中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在患有乳腺癌的小鼠體內(nèi)注射一種納米新材料，并在腫瘤處用近紅外激光進(jìn)行照射，僅用四天，小鼠體內(nèi)的腫瘤便痊愈了。這是中國科技大學(xué)教授曾杰科研小組的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中用到的納米新材料叫做“納米之星”，是他們近期的發(fā)明。
“納米之星”是一種兼具優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)和催化性能的納米新材料，據(jù)介紹，科研小組于2012年10月份入手課題，2013年7月份初步結(jié)果成型，最終成果發(fā)表在今年7月7日出版的《自然·通訊》雜志上。此種新材料有望廣泛應(yīng)用于生物診療和催化領(lǐng)域。
自下而上，打造“納米之星”的“三層小樓”
曾杰教授打了一個(gè)形象的比方：“由于納米材料的尺度非常小，如果將通常用肉眼看得見的常規(guī)材料比作摩天大樓的話，納米材料可以比作一個(gè)三層小樓，原子和分子相當(dāng)于建筑的一磚一瓦?！?
建造納米材料這座“三層小樓”通常有兩種方法：一種是自下而上，從打地基開始，一磚一瓦往上蓋，蓋到三層停止；第二種是自上而下，如同將摩天大樓一層一層往下拆，拆到剩下三層停下來，也可以得到納米材料。
曾杰教授科研小組制備“納米之星”用的是自下而上的辦法：在一杯100攝氏度的沸水溶液中，金和銅的原子漂浮在水中，并可沿著任意方向運(yùn)動(dòng)，其相互的碰撞讓它們結(jié)合、長(zhǎng)大。研究人員通過控制生長(zhǎng)的快慢和方向，使金、銅原子沿著五個(gè)對(duì)稱的方向排列，最終結(jié)晶成規(guī)則的五角星形狀的納米尺度材料?！熬拖袼锩娴囊活w糖，是一個(gè)溶解之后結(jié)晶的過程”。
五星合金：優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換及催化性能
“納米之星”和其他納米材料相比具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)和催化性能，這得益于它的兩個(gè)特有基本因素：呈五角星的形狀，以及金和銅的合金。
五角星形狀在納米材料中非常少見。據(jù)曾杰介紹，良好的催化性能來源于材料的表面和棱角，常規(guī)的立方體或四面體形狀的材料表面是平整的，原子在平整的表面上排成排，形成的是一個(gè)平面，其催化活性就不夠好，而五角星的表面從兩個(gè)棱角中間到棱角的過渡部分是一個(gè)斜坡，就形成了原子臺(tái)階，一級(jí)級(jí)降下去，催化性能得到提升。
“納米之星”優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)嚴(yán)格來說叫做光電效應(yīng)，“光打在材料表面上，但能量不足以將電子打出去，電子雖然吸收了光的能量，卻接著轉(zhuǎn)換成電子的集體運(yùn)動(dòng)，電子波在運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過一些物理過程跟材料的原子核發(fā)生相互作用，就變成了熱，是這樣一個(gè)光熱轉(zhuǎn)換過程”。曾杰告訴記者。
光熱轉(zhuǎn)換，高溫“殺死”癌細(xì)胞
小鼠實(shí)驗(yàn)中，就是利用“納米之星”優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換性能，將照射的紅外光轉(zhuǎn)換成熱，從而殺死癌細(xì)胞。
生物組織最重要的單元，正常溫度都是在37—42攝氏度。所以一般來說，只要對(duì)其加熱超過42攝氏度，并且加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，細(xì)胞就會(huì)死掉?！拔覀兊霓k法就是將納米材料通過生物技術(shù)定位到腫瘤（癌細(xì)胞的聚集區(qū)）上，再打一束紅外光，紅外光穿透生物組織，到達(dá)材料定位的地方，材料吸收光轉(zhuǎn)換成熱，對(duì)癌細(xì)胞加熱，只要材料的光熱效應(yīng)足夠好，腫瘤就會(huì)消失”，曾杰說。實(shí)驗(yàn)中小鼠體內(nèi)腫瘤有綠豆大小，每天光照十分鐘，連續(xù)四天，癌細(xì)胞高溫致死之后腫瘤自然就塌陷了。
“納米之星”在實(shí)驗(yàn)中成功殺死了癌細(xì)胞，如果想進(jìn)一步將它用于實(shí)際治療，還有一些需要解決的問題。一個(gè)是劑量問題，劑量同體重和腫瘤大小相關(guān)，需要標(biāo)準(zhǔn)化；另一個(gè)是代謝問題，它被注射入體內(nèi)后，在體內(nèi)循環(huán)一段時(shí)間最后會(huì)附在肝臟，研究人員目前并未發(fā)現(xiàn)材料具有自發(fā)毒性，但也還沒發(fā)現(xiàn)它具有自發(fā)代謝的功能。盡管目前沒有發(fā)現(xiàn)問題，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，代謝問題仍需考慮?？傊?，要將新材料應(yīng)用于實(shí)際醫(yī)學(xué)治療，技術(shù)方面需要繼續(xù)推進(jìn)，此外還涉及國家關(guān)于醫(yī)藥器械的政策問題。
腫瘤治療、動(dòng)物節(jié)育新法有望實(shí)現(xiàn)
使用“納米之星”進(jìn)行腫瘤治療，不需要開刀，只需將納米材料通過靜脈注射進(jìn)體內(nèi)，再結(jié)合光照就可以了。這是一種新的治療方法，至于療效還有待進(jìn)一步研究所以還不好評(píng)價(jià)，但至少可以提供多渠道和其他療法綜合使用。
