推动药物研发、助力人工智能...神奇的纳米技术能为世界带来哪些可能？

当今世界，人们对纳米已经不再陌生，小小的纳米仿佛开启了一扇通往奇异国度的大门，让我们走进神奇的纳米世界。

纳米科学已经渗透到我们生活的方方面面，大到纳米级别的卫星，小到纳米内衣，等等。人类通过对纳米世界的不断探索和研究，来实现对整个微观世界的控制。纳米科学也就衍生出纳米材料学、纳米医学、纳米生物学、纳米电子学，等等。

有了纳米技术，小小的一块电子器件就可以储存更多的信息，可以让药物更加精准地在人体内进行靶向治疗，可以让金属材料的强度加倍，让陶瓷材料的塑性更好，还可以让纳米集成器件随卫星飞向天空，实现轻量化、降成本、增功效的神奇功能。

让我们从最新的纳米研究成果说起。2020年的未来科技大奖中有一项就是对于纳米结构金属材料的研究一让金属材料同时具有高强度、高塑性和高电导率。普通金属材料的晶粒尺寸在数十到数千微米范围内。而当晶粒尺寸继续缩小到数十到数百纳米的范围内，就形成了我们经常听到的纳米金属。

传统材料科学领域中往往认为纳米金属的强度和塑性以及导电性之间存在天然的矛盾，然而，科学家在对纳米金属长期的研究和观察中，却发现如果对纳米金属的结构再进行一些修饰和调整，完全有可能让纳米金属集各种性能于一身，成为突破常理的神奇材料。

中科院的研究团队先后发现了两种新型纳米结构，在金属材料强化原理上完成了重大突破。这两种结构是高密度纳米挛晶和梯度纳米结构，它们在具备超高强度的同时，分别还具有极强的导电性能和塑性变形能力。例如，具有梯度纳米结构的纯铜样品，强度较普通粗晶铜高一倍，同时拉伸塑性不变，这就突破了传统强化机制的强度一塑性倒置关系，而且已被应用于工业界并取得了显著的经济效益。

那么，人类在纳米级别的基础上还能干点什么呢？发现纳米级别的核壳结构，无疑是纳米世界的一个大事件！在与宏观社会迥异的微观世界里，也有一种类似于元宵的物质结构。这种“元宵”通常只有几十纳米大小，外壳更是可能只有几纳米厚，这就是进入新世纪以来在材料、化学等领域炙手可热的纳米核壳结构。

图片来源：视觉中国

什么是纳米核壳结构？纳米核壳结构一般是由两种物质构成的纳米级颗粒，包括核心和外壳两个部分，形状可以是球形、多面体、片层状以及棒状等。纳米 核壳结构不仅具有传统纳米材料的诸多神奇性质，还可以通过调控核心及外壳的材料、形态以及设计，来获得更加优异的稳定性、反应活性，以实现廉价材料对高成本材料的替代等。

纳米核壳结构可以节约贵金属材料，提升催化性能。比如由铂金属颗粒做成的汽车尾气催化器，如果长期大量使用铂金属，其成本将极其昂贵，但利用制备纳米核壳结构的方法，就可以将铂的使用仅仅限制于核壳结构的外壳，而核心则采用廉价材料。由于具备催化功能的部分实际上仅为暴露在外的壳体部分，因此使用廉价材料核心基本不会影响到铂作为催化剂的功能。相反，如果在制备铂外壳的过程中，采用某些特殊的调控方式，让铂外壳生长出催化性能更强的形态，或者暴露出具有更强催化能力的铂原子面，将有望在极大降低铂系催化剂成本的同时，大大提升催化性能。这真的是花最低成本办最大的事了。

纳米核壳结构还可以增强核心材料的稳定性，未来的新能源车、高铁等领域亟需具备高耐热、高导热、大电流通过能力的焊接材料，而微纳铜粒子在较低的温度下即可实现烧结，之后形成的多孔网状结构具有与块体铜类似的熔点，耐热性能极强。同时，铜为热、电的良好导体，具有远超过传统焊料的优异高温特性。因此，纳米铜在下一代高温焊接材料和先进导电通路等领域都将大有可为。

纳米核壳结构也可以运用于制药行业，与传统药物制备过程相比，纳米核壳结构在保持胶体稳定性、防止纳米粒子团聚以及控制粒子界面反应方面有着重要作用。未来，纳米级别的“医生”将要出诊了，纳米药物将实现精准定位，更好地作用于人体。

纳米的神奇还远远不止以上这些，未来纳米将影响到更多学科。目前，世界各国也都在不遗余力地开展纳米研究，未来将出现大量的纳米科技产品，来改变人类的生活。可以憧憬一下，在不远的将来，人类将和各种纳米机器人见面，然后说一句“你好，纳米新世界”！

交叉性极强的纳米技术

纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是动态科学（动态力学）和现代科学（混沌物理、智能量子、量子力学、介观物理、分子生物学）和 现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。