克里斯蒂娜：“奈米革命”後的美麗新世界

克里斯蒂娜·彼得森是奈米技術領域的知名研究者和領導者，是始於1986年的奈米研究和教育機構“先鋒研究所”的主要創始人。彼得森本人還是一名作家和講師，是《自由未來：奈米技術革命》的主要作者。彼得森多年對奈米技術的熱愛裡既有個人興趣，即想讓自己和其他人過上健康長壽的生活，也有人類共同的夢想和渴望：清理地球上的環境汙染，還天空和大地本來的模樣，讓人和自然、動物快樂共處。在與彼得森簡短的30分鐘的對話裡，她勾勒了一幅讓人心潮澎湃的未來圖景。

奈米技術的三階段

奈米技術的發展有三個階段，首先是新材料。早期應用奈米技術的產品常常出現在汽車等工業體系中，因為已經直接融入到了產品中，消費者幾乎察覺不到，所以不會覺得有多麼興奮。現在我們已經聽到更讓人興奮的碳奈米管、石墨烯等。如今我們還處於新材料階段，很快我們就會進入到奈米裝置階段。下一個5~10年裡，最讓人期待的就是奈米抗癌裝置，它們可以精準地定位癌細胞，幫助進行靶向治療，這種裝置已經存在了，只不過還沒有被批准使用，因為醫療器械都需要經過嚴格的測試和政府的審批。

當足夠多的奈米裝置出現，我們就會進入系統階段，也就是諸多奈米裝備一起運作的階段。比如，分子計算機、分子X光射線、分子實驗室等，這些奈米級裝備可以協調合作，構成一個強大的奈米系統。

從材料到裝置，再到系統，奈米技術最終能給人類帶來什麼？對我來說，讓人類長壽是奈米技術最讓人興奮的應用，但並不是人依然會變老、生病的那種長壽，而是那種長久且快樂的長壽。我們體內天生有一套修復機制（免疫系統）來保障整個系統的正常執行，但隨著我們年齡的增長，體內的這套系統會逐漸衰弱。以長壽最大的“殺手”癌細胞來說，人體天生其實就有對癌細胞的自主防禦功能，問題是，隨著年齡的增長，這些功能會逐漸衰竭，這也是大多數的癌症患者都是老年人的原因。

因此，我們需要將奈米級的裝置乃至系統植體內，首先來鑑定到底是什麼問題，是某些DNA出了差錯還是有了癌細胞，到底問題出在哪裡。然後，我們可以模仿免疫系統的運作方法，研發出“改良版”的一套奈米人工免疫系統，讓它不會隨著時間的增長而衰弱或退化，能夠一直強有力地應對身體出現的各種問題，這正是我和團隊成員正在研究的。很多情況下，自然能給我們很多靈感。我們與其絞盡腦汁去創新，不如思考和借鑑大自然的智慧。比如線粒體（mitochondria，一種存在於大多數真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器，直徑在0.5~10微米，為細胞的活動提供能量，有“細胞動力工廠”之稱），它是活躍在我們身體內的天然奈米機器，是自然的傑作，我們可以人工創造出類似的系統來。

奈米技術未來

回顧奈米技術發展的30年曆史，讓我興奮的是，奈米技術真的已經到來了。但讓我失望的是，它的步伐還是太慢了。不過，奈米技術無疑是非常昂貴和困難的一個領域，它需要很多研究裝置和儀器，需要貴得驚人的材料，還存在諸多安全規範的限制，因此，在奈米領域研究出一些成果相比其他領域需要花的時間也更長，挑戰更大。作為一門基礎科學，它的研究通常是由政府資助的，比如，美國相關能源部門就在為奈米新材料和新裝置的研究提供資金，研發能源生產、發射和分離等。通常大部分研究都是從政府的資助開始，然後進入大學，有一些研究能得到大公司的資助，偶爾也有創業者發起的研究，但並不多見。

當然，奈米技術到達最先進的研究階段，即第三個“系統”階段後，我們就能得到這項技術帶來的最大回報。屆時，奈米技術將能讓我們製作出非常輕，但強度又非常高的太空旅行工具，並可以大大降低到太空的費用，因此，人們將能夠到太空旅行或者定居別的星球。奈米技術的長期未來是，人類將非常健康和長壽，而且不少會選擇生活在太空中。

奈米技術另一大應用是清理汙染。如今，地球上很多地方空氣嚴重汙染，土壤中的化學成分有毒，海洋中遍佈垃圾和很多工業汙染，這些都需要用奈米技術清理。這也是我們必須做的，我們需要使空氣更純淨，海洋更清澈，土壤更健康肥沃，需要將所有的化學物品從不該出現的地方清理乾淨，還地球本來乾淨天然的模樣。只有這樣，所有地球上的動植物才能健康快樂地生存。