此外，“納米之星”還有諸多潛在應(yīng)用。曾杰教授同其他課題組正在進(jìn)行合作的一個(gè)項(xiàng)目是將之用于動(dòng)物節(jié)育?，F(xiàn)在流浪貓狗特別多，不加以控制容易傳染疾病，但控制過度又出現(xiàn)諸如城管打狗等極端社會(huì)事件，畜牧業(yè)也需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行節(jié)育來提高產(chǎn)量。通過光熱轉(zhuǎn)換的辦法，高溫殺死精子細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)雄性節(jié)育。正如曾杰教授所說，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)很大的突破口，“納米之星”在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。
延伸閱讀
國家大劇院：納米材料涂層
曾杰教授向我們介紹了納米材料的自清潔表面的應(yīng)用，國家大劇院表面就有一層特殊納米材料的涂層，任何水在這層納米材料上面就會(huì)變成一顆水球滾落，無法在斜面上停留，這樣下雨時(shí)雨滴里攜帶的灰塵便不會(huì)殘留在大劇院表面，因而表面的磚是不需要進(jìn)行人工清潔的。當(dāng)然，只是特殊結(jié)構(gòu)的納米材料才具有這種功能。
納米材料在環(huán)境方面的應(yīng)用是一柄雙刃劍。一方面它有很多用武之地，例如利用其催化作用降解環(huán)境中的一些有毒的微生物或工業(yè)廢料等；還可以模擬自然界中的光合作用。
但是，納米材料的安全問題不容忽視。它并不是指某一種類的材料，而是某一種尺度的材料，因而涉及方方面面的材料，形態(tài)多樣且流動(dòng)性大，一旦泄漏就會(huì)在水中或者空氣中漂浮，這對(duì)環(huán)境來說是一種潛在的威脅。對(duì)納米材料安全性的預(yù)警和評(píng)估，目前研究還比較少，是今后值得關(guān)注的話題。
量子計(jì)算機(jī)：未來的全新概念和體驗(yàn)
納米技術(shù)對(duì)信息時(shí)代的貢獻(xiàn)有兩方面：一方面可以使單位體積的信息量和存儲(chǔ)容量提升好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，速度也會(huì)加快；另一方面，伴隨著新的概念的出現(xiàn)，比如量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)跟傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，除了容量和速度性能好之外，還有革命性的一些創(chuàng)新：傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)是靠導(dǎo)線傳輸信號(hào)，這還處在經(jīng)典力學(xué)范疇。由于波粒二象性原理，納米尺度下的電子具備“穿墻術(shù)”，可任意穿梭于足夠小尺度下的障礙物。這就是量子計(jì)算機(jī)的基本原理，利用“穿墻術(shù)”可以擺脫導(dǎo)線的約束，也就不再受加工工藝的限制，實(shí)現(xiàn)在非常小的集合單元里高密度的電子傳輸。
從牛頓到愛因斯坦，從經(jīng)典力學(xué)到量子力學(xué)，帶來了諸多前所未有的概念和現(xiàn)象。正是在納米尺度下，量子力學(xué)才得以大展拳腳。
燃?xì)鉄捰停何从昃I繆
化工包括石油化工、精細(xì)化工、化學(xué)工業(yè)（如PX項(xiàng)目）等，里面涉及到的化學(xué)轉(zhuǎn)化全部都需要靠催化劑實(shí)現(xiàn)，絕大部分納米材料本身就是優(yōu)質(zhì)催化劑，新興的一些納米材料的催化性能甚至可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)納米材料做不了的事情。
曾杰教授課題組正著手的一個(gè)研究是將天然氣轉(zhuǎn)換成汽油，這使用傳統(tǒng)的催化劑幾乎不可行。這是一種燃?xì)庵迫加图夹g(shù)，煉制汽油、柴油、煤油的傳統(tǒng)原材料是石油，然而現(xiàn)在石油面臨枯竭，“原料一旦枯竭，燃油就無從談起。我們未雨綢繆，提出燃?xì)鉄捰?。從前石油煉油是做減法，石油本身是一個(gè)長(zhǎng)鏈烷烴，是一個(gè)很長(zhǎng)的碳鏈，將其剪斷成長(zhǎng)長(zhǎng)短短的碳鏈，再通過不同的沸點(diǎn)把他們分開，就可以得到汽油。我們要做的正好相反，是加法煉油，原材料天然氣只有一個(gè)碳，將其接起來，接成七到十二個(gè)碳就可以變成汽油”，曾杰介紹道。目前，我國天然氣的儲(chǔ)量和開采量每年都在上升，原材料很充足，值得去開發(fā)此技術(shù)。
“隱身衣”有望成真
軍事上的應(yīng)用進(jìn)展值得一提的是隱形斗篷和隱身衣。前幾年美國科學(xué)家已經(jīng)用碳納米材料制作出一塊隱形布，加入電流，馬上就能隱形?，F(xiàn)在雖然由于技術(shù)原因，真正的隱身衣還未面世，但相信等待的時(shí)間也不會(huì)太久。隱形斗篷主要針對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)，目前這些都處于研究階段，但相較于之前的理論階段，實(shí)驗(yàn)階段已經(jīng)有所突破。
錢學(xué)森曾經(jīng)預(yù)言過：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?
“無論從科技發(fā)展的歷史規(guī)律，還是從納米材料的特殊性能來看，我們理解的第三次科技革命就應(yīng)該指的是納米革命”。曾杰說。
