书城教材教辅中学理科课程资源-走近物理前沿
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第10章 纳米技术的研究与开发(3)

华中科技大学徐碧辉教授等将中药牛黄加工到纳米量级,其理化性质(理化性质代表药材的内在质量,通过它可对药材进行定性和定量的鉴别)发生了惊人的变化,申请到了我国纳米中药的第一个专利。

纳米制药的问题不仅限于中药,而且也存在于西药。虽然与中药相比,西药的成分较为单一,有些问题可以避免,但像纳米级粉碎后所带来的团聚、固体附吸、固液混融等问题同样困扰着西药。所以,纳米药物最终服务于患者还有很多的工作要做,医药对纳米技术的应用就更要谨慎。

(五)纳米耳

在中国古代,医生给病人诊断疾病的方法为:望、闻、问、切。听诊器的发明,使人能清楚地听到一些器官活动发出的强大声音,如心跳、呼吸的声音,肠胃蠕动的声音。极富想像力的发明家打算发明一种能听细胞私语的纳米耳,这种纳米耳将使人闻所未闻。

你将会听到自己的身体内部发出巨大的吵闹声:喧闹的细菌在你的肠胃里举行盛宴;你的细胞中的线粒体如同超负荷运行的发电站一样嗡嗡作响,正在自我复制的脱氧核糖核酸束打开链接时所发出的噪声像撕裂金属一般。你身体的每一个细小部分都发出具有独特鲜明特征的噪音。在近处倾听,你身体内部的声响就像一个走调的乐队在交通高峰时刻演奏《时代广场》。

现在想像一下,在所有这一切生物学喧闹之中的某个地方,癌细胞已经开始分裂。在它们蔓延的时候,奏出的曲调如同英国作曲家埃尔加的大提琴协奏曲的旋律一样清晰。但没有任何人工耳,其敏锐度足以透过这种细胞的吵闹声,听到癌细胞所发出的清晰声音。但是,佛拉维奥·诺卡希望改变这一切。

诺卡是美国航空航天局喷气推进实验室的一位物理学家兼工程师,他所在的小组已研制出了登峰造极的毫微耳的样品。他们希望,这些耳朵最终将会微小到纳米级,并且极其敏锐以致能够通过细胞所发出的噪声把它们分辨开来。若把这种纳米耳注射到你体内循环的血液中,它们可能像微型听诊器一样窃听你的新陈代谢,在患病细胞或者癌细胞蔓延之前发现它们。如果敏锐度足够高的话,诺卡的纳米耳甚至有可能被送到其他行星上侦听生物,或者辨别出外星海洋中的化学反应,所利用的却不外乎是它们所发出的喀嚓声、尖叫声和砰砰声所组成的“交响乐”。

这并非痴人说梦。喷气推进实验室生命探索中心主任尼尔森说:“当微生物四处爬动和进行生物化学反应的时候,它们发出噪音的方式与一个蒸汽核反应堆发出的噪音没什么两样。”鞭毛和纤毛,甚至细胞的分裂与呼吸,都发出清晰的声音。当今最先进的传声器采用一种弹性膜,遇到声波它会振动。但是,如果你想听到微生物的窃窃私语,光靠膜是不灵的。较大的膜比较重,因此细微的声音没有足够的能量使它们振颤。把它们造得较小和较轻也无济于事,因为膜越小,就越紧,换言之,其敏感度急剧下降。

诺卡进行了数学运算,意识到微型传声器是一条死胡同。他得出结论,解决办法是模仿大自然的一个诀窍。例如在人耳中,耳鼓所接收的声音经过3块骨头传到耳蜗。耳蜗内部有一排排毛细胞,细胞上部是一簇簇细丝,称为静纤毛。噪声振动使耳蜗中的液体活动,使这些静纤毛飘荡,就像风吹动柳丝一样。静纤毛每次晃动,都触发被大脑理解为声音的电脉冲。诺卡和他的小组得出结论,碳纳米管十分适于作人造静纤毛,而且碳纳米管比钻石还耐用,其弹性却如同人发一般。然而,当时碳纳米管的制造量极其微小,根本不足以用来制造人工耳。