現在，城市中到處都是高樓大廈和汽車，它們把人與自然分隔開，讓很多人無論白天和夜晚都處於燈光和喧囂聲中，處於看不見藍天白雲，也享受不到一刻寧靜的狀態中。最終，運用先進的奈米科技，我們將能把建築和各種交通運輸工具全部建在地下，但依然擁有新鮮的空氣和良好的採光，科技將允許我們有能力這樣做。而地表上則大多數恢復其原來自然的模樣，到處就像原始森林一樣充滿生機，動物們會再次出現，人們可以隨時隨地置身流水和花園之中，與可愛的動物們和諧共處。

珍妮弗·迪翁：隱身術煉成記

珍妮弗·迪翁是科學家的年輕新秀，作為斯坦福大學材料科學與工程系助理教授，已經擁有以自己名字命名的奈米技術實驗室，主要致力於超材料研究，應用範圍包括高效太陽能能量轉換到生物醫學等多個領域。加入斯坦福大學之前，珍妮弗在伯克利國家實驗室擔任過化學博士後研究員，是美國國家科學基金會（NSF）事業獎、美國空軍科研辦公室（AFOSR）青年調查員獎等獲得者。2011年，她被麻省理工《技術評論》稱為35歲以下以變革方式解決重要問題的國際創新者。

珍妮弗熱情又充滿活力，採訪當天，她穿著牛仔褲，推著腳踏車走進了斯坦福的辦公室，她孩童時代的夢想就是製作出“隱形斗篷”，如今她正在實驗室裡用奈米技術朝這一目標前進。除了介紹自己的研究方向和進展，她還詳細闡述了何為奈米技術，目前為止到底取得了哪些實際研究成果以及未來還有哪些潛在應用。

奈米技術的主要成果

一奈米就是一米的十億分之一，人類的紅細胞比奈米大一些，原子又要比奈米小一些。這個長度規模很重要的原因是，當從奈米層面看物質的材料和結構時，就會發現許多不同尋常的、有趣的物理和化學特性和變化。這是對奈米技術最廣泛的一個解釋。

奈米技術已經有超過十幾年的歷史，它可以應用在計算機、太陽能、電池技術、生物醫學、水淨化等多個領域，目前已經有一些研究成果，包括已經商業化以及還在測試期即將商業化的產品。

目前奈米技術最知名的一個應用是電池儲存技術，將電池的電極用奈米材料改造成奈米結構後，可以增加能量儲存密度，讓電池持續時間更長。現在iPhone的電池充一次電可以用近20個小時，然而，追溯到1980年左右，即奈米結構的電極出現之前，電池充一次電連一個小時都無法維持。而且現在電池的充電速度也更快了。

奈米技術第二個“前途無量”的應用是量子點顯示技術，也是已經商業化的技術，比如三星已經在很多顯示屏上應用了這種技術，推出了量子點電視等。量子點是類似矽的一種半導體材料，當將該材料奈米化的時候，它們就可以根據電壓輸入的微妙變化而呈現出各種不同的顏色（採用量子點技術的螢幕在生產時更容易校準，擁有更準確的色彩表現，並且在色彩飽和度方面擁有明顯的優勢）。

還有很多金屬奈米粒子正應用於生物醫學領域，我最喜歡是一種新式癌症化療方法，首先向患者體內注入奈米顆粒，然後拿一個紅外線發光二極體來照射腫瘤，腫瘤上的金屬奈米顆粒會大量吸收紅外線，使腫瘤細胞的溫度迅速升高並由此切除。和傳統化療相比，這種熱燒蝕技術針對的是特定的腫瘤，是對癌細胞進行精準定位的治療，該技術現在已被用來治療乳腺癌、腦部和頸部的腫瘤等。總之，奈米技術現在有這三種主要的商業化的應用成果，電池和生物醫學的技術已經申請專利了。

揭秘“隱身術”

斯坦福大學的研究團隊在奈米技術領域非常活躍，我的實驗室對奈米技術的研究涉及多個方向，大部分都是關於奈米粒子如何跟光互動，以呈現不同效果的研究。“隱身”只是我們研究的一種，但因為有趣而關注的人較多。具體來說，烏賊、章魚以及變色龍等動物都可以根據環境的變化改變面板的顏色，我們正在研究如何製造出可以模仿這些動物面板特性的新材料。

