纳米技术及应用

1．纳米技术

纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，目前已经成为全球范围内最大和最具竞争力的研究领域之一。现在纳米技术已经得到广泛应用，渗透到人们的衣食住行中，使人们的生活方式和工作方式发生了巨大变化。尤其是一些纳米产品的问世，对于人类体质能力的增强具有十分重大的意义。

那么，什么是“纳米技术”呢？纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0．1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）相结合的产物。

（1）纳米技术的产生和发展

关于纳米技术的构想可以追溯到20世纪60年代。1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费（Richard Feynman）在加州理工学院出席美国物理学会年会，做了著名演讲《底部还有巨大空间》（There’s Plenty of Room at the Botton），并且预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。而“纳米技术”一词的最早提出是在1974年，东京理工大学的科学家唐尼古奇（Norio Taniguchi）教授在一篇题为“论纳米技术的基本概念”（On the Basic Concept of Nanotechnology）的科技论文中首次使用“纳米技术”来描述精密机械加工。为研究纳米技术创造实验条件的人是德国物理学家格尔德·宾宁（Gred Bing）和瑞士物理学家海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer），1981年，两人在IBM位于瑞士苏黎世的实验室共同发明了扫描隧道显微镜（STM）。扫描隧道显微镜使得人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质［1］。

图4．1．2　赫伯特·格莱特教授

世界上第一块纳米材料的诞生则归功于德国物理学家赫伯特·格莱特（Herbert Gleiter）教授（如图4．1．2所示）。1980年的一天，在澳大利亚的茫茫沙漠中，格莱特教授正驾驶租用的汽车独自横穿澳大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独，使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶体物理研究的科学家。此时此刻，一个长期思考的问题在他的脑海中跳动:如何研制具有异乎寻常特性的新型材料？在长期的晶体材料研究中，人们把具有完整空间点阵结构的实体视为晶体，是晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、间隙原子、相界和晶界等看作晶体材料中的缺陷。此时，他想到，如果从逆方向思考问题，把“缺陷”作为主体，研制出一种晶界占较大体积比的材料，那么结果会是怎样？格莱特教授在沙漠中的构想很快变成了现实，经过4年的不懈努力，他领导的研究组终于在1984年研制成功了黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。第一块纳米固体材料（nanometer sized materials）就这样诞生了。

格莱特教授制备了铁、铜、铅、二氧化硅等纳米晶，开创了纳米材料领域的研究，从此，各种纳米材料层出不穷，纳米产品不断产生，纳米技术逐渐向人们的生产生活中渗透。

（2）纳米技术的应用

纳米技术对新世纪人类的生活带来了深远影响，纳米材料已经成为21世纪的代表材料。纳米材料的结构尺度介于宏观和微观之间，一些仅适用于宏观世界的物理定律因此失效，部分微观世界的物理学原理开始逐步发挥作用。一系列新的效应在纳米尺寸上开始显现，它们令纳米材料呈现出许多与传统材料不同的物理和化学特性:量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。这些特性使得纳米材料和传统材料相比，具有很多优良特性，逐渐成为人类未来发展的新型材料［1］。

虽然现在纳米技术在大部分领域仍然处于开发阶段，但是纳米材料已经在一些领域得到实际应用:信息领域的磁记录、光记录、交卷等；能源领域的纳米锂电池、纳米太阳能电池、纳米燃料电池、石油产品合成等；涂料领域的防腐、杀菌、环境美化等涂料；催化领域的纳米光催化等；军事领域的纳米机器人（如图4．1．3所示）、纳米侦察机（如图4．1．4所示）、纳米卫星系统、纳米导弹等都用到了纳米材料；其他环保、建筑、能源、电子和电器工业、精细化工、机械、医学、生物和医学、化纤和纺织等行业也都用到了纳米技术。尤其是在生物医学与化纤纺织两个行业，纳米技术和纳米材料的应用，使得人类体质能力大大增强［2］。

图4．1．3　纳米机器人

图4．1．4　美国研制的纳米蜂鸟侦察机

1）纳米技术与医学

纳米技术给医学带来了变革，使得人们能在分子水平上利用分子工具和对人体的认识，从事疾病的诊断、预防与治疗。

①纳米级粒子可以作为药物载体。药物要发挥作用，首先要透过人体的生物屏障进入病灶区。生物屏障就像一个过滤器，让需要的物质通过，而阻止毒素与病毒等危害人体的物质通过。生物屏障在阻止危害物质通过的同时，也阻止了潜在药物的通过。因此，很多药物在临床应用上受到限制。纳米技术可以解决这个难题。1nm相当于4～5个原子排列起来的长度，许多化学和生物反应的过程均可以在纳米尺度的层面上发生。因此，纳米药物载体将使药物在人体内的传输更为方便。借助纳米药物载体，药物可以顺利穿过生物屏障，进入病灶区，主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，实现疾病的有效治疗。

