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未來的創新事物 2008.01.17 納米技術:
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納米技術可以提供高強度低重量的纖維材料以建造太空電梯的繩索：圖中所示為藝術家所創造的概念圖。
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納米技術的驚人潛力以及在創建分子甚至原子尺寸的材料和產品方面的科學進展為未來生活方面的革命創造了條件。對於這種無窮小的世界來說——其基礎的測量單位納米僅僅為米的百萬分之一——要求具備創新的技術才能夠創造、利用和製造那些只有通過電子顯微鏡等器具才能夠看得見的物質。比如，人的頭髮的厚度或者一張紙的厚度為100000納米。納米技術已經被成功應用在諸如衣服到體育用品上了，美國科學家和研究人員正努力在納米技術的應用方面做出突破性的進展。
太空飛行
自從太空時代的到來之後，將火箭推進到地球軌道甚至更遠距離所需的燃料的重量已經都是太空飛行的一個主要限制。在採用納米技術的兩種革命性技術領域的研究為克服這種限制創造了條件，雖然其實際應用時間仍然未知。
“太空電梯”——一種通過連接地球表面和對地靜止軌道之間的繩索能夠將有效載荷提升到35000公里高空的器具——乍聽起來好像是科幻而不是科學。建造這種太空電梯的技術障礙是非常巨大的，遠遠不止是生產出具有超級強度和長度的繩索。
納米技術可能是將這個理想從幻想變成現實的關鍵。研究人員正在研究採用碳納米管來製造上述繩索的可能性——碳納米管的直徑只有幾個納米大小，但是長度卻是幾千納米。由於構成納米管的碳原子相互之間具有非常強的結合力，一個納米管的強度比鋼鐵的強度還要高100倍。很自然的，採用納米管製造這種繩索需要解決巨大的工程和科學難題，但是人們正在取得進展。比如，德克薩斯州休士頓Rice大學的一個研究團隊已經發現將碳納米管和硫酸結合能夠使納米管的方向保持一致，從而增加其強度。雖然採用納米技術製造出具有功能性的太空電梯仍然是非常遙遠的事情，但是它能夠極大地降低今天將有效載荷送入地球軌道的成本——國際航空航天局預計該成本現在為每公斤22000美元，而採用太空電梯之後則將降低為僅僅幾美元。
考慮到太空船在太陽系內飛行時所需覆蓋的遙遠距離，有效載荷與燃料之間的比例對於星際飛行來說也是適用的。密歇根州大學電氣工程師Brian Gilchrist建議採用納米技術來製造太空船，並採用一系列的納米級發動機來為飛船提供動力，每個發動機通過微型推進器噴射出帶電的納米顆粒來推動太空船前進。在一個面積只有幾平房釐米的矽片上集成了幾百萬個這樣的發動機：將多個這種矽片組合在一起形成太空船的推進系統。雖然該系統並不足以將太空船推離地球，但是在宇宙空間的真空環境中，納米發動機可以逐步有效的對飛船起到加速的作用，從而將其推進到太陽系內的最終目的地。
醫學
目前正在開發的納米科技的生物醫學應用可能對疾病的診斷和治療帶來全新的革命。其中的關鍵在於納米顆粒極其微小的尺寸——小到足以侵入細菌甚至病毒內部，並進而攻擊這些生物體的內部組織。
在三藩市附近的勞倫斯Livermore國家實驗室內，科學家們正在研究如何建造稱為“shals”的納米尺寸分子（高親和力合成配合基），這些分子專門用於附著在人體細胞表面的特定地方。雖然shals最初被視為是能夠發現並中和諸如炭疽熱的病原體的一種生物恐怖主義防禦工具，但是勞倫斯Livermore國家實驗室和加利福尼亞大學大衛斯癌症中心的生物化學家們很快就發現了它們具有更為廣泛的醫學用途。通過培養能夠附著在癌細胞蛋白質表面上獨有的受體上的shals，科學家們希望能夠找到一種對抗癌症的全新武器。在同一種放射性同位素或抗癌藥物結合之後，通過將這些疾病鬥士直接釋放到腫瘤內部，shals不僅僅能夠找出，而且能夠摧毀目標癌細胞。目前正在對shals進行實驗以確定其是否能夠治療前列腺癌和非何傑金氏病的淋巴瘤。
