納米科技 “以小搏大”
納米尺度——
納米科技越來越受到科研界和產業界重視。研究顯示，21世紀以來，全球960個最顯著的科研方向中，89%與納米科技有關。作爲多學科交叉融合而成的前沿型、基礎型、平臺型科學，納米科學爲物理、材料、化學、能源科學、生命科學、藥理學與毒理學、工程學等七大基礎學科提供了創新推動力，成爲人類最具創新能力的科學研究領域之一以及變革性產業製造技術的重要源泉。
什麼是納米科技？首先得了解納米。納米是長度單位，1納米相當於4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小得多。科學家們研究發現，在納米尺度上，材料會呈現出與宏觀尺度上完全不同的物理學、化學和生物學特性。比如，低強度或脆性合金會獲得高強度、高延展性，化學活性低的化合物會變成強力催化劑，不能受激發光的半導體會變成高效光源……總之，尺度的縮小使納米物質呈現出既不同於宏觀物質也不同於單個孤立原子的奇異特性，彷彿具有了“特異功能”。
在這一科學發現基礎上，人類發展出納米科學和納米技術。納米科學以尺度在0.1—100納米之間的物質爲研究對象，探索其特有的物理、化學、生物性質和功能；納米技術則是在這一空間尺度內操縱原子和分子，對材料進行加工，製造具有特定功能的器件。科技革命提供了新工具，深刻改變着人與自然的關係。納米科技通過納米尺度的精準操作，調控物質的屬性，賦予納米材料理想的機械、化學、電學、磁學、熱學或光學性能，使這些新型納米材料在傳統和新興工業製造領域得到廣泛應用。
納米材料——
提高生產生活質量
納米材料如今已經廣泛應用於工業製造領域。在傳統機械製造業，納米材料被用作機器零件的表面塗層或潤滑劑，以減少磨損、延長機器使用壽命。在航空航天器製造業，質量輕、強度高的納米結構合金是製造飛機機身以及過濾、抗振、防火零部件的理想材料。在電子信息產業中，納米技術的應用將有助於克服以強場效應、量子隧穿效應爲代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲爲代表的技術限制，製造出基於量子效應的新型納米器件，推動高性價比製備工藝的發展。在輕工業領域，人們日常使用的防曬霜，其主要成分是納米二氧化鈦或氧化鋅，而納米纖維則用於製造防皺、防沾污、抗菌的衣物，以及各類體育用品如網球拍、自行車等。
在生態文明建設、推進節能減排和低碳發展方面，納米技術作爲多學科交叉領域，能夠顯著促進可替代能源的發展，提高能源使用效率。在石油化工行業，金屬、氧化物、碳和其他化合物的納米顆粒是很好的催化劑，在石油精煉、生物燃料製造等領域有重要應用，可以顯著提高燃料的燃燒效率，減少污染和能耗。在清潔能源領域，納米材料用於研發製造低成本固態太陽能電池，高性能可充電電池（含超級電容器）和溫差電池、燃料電池等；高效納米儲能材料、熱電轉換材料等，是新型能源材料主要發展方向，將對解決日益突出的能源問題起到重要作用。
利用納米環境技術可以顯著減少現有重型污染源對環境的破壞，提高人類生存的環境質量，實現材料、水和空氣的良性循環。例如納米顆粒可通過化學反應有效降解印染、電鍍等工業廢水的污染物，納米纖維能夠高效吸附空氣中的污染物顆粒，緩解汽車尾氣、工業廢氣、家庭裝修等造成的大氣污染，二硫化鉬薄膜能高效實現鹽水淡化，多孔納米材料可以像海綿一樣吸收水中的重金屬和浮油等有毒物質。
納米醫學——
增進生命健康福祉
作爲醫學與健康科技成果轉化的重點關注學科，納米科技在生物醫學、藥學等生命科學領域有重大應用，對疾病診斷和治療產生深遠影響，具有重要的社會與經濟前景。
迄今爲止，納米技術在生物醫學方面有很多引人矚目的成就和富有前景的應用。納米孔基因測序技術，利用電場驅動DNA單鏈穿過薄膜上的納米孔，並記錄孔上產生的電流變化，從而識別出單鏈上的基因編碼序列。該技術有望大幅降低基因測序成本並提高測序速度。納米藥物遞送技術，較傳統藥物具有顯著優勢，它能讓藥物突破化學、解剖學和生理學方面的阻礙，抵達病變組織，提高藥物在病竈位置的聚集量，減少對健康組織的損害。例如，經過精心設計的納米藥物可以經血管滲漏點滲入癌變組織，並在靶點位置積聚，提高癌症靶向治療的精度。近年來，該領域一個突破性進展是藥物緩釋納米機器人的研發。這種全新的智能給藥系統將藥物裝入經過編程並摺疊的DNA，讓其通過血液循環運輸。一旦抵達目標腫瘤，DNA就會展開並釋放一種能導致血栓的蛋白質，使癌細胞死亡。這一技術已經在小鼠身上進行了測試，在治療乳腺癌方面具有積極作用，有望開創納米醫學全新領域。
面對突如其來的新冠肺炎疫情，我國科學家運用納米技術助力新冠肺炎的預防、檢測和治療等，在疫情防控中發揮了重要作用。
在醫療防護方面，利用靜電紡絲技術製造的納米級直徑聚合物細絲，具有濾材孔徑小、纖維均一性好等特性，用這種材料製造的納米口罩經過100次清洗還能保持99%以上的病毒過濾效果。這種材料還可以用於製造防護服、手套等醫療防護用品。納米技術還應用在病毒檢測方面。目前，新冠病毒的臨牀診斷主要依賴酶聯免疫法、化學發光法以及納米膠體金法。酶聯免疫法和化學發光法都可以進行定量檢測，但缺點是反應時間較長。納米膠體金檢測法是一種即時檢測方法，與前兩種檢測方法相比，具有快速出具結果、檢測場地不受限制以及對操作者專業性要求低等優點，更加適用於“後疫情時期”。在治療方面，傳統抗病毒藥物穩定性較差、生物利用度低，且易導致耐藥性，經納米制劑技術改造後的抗病毒藥物，能夠有效提高藥物穩定性、靶向性及生物利用度。相信在不久的將來，納米抗病毒藥物會在防疫抗疫工作中大顯身手。
納米科技在世界範圍內受到重視，被視爲引領科學技術發展、帶動新的工業革命的重要學科。進入21世紀，全球主要經濟體紛紛制定納米科技相關發展規劃，不斷增加投入，推進納米科技快速發展。我國一貫高度重視納米科學研究和技術開發，成爲國際上推動納米科技發展的主要力量之一。納米科技已經廣泛應用於我國的信息技術、人工智能、量子技術、新能源、新材料、化工催化與綠色製造、大健康與新醫學、類腦科學、深海、深空等領域，成爲驅動我國科學創新和產業變革的新引擎，對經濟社會發展、人民生活改善發揮越來越重要的作用。
我們要抓住前沿科技領域跨越發展的歷史機遇，一方面繼續加強納米科技領域的基礎研究，爭取更多科學突破；一方面強化納米科技對產業技術的推動作用，構建納米技術產業創新鏈，完善價值鏈，爲經濟社會發展提供強勁動力，助推人類社會實現新的進步。
（作者爲中國科學院院士、國家納米科學中心主任 趙宇亮）
製圖：趙偲汝