图4．1．5　伦敦大学教授亚历山大·塞法利恩和纳米培育人造耳朵

纳米技术还可用于器官培育。2012年，英国伦敦大学向人们展示了他们利用纳米材料培养人工器官的新技术。伦敦大学纳米技术与再生医学部门负责人亚历山大·塞法利恩（如图4．1．5所示）表示，自己的实验室就像是一个“人体零件商店”。利用患者自身细胞可以培育耳朵、鼻子、气管和心脏瓣膜等组织和器官。用人工培育的“零件”取代患者受损组织和器官是一种更为理想的治疗方式，无须等待合适的捐献者出现。在这里，科学家还首次为患者培育出人造鼻子。培育这些人造器官采用了一种创新性纳米高分子材料，这些高分子材料由数十亿个纳米等级分子构成，直径仅是人类头发的四万分之一。塞法利恩说:“这种纳米材料中有数千个小洞，人造器官在这里培育生长，最终将生长成为真实的鼻子等器官。当将这种人造鼻子植入患者身体时，并不是直接移植到患者的面部，而是放置在他们手臂皮肤之下的一个内置气球中，经过4个星期，皮肤和血管生长出来，在医师的监控之下，才将人造鼻子移植到患者面部。”随着这项技术的不断进步，器官捐献有望成为过去。这是全世界人类的福音［3］。

纳米材料所展现的优异性能使其在生物医学领域具有良好的应用前景，但纳米材料在生物医学中的应用研究尚处于初期阶段。目前缺乏对纳米材料生产、使用和转化等整个周期的了解，对进入人体内的纳米材料安全性研究还不够全面，缺乏标准化的纳米材料安全性评价程序［4］。如何建立健全评价纳米材料和纳米药物安全性的标准评价体系和检测方法，以及如何健全纳米生产企业的监督管理方法以保证生物和环境安全刻不容缓［5］。

2）纳米技术与化纤纺织

纳米材料在化纤纺织行业的应用，为人类身体提供了外部防护，使得人类体质能力得到增强。2007年，在美国康奈尔大学举办的一场时装展上，研究人员向外界展出了一种“神奇外套”，据说具有预防感冒的效果。这是一套具有金属色泽的外套和裙子，是世界上首套使用纳米粒子布料制成的服饰。这种布料一经推出，就吸引了成衣制造商、科研人员甚至军方实验室的注意。它的“闪光点”并非其设计多么前卫时髦，而是它的防菌本领。这款衣服看上去就是由普通的棉料制成，但是在它的布料里添加了一种纳米微粒，能够侦测并且“抓住”漂浮在空气中的病毒和病菌。衣服的兜帽、衣袖和口袋里还添加有独特的钯微粒，其功能与微型的排气净化器相似，能够分解有害的空气污染成分。因此在一定程度上可以达到隔绝病毒、预防感冒的神奇效果。这种神奇的外套是由康奈尔大学的设计师奥莉维亚·翁设计，在康奈尔大学研究纤维科学的化学工程专家胡安·伊内斯特罗萨的大力帮助下制造成功。图4．1．6为模特们在展示神奇的预防感冒的外套。

图4．1．6　模特们在展示预防感冒的外套

纳米材料还可用于制造防水衣服。传统材料由于其表面的化学组成和形态结构，具有湿润性的特性。研究人员从自然界中荷叶的疏水表面得到灵感，在织物表面附着一层纳米材料，这些纳米材料表面形成一层永久性的空气层，从而达到疏水效果。这种疏水衣物同传统衣服相比，不沾水，易于清洗，但是如果表面纳米层受到磨损，会导致防水功能下降［1］。

2．方法论——逆向思维

在格莱特教授提出并研究纳米材料的过程中，我们可以看到他用到了一种科学方法，那就是逆向思维方法。

（1）概念

逆向思维也叫求异思维，它是对司空见惯的、似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。敢于“反其道而思之”，让思维向对立面的方向发展，从问题的相反面深入地进行探索，这样的思维方式就是逆向思维。一般地，人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法。其实，对于某些问题，尤其是一些特殊问题，从结论往回推，倒过来思考，从求解回到已知条件，或许会使问题简单化［6］。

格莱特教授没有被常规的思维方式所限制，跳出了以完整空间点阵结构的晶体为主体的惯性思维模式，反其道而行之，把传统观点里面被视为是晶体材料中的“缺陷”的部分看作主体，着手进行新材料的研制。正是这种反向思维方式，使得格莱特教授在纳米材料研究方面取得了巨大成果，首次研制出纳米固体材料，打开了纳米材料研究的大门。

（2）逆向思维方法分类

在描述逆向思维方法分类之前，我们先来看几个小故事。

1）吸尘器的发明

1901年，英国土木工程师布斯去伦敦莱斯特广场的帝国音乐厅，参观一种除尘器的示范表演。这种除尘器严格说应该叫吹尘器，是利用压缩空气产生的强大气流把尘埃吹入容器内。吹尘器除尘后，地面是干净了，可吹起的灰尘呛得人透不过气来。布斯认为此法并不高明，因为许多尘埃未能吹入容器。他由此联想，如果反其道而行之，“吸尘”是否可行呢？布斯首先做了个很简单的试验:将一块手帕蒙在椅子扶手上，用口对着手帕吸气，结果手帕附上了一层灰尘。试验证明，吸尘是可行的，比起吹尘的方法更加高明。于是，他制成了吸尘器，用强力电泵把空气吸入软管，通过布袋将灰尘过滤。1901年8月布斯取得专利，并成立了真空吸尘公司，但并不出售吸尘器。他把用汽油发动机驱动的真空泵装在马车上，挨户服务，把几条长长的软管从窗子伸进房间吸尘。我们今天使用的真空吸尘器，还是根据这一原理设计的。

