纳米神兵:改造你的车,甚至你的身体DNA

高山书院2021-04-15
纳米科技,以小搏大。

编者按: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。36氪经授权发布。

“为什么我们不能把整整24卷大百科全书写在一个针尖上?”

物理学家理查德·费曼是最早设想纳米技术的人之一。1959年,他在《在底部还有很大空间》的演讲中,就对纳米技术在一些具体领域带来的革命性突破作出了天才的预见。

随着技术的进步,费曼的设想一步步变为事实。

现在人类已经进入一个人人都使用、需要纳米技术的时代。纳米技术在高科技领域里异军突起,其应用远比我们想象的要更加广泛和多样化,即将引起一场产业革命,其背后的原理是什么?国家纳米科学中心教授级高工任红轩分享了他的观点。

当物质到纳米尺度以后(大概0.1-100纳米这个范围),物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。

纳米科技在世界舞台上普遍获得了高度关注。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,又将赋能人们的生活,带来翻天覆地的变革。

手机

第一代手机——大哥大,只有很少数人才用得起。而现在,每个人手中都至少有一部手机,手机俨然已经成为了现代人生活中无法分割的一部分。

手机一代代发展下来,其实就在于电子元器件的微小型化,一方面缩小了手机体积,另一方面集成了更多的微型传感器,心率、血氧、紫外线等数据都能通过手机进行探测。在人工智能与大数据的加持下,手机的功能也更加丰富。

倘若我们解构一台手机,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,无不涉及纳米技术的直接与间接参与。

在未来,手机演变的下一步,很有可能与增强现实(AR)与混合现实(MR)的眼镜结合到一起,把手机的各种功能透过纳米工艺搬到一副眼镜上,就像电影《钢铁侠》里的场景一样。

物联网

未来,纳米科技能给每个物体安装一个芯片和传感器,使它们联动起来。

在工业上,探测与收集了温度、压力、流速等各种各样的数据后,进行数字化控制,就能以更高的精准性自动化实现产品生产。我们只需坐在键盘前,就能让工业机器人替代我们的体力劳动。

在运输上,集合道路上的各种信息,包括交通信号、汽车位置、实时路况,交给中央处理器进行识别与精密运算,就能实现无人驾驶。我们只需悠闲地坐在座位上,等待车子抵达目的地。

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了整个汽车工业。

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的电池,很快有机会实现世界对快充的需求,为电动汽车的普及带来新的助力。

触摸屏

现在手机上广泛应用的触摸屏,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。未来的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

到了冬天,刚上车时如入冰窖,尤其北方人可能深有感触;这时候,碳纳米管制作的复合柔性电加热薄膜就实现了在非常安全的电压(3-15V)下,一分钟内把车内座椅加热,让汽车四季如一地保持舒适。

内饰

纳米工艺仿生荷叶的超薄疏水层,添加到内饰的纺织表面,污垢不再能直接渗入内饰的纤维中造成脏污,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)的光触媒自洁玻璃膜,能轻松解决车窗玻璃在雨后或冬天起雾的现象,同时有了这层膜,玻璃上的雨雪尘土都变得更容易清理。

另外夜晚行车,有时候会遇到一些环境的炫光问题。为此,一些人会选择佩戴墨镜来起到一个遮蔽强光的作用,但它却同时使到我们的视野变得昏暗,造成另一种行车风险。如今,纳米加工的防炫光镜片已经能够完善地解决这个烦恼。

车身

纳米技术已经可以给车漆穿上一层铠甲,让它变得异常耐磨,不容易刮伤。

这是一辆跑了2万公里的轿车:上了纳米层的前车门光洁如新;而没做纳米涂层的其余部分就显得憔悴不少。

空气净化器

光活性的纳米催化剂(TiO2)能对车内空气进行净化;在紫外光的作用下,将汽车内饰释放的有机物等有害气体分解成无害的二氧化碳和水。

另外,对于燃油车而言,排放尾气是不可避免的。传统的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、钯这些贵金属材料。要想给所有燃油车装上这样的三元催化剂,对地球的资源是极大的考验。

现在,纳米科技给出了新解答:把纳米级的复合稀土氧化物加到排放系统,尾气中的CO、NOx几乎完全转化。

保险杠

传统的保险杠在抗冲击性能上存在一定的限制。现在,利用纳米插层聚合的原理,把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,大幅提升了有机物的抗冲击强度。这原理类似于80年代非常流行、家家户户都有的网兜。

医疗与医药场景

微流控芯片

微流控芯片,严格来说并不是传统意义的芯片,只不过体现了传统芯片类似的概念和功能。

微流控芯片里(如图A)有很多微米级的沟道。当待检液体流过相应的通道,就会和相应的抗原和抗体产生反应,从而引发一个荧光信号的变化,诊断出物质的存在。

如果我们能设计出更多这样的通道并集成在一块芯片上,就可以实现大量疾病快速而低廉的诊断。芯片本身的成本不超过10块钱,而整套检测的设备差不多几万块,如此一来,将有机会替代医院的大型仪器完成诊断。

