转载：本文来自微信公众号“高山大学”（ID:gasadaxue），作者：任红轩，邱施运，朱珍。转载经授权发布。
“点解我哋唔可以将整整24卷大百科全书写喺一个针尖上？”
物理学家理查德·费曼是最早设想纳米技术嘅人之一。1959年，他在《在底部仲有好大空间》嘅演讲度，就对纳米技术喺一啲具体领域带来嘅革命性突破作出天才嘅预见。
随住技术嘅进步，费曼嘅设谂一步步变为事实。
而家人类已经进入一个人人都使用、需要纳米技术嘅时代。纳米技术在高科技领域里异军突起，其应用远比我哋想象嘅要更加广泛和多样化，即将引起一场产业革命，其背后嘅原理是乜嘢？国家纳米科学中心教授级高工任红轩分享他嘅观点。
当物质到纳米尺度以后（大概0.1-100纳米呢个范围），物质嘅性能就会发生突变，出现特殊性能。呢种既具不同于原来组成嘅原子、分子，也不同于宏观嘅物质嘅特殊性能构成嘅材料，即为纳米材料。
纳米科技在世界舞台上普遍获得高度关注。纳米材料因其特征极具优势，当纳米材料结合人工智能、大数据及传统产业，如通讯、运输、医疗，又将赋能人嘅生活，带来翻天覆地嘅变革。
手机
第一代手机——大哥大，只有好少数人才用得起。而而家，每个人手中都至少有一部手机，手机俨然已经成为现代人生活中无办法分割嘅一部分。
手机一代代发展下来，其实就喺于电子元器件嘅微小型化，一方面缩小手机体积，另一方面集成更多嘅微型传感器，心率、血氧、紫外线等数据都可以通过手机进行探测。喺人工智能同大数据嘅加持下，手机嘅功能也更加丰富。
倘若我哋解构一台手机，从芯片、电池到屏幕，从5G、云端到人脸识别，由内至外、从躯壳到灵魂，无不涉及纳米技术嘅直接同间接参同。
在未来，手机演变嘅下一步，好有可能同增强现实（AR）同混合现实（MR）嘅眼镜结合到一齐，将手机嘅各种功能透过纳米工艺搬到一副眼镜上，好似电影《钢铁侠》里嘅场景一样。
物联网
未来，纳米科技能畀每个物体安装一个芯片和传感器，使佢们联动起来。
在工业上，探测同收集温度、压力、流速等各种各样嘅数据后，进行数字化控制，就能以更高嘅精准性自动化实现产品生产。我哋剩系要坐在键盘前，就能让工业机器人替代我哋嘅体力劳动。
在运输上，集合道路上嘅各种信息，包括交通信号、汽车位置、实时路况，交畀中央处理器进行识别同精密运算，就能实现无人驾驶。我哋剩系要悠闲地坐在座位上，等待车子抵达目嘅地。
汽车行业
从车胎、车镜、车漆、车灯、车椅，到电池供能、尾气净化、通信系统，纳米科技几乎全面占领成个汽车工业。
电池
目前电动汽车充电比较耗时，但利用纳米工艺及材料进行改性嘅电池，好快有机会实现世界对快充嘅需求，为电动汽车嘅普及带来新嘅帮助。
触摸屏
而家手机上广泛应用嘅触摸屏，是由纳米材料所制，未来将更大量地移植到汽车上，让乘客在车程中充分享受娱乐。未来嘅汽车可能不只是没有方向盘，甚至没有车窗，仅凭传感器就能将外界信号传递到屏幕上。
暖垫
到冬天，刚上车时如入冰窖，尤其北方人可能深有感触；这时候，碳纳米管制作嘅复合柔性电加热薄膜就实现在非常安全嘅电压（3-15V）下，一分钟内将车内座椅加热，让汽车四季如一地保持舒适。
内饰
纳米工艺仿生荷叶嘅超薄疏水层，添加到内饰嘅纺织表面，污垢不再能直接渗入内饰嘅纤维中造成脏污，即便留下表面污渍，通过纸张就能轻易清除。