就在这时,诺卡结识了当时任多伦多大学新兴科技教授的许竞鸣。

2000年他们聚到一起,许竞鸣介绍了自己像草皮种植场种草那样种植碳纳米管的新颖方法:将种子播下,向其提供发芽所需的一切,然后让大自然来做其余的工作。许竞鸣的碳纤毛对于诺专的小组来说如同雪中送炭。在一平方厘米内就能种植大约100亿根。最重要的是,许竞呜的碳纳米管具有使纳米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力。诺卡说:“耳朵里的纤毛直径为100纳米左右,长度是一两个微米。而我们现在能够制造直径只有几纳米、长度却达到60微米的纳米管。纤毛越长越细,弹性就越大,灵敏度也就越高。这些装置在太空中将能够大行其道,而且在地球上也大有用场。

尼尔森说:“有朝一日,我们或许能够制造一种人工耳蜗,通过监听水中游动的微生物的节奏来检验水质。”还可将这种人工耳蜗置于人体血液循环中,作为流动的纳米听诊器,专门监听细胞功能失调。

也许要不了多久,我们就会看到诺卡的装置是否灵验。虽然在医生们的出诊箱中出现纳米听诊器,还需要10年或更长时间,但是诺卡期望在3年内拥有样品。

纳米耳在其他领域中的应用同样惊人。例如,剑桥大学的化学家克勒纳曼已在探索“侦听”化学反应声音的新奇途径。克勒纳曼说:“分子水平上的噪声学是一个未知领域。诺卡还有许多工作要做。”诺卡则急于大显身手。他说:“分子水平上的噪声学是个完整的,嗡嗡作响的世界,许多问题在等待答案。我们的静纤毛将开始解答这些问题。”

(六)聪明的服装

带“空调”的面料

分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米机器的结合,可使面料发生根本的改变。“微泵”和灵活的微管能将冷却剂或受热介质输送至服装的所需部分,各种“螺旋桨”能以“孔”的形式排列在只允许特定分子通过的半渗透膜中。这些“微泵”和灵活的微管由一个微型的控制器控制着,如服装上的一粒钮扣,微型控制器为服装设定了一个恒温,使它适合人体需要。如果天气热时,微管能将冷却剂输送到服装的各个部分,直到设定的温度;如果天气寒冷,微管就向服装各个部分输送热气。

伸缩自如的面料

其基本思想就是将小的多孔单元通过“螺丝”互相连结成面料。装有小型电力马达的计算机控制这些微孔,以调节它们与“螺丝”间的相对间隙。通过选择“螺丝”的松紧,产品的形状就可以改变,以符合使用者所需的形状。

通过影响形状的快速变化或一些微孔间的短暂失去连结,固态的刚性物质的性能就能像织物一样。松散键合单元与刚性骨架的相联,柔软的织物就可变得刚硬。因此,织物与其他材料之间的区别就变得很模糊。

程序可控面料

程序可控面料的概念并不仅局限于织物,还有许多潜在的应用。例如太空服可类似于人体皮肤一样活动自如。嵌入的计算机与应变仪相结合,能感应出穿衣者想做的运动,从而对面料作相应的调整。

外层的反射系数可进行改变以吸收来自面向太阳一面的热量,并输送至冷的部分,而面料的绝热性能可允许穿衣者的热量几乎不散失,过剩的热量可转移至冷的一面的辐射器。

能杀死病菌的衣服

随着人口的快速增长,经济迅猛发展,人与人之间的接触也日益频繁,各种病菌通过人而传播开来。我们的衣服看起来很干净,却已成为病菌的安乐窝,如何让病菌在衣服上死光呢?