人工骨骼

过去,粉碎性骨折的病人需要在骨折处打上钢板,然后裹上石膏;长好后,二次手术把钢板取出,再经历一段康复期。

如今,利用纳米材料制作的人工骨跟人体的正常骨头成分非常接近,植入后可以直接融合生长在一起,避免二次痛苦。

除了骨骼,其他的器官也可以打印,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们匹配的牙形。大夫手艺的好坏直接决定了牙齿质量的好坏。

现在,我们可以先对坏牙进行3D扫描和智能修复,再利用3D打印机制作一颗一模一样、完好的牙齿,给你种回去。

脑科学

研究器官的状态都涉及信号的提取,而大脑是一个非常精密的器官,轻微的触碰也可能造成大脑损伤。

纳米材料所制的电极非常微小,可以贴到脑组织上,安全性得到了进一步提升。同时,它的灵敏度又非常高,空间分辨率比过去提升了6倍,可以提取到许多微弱的脑信号,如电信号与化学信号,为脑科学研究提供更深入的视角,来揭示各种疾病的潜在原因,能有助于医生进行及时有效的干预。

脑机接口技术,尽管国内外很早研发,但真正让它走进公众视野里的人是马斯克。如今,它利用微小型化的芯片放大信号,再用数条细线进行信号传输,但未来的脑机接口势必将更加微小型化。

在我们搞清楚相应机理后,甚至不再需要植入式的脑机接口,或许一个正常头盔就能满足信号的探测、放大和传输。

药物研发

以前,开发新药很大程度是“靠天吃饭”,合成一些化合物,再对它们进行相应测试,从细胞实验到动物实验,再到临床。这个过程当中,大量不符合的材料会被淘汰掉。

现在通过计算机,我们可以主动研制纳米药物,根据需要的结构、官能团合成物质,再去检验疗效。这样一来,就大幅提升了药物开发的速度,缩短它上市的时间。

纳米药物还有几个好处:

它速度可控,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,而以前的药物由于速度不可控,要么达不到浓度,要么为了达到浓度吃一把,造成药物瞬间释放,引发严重的毒副作用。

另外,如果通过纳米载体给药物接上官能团,它能具备靶向性,像导弹一样指哪打哪。这样在治疗过程中,就可以使药物在治疗部位呈现高浓度而在其他脏器呈现低浓度,达成药物疗效的同时大幅降低它的毒副作用。

实际上,纳米药物在一两千年前就已经为咱们老祖宗所用。文房四宝里的墨,就有治疗腹泻的用途,实际上就是利用石墨多孔、大比表面积、吸附性强的特性,吸附腹泻当中的病原微生物,并排除体外,达到治疗效果。 (温馨提醒:如今的墨汁加入了很多有机物,不可以直接作为药物使用。)

当然,古人是在摸索中发现了墨的药用,既不晓得它是纳米物质,也不知道当中的机理。知其然,未知其所以然。这也是科学史区分技术与科学的一个关键点。

基因编辑、纳米机器人

一个典型的基因编辑场景,是利用纳米载体把某个基因片段带入细胞核内,再利用激光使它释放出来相应的基因,实现基因的敲除和编辑。

电影大片里不时会提到纳米机器人,不过实际的纳米机器人并不是像我们想象的有手有脚的拟人化形象。

第一代的纳米机器人是三个科学家创造的几个有意思的纳米器件:一个是能像电梯一样上下运动的分子,一个是像马达一样能来回转动的分子,第三个是像弹簧一样能相互拉伸的分子。他们因此也获得了诺贝尔奖。

我们现在正在研制的纳米机器人,实际上就是利用 DNA 的片段,把它“纺织”成布,接上凝血酶结构,然后卷成一个圆筒,在外边加一把锁,最后再加上一个跟肿瘤因子相关的靶向基团。

这样一来,它就可以定向地集中到肿瘤部位,然后再打开锁,释放里边的凝血酶,阻断肿瘤的血管组织和营养,实现治疗目的。

第一代纳米机器人已经在实验室里实现了它的作用,但真正想搬到生产和生活当中应用,还有一定的难度,我们目前正处在第一代往第二代的过渡阶段。

未来,纳米机器人的治疗作用或许将颠覆人类生活。过去我们都是被动地靠药物治疗,将来我们或许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们身边,悄无声息地颠覆了我们的生活。而在这个过程中,当然不可避免地带来一定的环境问题、人体伤害或其他负面效应,毕竟科技是把双刃剑。

所以对于纳米材料从生产到废弃的整个生命周期,我们都需要进行监控和法规管制,而不仅仅是把有用的东西生产出来,其他后续都不理。任何科技,都必须是一个永续、负责任的发展。

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