无穷的小巨人非凡的纳米科技正在改造世界

　　纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，纳米科技研究的正是纳米尺度的物质和现象。
　　本书的作者是彼得福布斯和汤姆格里姆塞，他们主要从物质材料、奇特现象、实际应用三方面介绍了纳米科技的发展。
　　（1）纳米材料
　　纳米科技的重要目标是开发新型纳米材料，这其中就包括三类极具价值的碳纳米材料富勒烯、碳纳米管和石墨烯。
　　富勒烯是碳原子相互连接形成的一种纳米小球。1985年，萨塞克斯大学克罗托博士发现了一种由60个碳原子组成的分子。在建筑家富勒一篇论文的启发下，克罗托和同事们确定了这些碳原子的组合形态是一个球体，并将其命名为富勒烯。富勒烯的内部是一个空腔，有学者将氮原子塞进富勒烯空腔，所形成的新材料具有很高的电子自旋寿命，可以用来制造精度极高的导航装置。
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　　1991年，日本研究者饭岛澄男首先发现了碳纳米管。碳纳米管是一种纳米级的空心管子，管壁完全由碳原子组成的，其力学强度很高，可达钢的100倍以上。如果将碳纳米管做成悬索，那么它可以在海平面上被拉长到5000千米，它甚至还能用来制成太空电梯的缆绳。
　　2004年，曼彻斯特大学的盖姆教授和他的博士生诺沃肖洛夫制备了一种碳的小薄片。这种小薄片中，碳原子们以六边形的形状连接在一起，而且它只有一个原子的厚度，这种材料就是石墨烯。
　　为了制备出石墨烯，盖姆二人把一小片石墨粘在两条胶带之间，通过反复的黏贴、撕扯，把石墨的层数不断降低，直到获得单层的石墨烯。目前，石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它的强度是钢的200倍，导电性超过铜银，且几乎是完全透明的。石墨烯的潜在用途有很多，比如用来制造快速DNA序列测试设备。
　　（2）奇特现象
　　在纳米尺度会发生很多奇特现象，甚至能对宏观世界产生影响，比如结构色和自组装。
　　不同于色素色，结构色是依靠特定微观结构对光线的调控而形成的一类颜色。可见光的波长范围大约在400到700纳米。当光线照射到同样尺度的结构表面时，就会产生一些独特的偏折或散射，从而形成结构色。
　　花生色结构
　　结构色在生物中十分常见，比如大蓝闪蝶翅膀的蓝色就是一种结构色。用先进的显微镜观察大蓝闪蝶的翅膀，会发现其上布满了大量细小的瓦片状结构，这些微小结构的尺寸正是在纳米级别的，而且它们是周期性地分布在翅膀表面。当光线照射到这些微小结构上时，就会发生特定的折射和反射。如果人眼从宏观观察，就能看到鲜明的蓝色。
　　结构色的优点是环保且不容易褪色。很多学者都在人工模仿并制造这类颜色。比如，有研究者用一类叫做弹性聚合物的材料来产生结构色。这种材料在拉伸弯折时，会发生微观结构变化，从而产生不同的颜色。用这种材料制成的衣服，可以通过拉伸来改变色彩。
　　自组装是指物质和系统可以自发地形成有序结构，这也是一种纳米尺度可以发生的现象。
　　对于材料制造和器件加工来说，自组装是一种十分有前景的方法。在芯片制造中，需要光刻机在晶圆上雕刻出纳米级的微小结构。为了实现这种超高精度，一台光刻机的成本高达上亿美元。为了降低芯片制造成本，2019年，美国的研究者通过纳米分子的自组装现象，在特殊的化学环境中，得到排列高度规律的纳米阵列。这项工作被认为可以颠覆现有的芯片制造方式。
　　（3）实际应用
　　在实际应用中，纳米科技可以用来解决能源、健康等领域的难题。
　　为应对能源短缺，有学者提出可以通过纳米技术将空气变成燃料。比如，科学家们尝试研发合成树叶以模拟植物的光合作用，以空气和水为原料，来制造可以用作燃料的化合物。
　　合成树叶
　　对于合成树叶来说，需要引入外部能量和催化剂。能源的形式可以是光能、电能等形式，来源比较广泛；而催化剂的作用更为关键，需要其来提升反应发生的速度。
　　当前，最前沿的研究思路是把催化剂的尺寸减小到纳米级别。在相同的质量下，尺寸越小的颗粒，就能暴露出更多表面积，也就意味着能让更多的原子能参与到反应之中，商用铂催化剂的颗粒尺寸只有3纳米左右。来自中国科学院的研究团队，就成功通过纳米催化剂将水和空气转变为甲醇燃料。
　　纳米科技在健康领域也能大展拳脚，比如使用纳米技术来诱导胞分化。
　　神经干细胞分化
　　干细胞可以分化为不同种类的细胞，用来进行疾病治疗和人体损伤修复。而如何控制干细胞的分化方向一直是难题。为此，需要研究细胞与周围环境的作用机理。
　　生物学家因格贝尔认为细胞受到的外力会影响其行为。他与纳米学家怀特塞德合作，在基板上做出不同尺寸的凸起，并把皮肤细胞移植到基板上进行生长。在十几微米的大凸起上，细胞受力比较均匀，生长也比较正常；在几百纳米的小凸起上，细胞受力比较集中，容易死亡。
　　这一思路被引入干细胞研究领域。有研究者创造出不同形状的纳米表面来放置干细胞。其中，星形表面会让干细胞处于较大拉力的状态，这些干细胞易分化成为骨组织；花朵形表面的干细胞受力状况比较放松，它们倾向于变成脂肪细胞；还有一种120纳米尺寸的凹陷图案，可以让干细胞保持在原始状态不发生分化。
　　纳米科技的发展日新月异，从中诞生的新材料与新技术，将如同巨人移山填海一般，改造我们的现实世界，让人类社会走向更美好的未来。