车窗车镜
在挡风玻璃及后视镜添加一层含有光催化活性纳米材料（TiO2）嘅光触媒自洁玻璃膜，能轻松解决车窗玻璃在雨后或冬天起雾嘅现象，同时有这层膜，玻璃上嘅雨雪尘土都变得更容易清理。
另外夜晚行车，有时候会遇到一啲环境嘅炫光问题。为此，一啲人会选择佩戴墨镜来起到一个遮蔽强光嘅作用，但佢却同时使到我哋嘅视野变得昏暗，造成另一种行车风险。而家，纳米加工嘅防炫光镜片已经能够完善地解决呢个烦恼。
车身
纳米技术已经可以畀车漆穿上一层铠甲，让佢变得异常耐磨，不容易刮伤。
这系一辆跑2万公里嘅轿车：上纳米层嘅前车门光洁如新；而没做纳米涂层嘅其余部分就显得憔悴唔少。
空气净化器
光活性嘅纳米催化剂（TiO2）能对车内空气进行净化；在紫外光嘅作用下，将汽车内饰释放嘅有机物等有害气体分解成无害嘅二氧化碳和水。
另外，对于燃油车而言，排放尾气是不可避免嘅。传统嘅燃油车一般靠三元催化剂降解有害尾气，但是三元催化剂用到铂、铑、钯呢啲贵金属材料。要想畀所有燃油车装上咁样嘅三元催化剂，对地球嘅资源是极大嘅考验。
而家，纳米科技畀出新解答：将纳米级嘅复合稀土氧化物加到排放系统，尾气中嘅CO、NOx几乎完全转化。
保险杠
传统嘅保险杠在抗冲击性能上存喺一定嘅限制。而家，利用纳米插层聚合嘅原理，将有机插层硅酸盐和天然层状硅酸盐编织成一个复合网状结构，大幅提升有机物嘅抗冲击强度。这原理类似于80年代非常流行、家家户户都有嘅网兜。
医疗同医药场景
微流控芯片
微流控芯片，严格嚟讲并唔系传统意义嘅芯片，只不过体现传统芯片类似嘅概念和功能。
微流控芯片里（如图A）有好多微米级嘅沟道。当待检液体流过相应嘅通道，就会和相应嘅抗原和抗体产生反应，从而引发一个荧光信号嘅变化，诊断出物质嘅存在。
如果我哋能设计出更多咁样嘅通道并集成喺一块芯片上，就可以实现大量疾病快速而低廉嘅诊断。芯片本身嘅成本不超过10块钱，而整套检测嘅设备差唔多几万块，咁一来，将有机会替代医院嘅大型仪器完成诊断。
人工骨骼
过去，粉碎性骨折嘅病人需要在骨折处打上钢板，然后裹上石膏；长好后，二次手术将钢板取出，再经历一段康复期。
而家，利用纳米材料制作嘅人工骨跟人体嘅正常骨头成分非常接近，植入后可以直接融合生长喺一齐，避免二次痛苦。
除咗骨骼，第啲嘅器官也可以打印，比如牙齿。
过去牙齿种植手术，是从一个标准牙齿为起点，由大夫用锉刀修正至和我哋匹配嘅牙形。大夫手艺嘅好坏直接决定牙齿质量嘅好坏。
而家，我哋可以先对坏牙进行3D扫描和智能修复，再利用3D打印机制作一粒一模一样、完好嘅牙齿，畀你种回去。
脑科学
研究器官嘅状态都涉及信号嘅提取，而大脑系一个非常精密嘅器官，轻微嘅触碰也可能造成大脑损伤。
纳米材料所制嘅电极非常微小，可以贴到脑组织上，安全性得到进一步提升。同时，佢嘅灵敏度又非常高，空间分辨率比过去提升6倍，可以提取到好多微弱嘅脑信号，如电信号同化学信号，为脑科学研究提供更深入嘅视角，来揭示各种疾病嘅潜在原因，能有助于医生进行及时有效嘅干预。
脑机接口技术，虽然国内外好早研发，但真正让佢走进公众视野里嘅人是马斯克。而家，佢利用微小型化嘅芯片放大信号，再用数条细线进行信号传输，但未来嘅脑机接口势必将更加微小型化。
在我哋搞清楚相应机理后，甚至不再需要植入式嘅脑机接口，或者一个正常头盔就能满足信号嘅探测、放大和传输。