北京赛物瑞科技发展公司与中国纺织科学院共同开发的纳米层状银系地机抗菌防霉母粒及纤维已通过国家纺织工业局的专家鉴定。这种广谱抗菌衣对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率全部达到99.9%;对预防淋病和肝炎病毒、杀死螨虫有着显著功效。那么这种衣服对人体是否造成不良影响呢?中国预防医学科学院对皮肤所做毒理实验证明:它对人无毒、无刺激。而且我们还可以像对待一般服装那样对待它,不需要特殊的清洗及熨烫。

不仅衣服可以传播病菌,其他物品也可以传播,如家电、日用品、文具、玩具、医疗用品等等。商家从杀死病菌的衣服中得到启迪,一些公司已在纷纷研制和生产各种无机抗菌材料。

(七)纳米食品

人造固醇

胆固醇是人生命中不可缺少的,它能使细胞膜柔软,但如果人体内胆固醇过高又会导致动脉硬化。那么能不能为胆固醇找一种替代品,使它既能发挥胆固醇的作用,又能避开胆固醇的缺陷。它便是固醇。固醇的分子结构与胆固醇的分子结构相似,它存在于植物油和蔬菜中但含量很低,犹如人体中的胆固醇。

假如在食品中加入更多的植物固醇,它们在大肠中被吸收,可达到降低人体胆固醇的目的。在大肠中,固醇和胆固醇在所谓的微团中争抢位置。当人体吸收植物固醇后,吸收的胆固醇量便会减少。固醇不会停留在人体内,大部分被排泄掉,进入血液的植物固醇仅占总摄人量的l%到5%。而胆固醇能进入血液的量占总摄入量的50%。最新研究表明,一个人如果每天摄入1.6克植物固醇,便可降低人体胆固醇含量的10%~15%。

在谷物中,大麦、玉米、燕麦等都含有植物固醇,向日葵和蓖麻油中也含有固醇。植物固醇存在于植物油的不同部分,在对植物油做深加工时,除了去掉口味不好的杂质外,也去掉了部分固醇。因为深加工时首先要去掉粘状物和金属离子,然后除酸,脱色。据统计,每提取1千克的固醇得用2.5吨的植物油。

最近,芬兰保利希食品公司的研究人员将纳米技术应用于食品加工业中,成功开发出一种高植物固醇含量的植物黄油,这种人造黄油20克所含的植物固醇相当于三大杯玉米油的含量。

这种方法与传统方法的根本差别是,生产中无需加任何化学添加剂。无化学添加剂生产法的困难是,固醇不溶于脂肪。为此,研究人员采用纳米技术将固醇制成微粒,然后在一定的温度下将微粒均匀地分布于植物脂肪中。

不久,这种人造固醇将走出实验室,面向消费者,但长期食用会不会给人的健康带来危害,尚须观察与探讨。

纳米氧饮料

众所周知,人的疲劳原因就是缺氧,尤其是对于动了一天脑筋的白领、金领们更是如此。为这些“领”们服务的各种“吧”风起云涌,氧吧便是其中之一,不过人们对氧吧既熟悉又陌生,他们大多数还是习惯去酒吧,一方面是宣传不够,另一方面,鼻子塞两根管子确实有点不舒服。

纳米富氧水既方便,又能帮你消除疲劳。我们知道,水是可以溶解氧的,但溶解度很低,每升水也就能溶解60~100毫克的氧,如果把室温状态下的氧气纳米化,可以把它放在水里。

纳米氧能够和水形成热力学的稳定相,每升水能溶解十几克氧,就变成过饱和的富氧水。

纳米氧饮料中的氧非常稳定,不会因为打开瓶子后跑掉,外观看上去会跟普通水一样纯清透明。每天回到家,喝一杯这样的饮料你的疲劳就不见了。当然这种饮料也是酒吧、饭店的新宠,为了使纳米富氧水喝起来更有味道,他们会在水里加上香料或其他维生素。

豆浆的保质期只有一天,如果将其粉碎成纳米级,便可以增加人体吸收效率,置放于冰箱内还能使保质期延长到一年。

普通的豆浆颗粒直径为数十微米,怎样将它加工成纳米级的呢?据有关专家介绍,该项目已经过近两年的研究,采用机械剪切、撞击及高频震荡的复合式破碎方法,可使粒径不大于50纳米,比现有技术条件处理的粒径缩小至少100倍。