雖然以納米技術為基礎的治療癌症的方法目前還處於開發階段，納米技術已經在一些醫療領域獲得了應用。一家美國制藥公司（Nucryst Pharmaceuticals）正在生產灌注有納米尺寸的銀晶體的抗菌薄膜。表層塗有這種納米銀晶體（其尺寸範圍從1到100納米不等）的醫用敷料劑能夠快速持久地將銀離子釋放到傷口中以加速其癒合過程。該技術已經在美國的燙傷中心使用。Nucryst相信該納米晶體技術還將在治療其他類型的感染和炎症中發揮作用。
環境科學
納米技術的實用性通常表現為納米級別的材料同普通尺寸的同一種材料相比能夠表現出極其不同的物理和/或化學屬性。納米技術的原子級別尺寸還提供了獨特的可能性。科學家正在研究這些納米級別所具備的優勢是否可以用來為人類創建更為健康的環境。
在全球許多地方飲用水已經受到有毒物質的污染，包括諸如砷等金屬。清除這些有毒物質不僅僅需要複雜的設備，而且需要穩定的能源來驅動這些設備——這兩項在發展中國家都可能出現供應短缺的情況。Rice大學的研究人員正在研究一種解決該問題的低科技方式，該技術採用磁鐵礦（一種可以吸收砷的鐵和氧氣的複合物）的納米晶體來解決問題。當這些磁鐵礦的納米晶體被添加到被砷所污染的水中時，之後用一個簡單的磁體將表面帶有砷的納米晶體吸到溶液底部並將其清除掉。該技術的一個好處是它所需的僅僅只是人們日常生活中所接觸的磁鐵，但是採用較大的磁鐵礦顆粒則需要吸力更強的磁鐵。該研究為偏遠地區人口解決飲用水的淨化問題提供了一種全新的簡單方式。
納米科技本身的絕對尺寸提供了巨大的應用可能性。在賓夕法尼亞州的Lehigh大學，環境科學家Wei-xian Zhang正在研究利用納米級別的鐵顆粒來清洗受到重金屬、殺蟲劑和有機溶劑污染的土壤和地下水。當以漿料的形式將這些鐵納米顆粒直接注入到受污染的土壤和地下水中時，它們的尺寸使其能夠在土壤顆粒之間滑移。當鐵納米顆粒氧化時，它們將諸如戴奧辛或聚氯聯二苯等化學污染物分解為毒性較低的碳化合物。隨著氧化還原過程的進行，諸如鉛和汞等重金屬的毒性也將以同樣的方式被化解掉，它們被還原成不溶性的物質，這樣就不會溶入地下水中了。實驗結果表明在48小時之後，注射地點周圍的污染程度急劇下降，並且毒性污染在幾星期後就被清除乾淨。
能源
多種因素的聚集——全球人口和經濟的持續增長對傳統的化石燃料供應產生了越來越大的壓力，也加深了人們對全球變暖和石油價格急劇攀升的擔憂——使得替代能源的開發變得越來越緊迫。美國科學家在納米技術領域的研究成果可能會給清潔可再生能源的開發帶來革命性的變革，特別是太陽能。
比如，哈佛大學的科學家們已經利用直徑只有300納米的納米絲開發出了太陽能電池。正如《麻省理工學院技術評論》期刊所介紹的，這種太陽能電池由一個核心晶體矽以及多個具有不同電子屬性的同心矽層所組成。每一層矽層和傳統太陽能電池中的半導體層具有相同的功能，都是吸收陽光和捕獲電子以進行發電。雖然這些微小的太陽能電池可能首先被用於驅動其他納米裝置，但是它們最終還是可能會被大量捆綁在一起來替代目前所採用的傳統太陽能面板。但是，該項技術商用仍然存在障礙。研究人員需要想辦法在更密集的整列中生產這些太陽能納米線從而提高其將太陽能轉換為電能的效率（只有傳統太陽能板的不到五分之一）。
在距離哈佛大學大約35公里遠的麻塞諸塞州傳統紡織名城羅尼爾，一家名為Konarka的私營高科技公司正在採用一種不同的方式應用納米技術對太陽能進行利用。該公司發明瞭一種將半導體化學品二氧化鈦的納米顆粒應用到塑膠薄膜上的流程，該薄膜之後將覆蓋一層光敏染料。當太陽光或人造室內光源照射在該染料上時，二氧化鈦顆粒將產生電能。雖然該技術仍然處於開發階段，但是Konarka已經預見到了該種靈活性很高的太陽能電池帶所能夠帶來的大量實際應用，而這些應用對於傳統的剛性光電板來說是無法實現的。這些發電帶可以包裹在諸如手機或手提電腦上對其進行充電，也可以放置在任何類型的結構（甚至是帳篷）上作為獨立電源使用，或者甚至直接紡織到衣物當中為個人消費電子用品提供最終電能。
Domenick DiPasquale是一位自由作家。他之前在美國新聞總署和美國國務院當了27年的外國服務官，服務國家包括加納、肯雅、巴西、波士尼亞、新加坡和斯洛文尼亞。
本文所表達的觀點並不一定反應美國政府的觀點或政策。
美國國務院國際資訊局 http://www.america.gov/mgck
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