進入21世紀,世界納米技術迅速發展,給信息、醫療、自動化、能源等領域以及人類生活帶來許多新的變化。最近,記者訪問了在納米技術研究方面處於領先地位的美國伯克利大學的納米研究部門,華裔科學家崔屹先生向記者介紹了目前科學界在納米研究方面的進展情況。
崔屹早在哈佛大學攻讀博士學位時就從事納米研究,並曾獲得美國材料研究會博士金獎及納米研究傑出博士獎。談及納米研究方面的情況,他滔滔不絕,如數家珍。為了使記者有感性認識,在實驗室里,他打開電腦進行解說。顯示屏上出現猶如米粒大小的顆粒,有三粒“米”組成的三腳型“米粒”(像電子三極體的腿),也有“米粒”串連在一起組成的線狀或管狀物體。崔博士說,這是硒化鎘的納米顆粒,它們是通過電子顯微鏡拍攝、放大許多倍才在電腦上顯示出來,人的肉眼是根本看不見的。納米是一種長度單位,1納米是1米的十億分之一。20納米相當於1根頭髮絲的三千分之一。而納米技術則是指在納米尺寸範圍內,通過直接操縱和安排原子、分子來創造新物質。在眾多的材料和物體中,納米大小的顆粒可以通過化學合成呈現不同的型貌,有球型的,有三角型、六角型等多棱型。組合成棒狀和線狀的,我們稱它為納米棒或納米線;成為帶狀的,我們稱之為納米帶;成為空心的,我們稱為納米管。
世界各國都對納米技術進行研究。目前科學家們對小於100個納米尺寸的材料和物質,包括金屬、半導體、陶瓷材料以及生物、DNA蛋白質等物質的分析、研發直至套用都非常感興趣。涉及的範圍包括電子、光學、力學、化學反應和熱學等多種科學。
納米材料的特殊結構決定了它的特殊性能,它可以產生四大效應:即小尺寸效應、量子效應(含宏觀量子隧道效應)、表面效應和界面效應,從而具有傳統材料所不具備的物理、化學性能。
比如,在力學方面,納米材料具有奇特韌性,在180攝氏度經受彎曲不斷裂,而且拉力非常強。如果我們把納米管連線在一起,成為一根堅韌的線,其力度足以能牽著天上的衛星走。
在熱學方面,納米材料的熔化功能特彆強,比如,一塊金子,在1000攝氏度的高溫下才能融化,但如果把它變成納米顆粒粉末進行融化,500攝氏度就可以了。同樣,利用納米技術,可以使一些材料在80攝氏度至180攝氏度溫度下,塑性大大提高,可以使陶瓷變得像金屬一樣柔韌、結實,而且容易加工。
目前,納米技術在世界上的研究進展和主攻方向是什麼?崔博士說,總體看來,很多國家都非常重視這一領域的研究,在進度上還是美國領先。從目前美國的研究情況來看,重點是在信息技術和生物工程兩大領域。
在信息技術方面,納米分子的結構在半導體和矽材料上有充分體現。納米技術在這些材料上的優勢在於它不僅體積小,而且電子傳輸速度快。因此,美國的納米技術科研人員正在加緊研究,要把納米尺寸的半導體材料做成電晶體,從而讓一塊晶片上容納更多的電晶體,其結果是尺寸比原來的要小100倍,而運算速度比傳統晶片提高100倍以上。
在光學方面,科學家們正在進行研究,用納米技術改變某些半導體材料的尺寸和結構,從而大大提高顯示器的清晰度和顏色逼真程度。
對於運用在生物工程方面的納米技術研究,目前有兩個方面進展比較快:一是利用納米技術跟蹤生物體內活動。比如,納米顆粒比人體細胞顆粒要小得多,而且具有發光功能,科學家們把這種納米顆粒送進人的肉體、器官內,然後從人體外部向內照射光,納米顆粒在體內也會發光,這樣就可以跟蹤了解人體細胞的變化情況,從而達到追蹤病毒等效果。目前科學家們對跟蹤查找愛滋病病毒、癌細胞等在人體內活動的研究取得了不少新進展。在這項研究中,科學家們還有趣地發現,癌細胞還特別喜歡吃納米顆粒。
另一方面是利用納米顆粒極高的感測靈敏效應對疾病進行早期診斷。醫學界主要是利用納米技術對癌症的診斷進行研究,並取得了成果。
醫科專家已經在實驗室環境下實現了用納米技術對前列腺癌、直腸癌等多種癌症類型的早期診斷。具體做法是,將人的血液,哪怕是很少的一小滴血,放在一塊用納米技術做成的檢測板或儀器上,當儀器的感測器中預置的某種癌細胞抗體遇到相應的抗原時,感測器中的電流會發生變化,通過這種電流變化可以判斷血液中癌細胞的種類和濃度。這種納米技術檢測器也可以用來在人的皮膚外表進行檢測,檢測器可以做成甚至比手錶還要小的儀器,使用會非常方便。而且,今後還可能會將多種納米感測器集成在一起,植入人體,用於檢測各種早期疾病。