药物研发
以前，开发新药好大程度是“靠天食饭”，合成一啲化合物，再对佢们进行相应测试，从细胞实验到动物实验，再到临床。呢个过程当度，大量不符合嘅材料会被淘汰掉。
而家通过计算机，我哋可以主动研制纳米药物，根据需要嘅结构、官能团合成物质，再去检验疗效。咁样一来，就大幅提升药物开发嘅速度，缩短佢上市嘅时间。
纳米药物仲有几个好处：
佢速度可控，可以平缓地释放出来。因为药物事实上是需要在血液中有一定浓度才能发挥真正治疗，而以前嘅药物由于速度不可控，要么达不到浓度，要么为达到浓度食一将，造成药物瞬间释放，引发严重嘅毒副作用。
另外，如果通过纳米载体畀药物接上官能团，佢能具备靶向性，像导弹一样指边打边。咁样在治疗过程度，就可以使药物在治疗部位呈现高浓度而在第啲脏器呈现低浓度，达成药物疗效嘅同时大幅降低佢嘅毒副作用。
实际上，纳米药物喺一两千年前就已经为咱们老祖宗所用。文房四宝里嘅墨，就有治疗腹泻嘅用途，实际上就是利用石墨多孔、大比表面积、吸附性强嘅特性，吸附腹泻当中嘅病原微生物，并排除体外，达到治疗效果。 （温馨提醒：而家嘅墨汁加入好多有机物，不可以直接作为药物使用。）
当然，古人系喺摸索中发现墨嘅药用，既不晓得佢是纳米物质，也不知道当中嘅机理。知其然，未知其所以然。哩个都系科学史区分技术同科学嘅一个关键点。
基因编辑、纳米机器人
一个典型嘅基因编辑场景，是利用纳米载体将某个基因片段带入细胞核内，再利用激光使佢释放出来相应嘅基因，实现基因嘅敲除和编辑。
电影大片里不时会提到纳米机器人，不过实际嘅纳米机器人并唔系像我哋想象嘅有手有脚嘅拟人化形象。
第一代嘅纳米机器人是三个科学家创造嘅几个有意思嘅纳米器件：一个是能像电梯一样上下运动嘅分子，一个是像马达一样能来回转动嘅分子，第三个是像弹簧一样能相互拉伸嘅分子。佢哋因此也获得诺贝尔奖。
我哋而家正喺度研制嘅纳米机器人，实际上就是利用 DNA 嘅片段，将佢“纺织”成布，接上凝血酶结构，然后卷成一个圆筒，喺外边加一将锁，最后再加上一个跟肿瘤因子相关嘅靶向基团。
咁样一来，佢就可以定向地集中到肿瘤部位，然后再打开锁，释放里边嘅凝血酶，阻断肿瘤嘅血管组织和营养，实现治疗目嘅。
第一代纳米机器人已经在实验室里实现佢嘅作用，但真正想搬到生产和生活当中应用，仲有一定嘅难度，我哋目前正处在第一代往第二代嘅过渡阶段。
未来，纳米机器人嘅治疗作用或者将颠覆人类生活。过去我哋都系被动地靠药物治疗，将来我哋或者可以通过纳米机器人，主动地清除体内垃圾以及修复机体，包括基因。
从2G到5G、从软盘到硬盘，纳米科技其实早在我哋身边，悄无声息地颠覆我哋嘅生活。而在呢个过程度，当然不可避免地带来一定嘅环境问题、人体伤害或第啲负面效应，毕竟科技是将双刃剑。
所以对于纳米材料从生产到废弃嘅成个生命周期，我哋都需要进行监控和法规管制，而不剩只是将有用嘅嘢生产出来，第啲后续都不理。任何科技，都必须系一个永续、负责任嘅发展。
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2021-04-15 13:35:08
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