納米尺度——

釋放物質(zhì)奇異特性

納米科技越來越受到科研界和產(chǎn)業(yè)界重視。研究顯示，21世紀(jì)以來，全球960個(gè)最顯著的科研方向中，89%與納米科技有關(guān)。作為多學(xué)科交叉融合而成的前沿型、基礎(chǔ)型、平臺(tái)型科學(xué)，納米科學(xué)為物理、材料、化學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、藥理學(xué)與毒理學(xué)、工程學(xué)等七大基礎(chǔ)學(xué)科提供了創(chuàng)新推動(dòng)力，成為人類最具創(chuàng)新能力的科學(xué)研究領(lǐng)域之一以及變革性產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)的重要源泉。

什么是納米科技?首先得了解納米。納米是長度單位，1納米相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長度還要小得多?？茖W(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)，在納米尺度上，材料會(huì)呈現(xiàn)出與宏觀尺度上完全不同的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)特性。比如，低強(qiáng)度或脆性合金會(huì)獲得高強(qiáng)度、高延展性，化學(xué)活性低的化合物會(huì)變成強(qiáng)力催化劑，不能受激發(fā)光的半導(dǎo)體會(huì)變成高效光源……總之，尺度的縮小使納米物質(zhì)呈現(xiàn)出既不同于宏觀物質(zhì)也不同于單個(gè)孤立原子的奇異特性，仿佛具有了“特異功能”。

在這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，人類發(fā)展出納米科學(xué)和納米技術(shù)。納米科學(xué)以尺度在0.1—100納米之間的物質(zhì)為研究對(duì)象，探索其特有的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)和功能;納米技術(shù)則是在這一空間尺度內(nèi)操縱原子和分子，對(duì)材料進(jìn)行加工，制造具有特定功能的器件。科技革命提供了新工具，深刻改變著人與自然的關(guān)系。納米科技通過納米尺度的精準(zhǔn)操作，調(diào)控物質(zhì)的屬性，賦予納米材料理想的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)或光學(xué)性能，使這些新型納米材料在傳統(tǒng)和新興工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

納米材料——

提高生產(chǎn)生活質(zhì)量

納米材料如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。在傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)，納米材料被用作機(jī)器零件的表面涂層或潤滑劑，以減少磨損、延長機(jī)器使用壽命。在航空航天器制造業(yè)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的納米結(jié)構(gòu)合金是制造飛機(jī)機(jī)身以及過濾、抗振、防火零部件的理想材料。在電子信息產(chǎn)業(yè)中，納米技術(shù)的應(yīng)用將有助于克服以強(qiáng)場效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)為代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲為代表的技術(shù)限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件，推動(dòng)高性價(jià)比制備工藝的發(fā)展。在輕工業(yè)領(lǐng)域，人們?nèi)粘Ｊ褂玫姆罆袼?，其主要成分是納米二氧化鈦或氧化鋅，而納米纖維則用于制造防皺、防沾污、抗菌的衣物，以及各類體育用品如網(wǎng)球拍、自行車等。

在生態(tài)文明建設(shè)、推進(jìn)節(jié)能減排和低碳發(fā)展方面，納米技術(shù)作為多學(xué)科交叉領(lǐng)域，能夠顯著促進(jìn)可替代能源的發(fā)展，提高能源使用效率。在石油化工行業(yè)，金屬、氧化物、碳和其他化合物的納米顆粒是很好的催化劑，在石油精煉、生物燃料制造等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，可以顯著提高燃料的燃燒效率，減少污染和能耗。在清潔能源領(lǐng)域，納米材料用于研發(fā)制造低成本固態(tài)太陽能電池，高性能可充電電池(含超級(jí)電容器)和溫差電池、燃料電池等;高效納米儲(chǔ)能材料、熱電轉(zhuǎn)換材料等，是新型能源材料主要發(fā)展方向，將對(duì)解決日益突出的能源問題起到重要作用。

利用納米環(huán)境技術(shù)可以顯著減少現(xiàn)有重型污染源對(duì)環(huán)境的破壞，提高人類生存的環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)材料、水和空氣的良性循環(huán)。例如納米顆?？赏ㄟ^化學(xué)反應(yīng)有效降解印染、電鍍等工業(yè)廢水的污染物，納米纖維能夠高效吸附空氣中的污染物顆粒，緩解汽車尾氣、工業(yè)廢氣、家庭裝修等造成的大氣污染，二硫化鉬薄膜能高效實(shí)現(xiàn)鹽水淡化，多孔納米材料可以像海綿一樣吸收水中的重金屬和浮油等有毒物質(zhì)。

