这一理念。他利用悬浮在透明液体中的纳米粒子来吸收太阳光光谱中波长较长的光以产生热并存储起来，而另外一部分波长较短的光则通过纳米粒子到达一块太阳能电池内从而变成电力。

　　纳米钻石温度计

　　科学家们目前已经拥有一整套显微技术，可以方便地观察到细胞内部发生的事情，但他们却没有办法精度地测量细胞内的温度变化，而这样的测量结果或许有助于加强我们对于受温度影响非常大的基因表达和细胞新陈代谢等生物机制的理解。

　　为此，美国哈佛大学的科学家们用细小的钻石晶体制造出一种纳米温度计，因为独一无二的量子属性，其在测量温度变化时的精度高达百分之二摄氏度。

　　他们将这一钻石温度计同金纳米粒子（金纳米粒子被激光激发后，可以作为发热元件使用）一起注入活体细胞内，细胞内部的温度变化可以由纳米钻石发射出的荧光光谱标示出来。

　　这种纳米钻石温度计除了可以为科学家们提供细胞生物学的新信息外，还能帮助研究人员研发一些与控制加热有关的疗法，比如杀死恶性肿瘤等。