2）送礼

一个中国人移民到了美国，因要打官司，就对其律师说:“我们是不是找个时间约法官出来坐一坐或者给他送点礼。”律师一听，大骇，说:“千万不可！如果你向法官送礼，你的官司必败无疑。”中国人说:“怎么可能？”律师说:“你给法官送礼不正说明你理亏吗？”几天后，律师给他的当事人打电话:“我们的官司赢了。”中国人淡淡地说:“我早就知道了。”律师奇怪地问:“怎么可能呢？”中国人说:“我给法官送了礼。”那位律师差点跳了起来，惊呼:“不可能吧！？”中国人说:“我的确送了礼，不过我在邮寄单上写的是对方的名字”。

3）金边凤尾裙

一位裁缝吸烟时不小心掉下烟灰，将一条高档裙子烧了一个洞，使裙子变成了残品。裁缝为了挽回损失，凭借其高超的技艺，在裙子小洞的周围又挖了许多小洞，并精心饰以金边，然后，将其取名为“金边凤尾裙”。这款金边凤尾裙不但卖了好价钱，还一传十，十传百，风靡一时，生意十分红火。

逆向思维方法主要可以分为三类:反转型法、转换型法、缺点型法［8］。

这种方法是指从已知事物的相反方向进行思考，产生发明构思的途径。

“事物的相反方向”常常从事物的功能、结构、因果关系等三个方面作反向思维。吸尘器的发明人布斯从吹尘的相反面考虑，因此发明了吸尘器，取得了成功；而格莱特教授也正是利用这一类逆向思维，纳米材料就是对晶体结构进行反转型思考，把“缺陷”看作主体而发明的新材料。

②转换型逆向思维法

这是指在研究问题时，由于解决这一问题的手段受阻，而转换成另一种手段，或转换思考角度思考，以使问题顺利解决的思维方法。

上面的第二个故事——送礼中，那个打赢官司的中国人就是运用的此类思考方法。如果自己给法官送礼会让法官觉得自己理亏，会输掉官司，那么，反过来，如果法官收到了自己对立方的礼物，那么法官肯定会认为对方理亏，利于自己打赢官司。于是，这个人以对方的名义给法官送了礼物，将法官拉到自己的阵营里。

“司马光砸缸”机智搭救落水儿童的故事，实质上也是一个用转换型逆向思维法的例子。面对儿童落入水缸的情景，常规的想法是如何想办法让落水者离开水（缸）。司马光不能通过爬进缸中救人的手段解决问题，于是他就转换为另一手段，运用逆向思维方法，砸缸救人，从而让水（缸）离开落水者，顺利地解决了问题。

③缺点型逆向思维法

这是一种利用事物的缺点，将缺点变为可利用的东西，化被动为主动，化不利为有利的思维方法。这种方法并不以克服事物的缺点为目的，相反，它是将缺点化弊为利，找到解决方法。

上面的第三个故事——金边凤尾裙中，裁缝就是利用了缺点型逆向思维方式。高档裙子被烧了一个洞，其价值和美观都会大大折扣，但是聪明的裁缝并没有急着修补，因为他知道即使修补得再好，仍然难掩其痕迹。于是，他运用逆向思维的方法，既然怎样遮掩都无法掩盖这一缺点，那么不如大方地呈现出来。结果证明他是正确的，他发明的金边凤尾裙很受欢迎，不仅没有贬值，而且价值倍增。

日常生产生活中还有很多这样变废为宝的事例，都是逆向思维的产物。例如金属腐蚀是一种坏事，但人们利用金属腐蚀原理进行金属粉末的生产，或进行电镀等其他用途，丰富了人们的生产和生活。

我们在日常生活中多采用正向的思维方式，可以说正向思维是我们的惯性思考方式。但是有时候，正向思维往往不能够有效地解决问题，这时，就要我们换个方向来思考，也许会取得意想不到的效果。逆向思维可以使我们另辟蹊径，在别人不注意的地方有所建树，出奇制胜；逆向思维可以让我们在众多解决方案中找到最佳方法；逆向思维可能会使某些复杂问题简单化；逆向思维会使我们认识事物更加深刻，使一些难题迎刃而解。在科技的发展长河中，并不缺少这样的事例。上面格莱特教授提出纳米材料新构想是其中一个，法拉第通过磁效应，提出电磁感应定律，也是逆向思维方法的成功运用……当我们遇到解决不了的难题时，不妨运用逆向思维进行思考，也许这个难题就不再是难题了。在日常的学习、工作和生活中，有意识地培养自己进行逆向思维非常有意义。