(八)纳米建筑材料

在未来的建筑中,金属将退出历史舞台,一种新型纳米材料——碳纤维复合筋将代替钢筋成为房子的骨架。它具有质量轻、耐火、无磁等优良性能,并能抗震、防水,还节省大量投资。与钢筋一同退出历史舞台的还有空调。

夏天,空调释放出大量的热气,使本来燥热的天气变得更热,长期使用空调给人的健康带来不同程度的损害。在外墙砖内掺入一种特殊的纳米材料,这种材料能吸收夏天的热气,在冬天来临时慢慢释放;冬天能吸收冷气,在夏天时慢慢释放。这样房间的温度总保持在23℃左右。

利用新型的材料做成的泡沫玻璃不仅符合环境要求,还给生产商带来可观的经济效益。泡沫玻璃的基本原料是碎玻璃,允许使用各种颜色的平板或瓶罐玻璃碎块。这些碎玻璃经过磨细后,混合1%—5%的发泡剂,在650℃—950℃条件下加热发泡,即可制成一种无机非金属特种玻璃材料。

由于这种材料内部充满无数个微小均匀的连通或封闭气孔,因而是一种性能良好的节能、保温、隔热、吸音材料。这种材料易切割加工成任何形状,目前已代替砖,作为墙体、天棚材料和保温隔热构件。

泡沫玻璃集传统保温隔热材料的优势于一身,具有容量小、强度高、耐腐蚀、耐火性好、吸水率和导热率低等诸多特点,是一种既保温又耐冷的材料,广泛适用于各种场所。

在低温高温交替变换和潮湿等种种恶劣环境中均可使用,而且长年使用也不会变质,本身又能起到防火防震的作用,而彩色泡沫玻璃还能对建筑物起到一定的装饰效果。

蜘蛛人是指那些给高楼外墙“洗脸”的清洁工。如果用纳米涂料粉刷房子的外墙,就省去了清洁之劳,这种涂料有很强的自洁功能,附着力也很好,不会因为风吹日晒而剥落,现在生产的纳米涂料能保持15年的使用期。随着纳米技术的发展,将来这种自洁涂料几十年后还能使墙鲜亮如初。

(九)纳米化妆品

化妆品很难让皮肤吸收,因为它的吸收要通过汗腺或者通过皮肤的一些淋巴组织来完成,真正渗透进皮肤里的有效成分不到实际涂抹的万分之一。如果我们把有效成分,比如说中药的有效成分变成纳米的小颗粒,就简单了。这样的小颗粒可以直接进入皮肤去治疗。比如抗皱,一抹上就会感到皱纹减少。

我们皮肤的组织都是皮肤细胞的堆积,皮肤角质层细胞之间的缝隙就是纳米尺度,微米级的东西进不去,纳米级的物质可以直接进到皮肤里。

人过了25岁,皮肤的色素就会沉着,甚至出现大块的色斑。现在市场上销售的去斑化妆品用起来总是不尽人意。纳米祛斑霜能很快祛斑,它渗透到细胞之间,将染上斑的细胞逐个洗净,抹上纳米祛斑霜后,能眼看着它的颜色变淡,第二天斑痕就没有了。当然目前这种纳米化妆品还在研制中。

纳米减肥药物可以加入许多含糖含脂量高的食物里,比如冰淇淋、火腿肠等等,这种药物无毒无色无味,但能阻止人体吸收过多的热量而导致肥胖。这样的食品将来会受到大多数人的欢迎,因为他们可以大开胃口而不必担心肥胖。

还有一种减肥药直接涂在肥胖的部位,因为它的颗粒极细,很快能渗进皮肤,将多余的脂肪挤吸出来。也可以口服一种减肥药,这种药深入脂肪内部,将其打碎后排出体外。

(十)纳米武器

目前,国外许多未来学家和战略家认为,纳米技术不仅会深刻影响到人类社会生活的各个层面,甚至会改变未来军事和战争形态。