納米醫(yī)學(xué)——

增進(jìn)生命健康福祉

作為醫(yī)學(xué)與健康科技成果轉(zhuǎn)化的重點(diǎn)關(guān)注學(xué)科，納米科技在生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等生命科學(xué)領(lǐng)域有重大應(yīng)用，對(duì)疾病診斷和治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)前景。

迄今為止，納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面有很多引人矚目的成就和富有前景的應(yīng)用。納米孔基因測序技術(shù)，利用電場驅(qū)動(dòng)DNA單鏈穿過薄膜上的納米孔，并記錄孔上產(chǎn)生的電流變化，從而識(shí)別出單鏈上的基因編碼序列。該技術(shù)有望大幅降低基因測序成本并提高測序速度。納米藥物遞送技術(shù)，較傳統(tǒng)藥物具有顯著優(yōu)勢(shì)，它能讓藥物突破化學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)方面的阻礙，抵達(dá)病變組織，提高藥物在病灶位置的聚集量，減少對(duì)健康組織的損害。例如，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的納米藥物可以經(jīng)血管滲漏點(diǎn)滲入癌變組織，并在靶點(diǎn)位置積聚，提高癌癥靶向治療的精度。近年來，該領(lǐng)域一個(gè)突破性進(jìn)展是藥物緩釋納米機(jī)器人的研發(fā)。這種全新的智能給藥系統(tǒng)將藥物裝入經(jīng)過編程并折疊的DNA，讓其通過血液循環(huán)運(yùn)輸。一旦抵達(dá)目標(biāo)腫瘤，DNA就會(huì)展開并釋放一種能導(dǎo)致血栓的蛋白質(zhì)，使癌細(xì)胞死亡。這一技術(shù)已經(jīng)在小鼠身上進(jìn)行了測試，在治療乳腺癌方面具有積極作用，有望開創(chuàng)納米醫(yī)學(xué)全新領(lǐng)域。

面對(duì)突如其來的新冠肺炎疫情，我國科學(xué)家運(yùn)用納米技術(shù)助力新冠肺炎的預(yù)防、檢測和治療等，在疫情防控中發(fā)揮了重要作用。

在醫(yī)療防護(hù)方面，利用靜電紡絲技術(shù)制造的納米級(jí)直徑聚合物細(xì)絲，具有濾材孔徑小、纖維均一性好等特性，用這種材料制造的納米口罩經(jīng)過100次清洗還能保持99%以上的病毒過濾效果。這種材料還可以用于制造防護(hù)服、手套等醫(yī)療防護(hù)用品。納米技術(shù)還應(yīng)用在病毒檢測方面。目前，新冠病毒的臨床診斷主要依賴酶聯(lián)免疫法、化學(xué)發(fā)光法以及納米膠體金法。酶聯(lián)免疫法和化學(xué)發(fā)光法都可以進(jìn)行定量檢測，但缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間較長。納米膠體金檢測法是一種即時(shí)檢測方法，與前兩種檢測方法相比，具有快速出具結(jié)果、檢測場地不受限制以及對(duì)操作者專業(yè)性要求低等優(yōu)點(diǎn)，更加適用于“后疫情時(shí)期”。在治療方面，傳統(tǒng)抗病毒藥物穩(wěn)定性較差、生物利用度低，且易導(dǎo)致耐藥性，經(jīng)納米制劑技術(shù)改造后的抗病毒藥物，能夠有效提高藥物穩(wěn)定性、靶向性及生物利用度。相信在不久的將來，納米抗病毒藥物會(huì)在防疫抗疫工作中大顯身手。

納米科技在世界范圍內(nèi)受到重視，被視為引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展、帶動(dòng)新的工業(yè)革命的重要學(xué)科。進(jìn)入21世紀(jì)，全球主要經(jīng)濟(jì)體紛紛制定納米科技相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，不斷增加投入，推進(jìn)納米科技快速發(fā)展。我國一貫高度重視納米科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)，成為國際上推動(dòng)納米科技發(fā)展的主要力量之一。納米科技已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國的信息技術(shù)、人工智能、量子技術(shù)、新能源、新材料、化工催化與綠色制造、大健康與新醫(yī)學(xué)、類腦科學(xué)、深海、深空等領(lǐng)域，成為驅(qū)動(dòng)我國科學(xué)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的新引擎，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人民生活改善發(fā)揮越來越重要的作用。

我們要抓住前沿科技領(lǐng)域跨越發(fā)展的歷史機(jī)遇，一方面繼續(xù)加強(qiáng)納米科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，爭取更多科學(xué)突破;一方面強(qiáng)化納米科技對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的推動(dòng)作用，構(gòu)建納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，完善價(jià)值鏈，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力，助推人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)新的進(jìn)步。

(作者為中國科學(xué)院院士、國家納米科學(xué)中心主任)

關(guān)鍵詞： 納米科技