眼睛能看到東西，是因為光線被物體折射到眼睛裡了，還有一部分光線被物體吸收了，我們看到的紅色、黃色、綠色等就是沒有被吸收的光。要讓物體隱形，就要確保物體跟眼睛之間沒有任何光的反射和吸收，基本思想是讓物體覆蓋在一種“面板”之下，當光穿過來時，“面板”可以引導光繞過物體，然後再在另一邊出現，好像它從未穿過這個物體，只是穿越了自由空間一樣。這也意味著要讓光線在物體周圍連續不斷地彎曲，這種折射角度是普通自然材料很難實現的。我們需要在實驗室製造出具有特殊折光指數（index of refraction，也稱折光率，是光在真空中的傳播速度與在某介質中傳播速度之比）的工程材料，空氣的折光率是1，水的折光率是1.3，玻璃的折光率為1.5，隱身需要比空氣的折光率還要低的材料，某些情況下甚至可能是負的。目前我們最高已經能做出折光率為“-1.5”的大面積材料以及折光率為“-4”的微型規模材料，也就是“超材料”（具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料）。

烏賊或章魚的面板能迅速變得和環境一模一樣，部分是因為它們能夠改變光的反射和吸收，部分是因為荷爾蒙的變化，即化學物質的注入。雖然我們現在還沒有做出來特性與烏賊面板一樣的材料，但我們已經有了一種折光率為-1的聚合物，並且可以做到向它注入化學物質了，最後也能讓它呈現的效果跟烏賊的面板一樣。這個過程基本上就是用負折光率的材料讓物體看起來像是透明的，再到看起來像空氣一樣，這種材料除了隱身還有更多非常有趣也有用的科學價值。

我們還在研究一種可以根據身體內部的機械力或電場強度（如神經元的腦電波）的變化而變換顏色的奈米粒子。你的心跳、呼吸、血壓乃至細胞分裂和細胞癌變等都是機械力，在判斷器官或細胞是否健康方面至關重要。每當奈米粒子經過身體內部機械力或者電場不同的地方時，它們就能發出紅外線或者其他不可見的光。如果你在面板表面放置一個感測器，這些奈米粒子就可以用不同的顏色將身體內部機械力的變化情況告訴醫生。

奈米領域的“下一件大事”

由碳製造出的新的奈米材料大多很有趣，比如碳奈米管、石墨烯等，雖然它們被媒體熱捧，但它們的目前應用場景還並不明朗。很難說奈米技術接下來最重要、最有優勢的應用會是什麼，目前大多研究還是好奇心驅動的。

在目前所有的奈米技術研究中，我認為更重要的是兩個領域。第一個是新型環境材料，主要是可以用於高效的水淨化系統中，尤其是海水淡化中的材料。第二個是應用於個性化定製醫療的奈米材料或裝置，很快會有像葡萄糖感測器這樣的裝置，或奈米材料與外部裝置相互作用的方法（如之前提到的金屬奈米粒子吸收紅外線切除腫瘤，以及奈米粒子將身體內部機械力變化傳到面板感測器等），時刻監測和保障人們的健康，很多基於奈米材料的外部裝置也更容易得到FDA（食品藥品監督管理局）的認證。

奈米技術在計算領域的應用潛力也是巨大的，現在有很多的研究人員正在研究可以代替電子電路的新科技。目前我們提高計算能力的方法都是增加晶片上電晶體的密度，這也是摩爾定律能維持下來的原因。但隨著晶片上電晶體的增加，連線兩個電晶體的金屬線就會距離過近，透過兩根金屬線中的電子將互相影響，兩根線的資訊傳輸速度都會下降，也意味著即使可以在一個晶片上安裝更多的電晶體，資訊傳輸速度也不會再增加了。

我們團隊現在感興趣的是使用光學元件來代替傳統的電子元件，IBM和英特爾就已經有了整合光學電路，即矽光子（Silicon Phototonics）技術。光學元件的優勢是無論兩個元件的距離多近，它們都不會互相影響，資訊還是以光速被處理，比電晶體快很多。另外，光有不同的波長，傳輸的頻寬將會大很多，這也是為什麼整個網際網路是用光纖來傳輸資訊。問題是，光學電晶體切面有400奈米寬，相比10奈米的電子電晶體，要想將其縮小到跟電子晶片的尺寸保持一致非常困難，很多研究團隊包括我們都正在試圖造出和電子元件一樣大小的光學元件。此外，我們還面臨著許多挑戰，如製造出奈米尺寸的光學二極體等。可以預見的是，這方面的成功將變革現有資訊科技。

另外，奈米技術能否讓超導在室溫下實現也是不少研究者關注的，他們每年都研發出來越來越複雜的奈米材料，可以使實現超導傳輸的溫度更高（超導目前只能在極度低溫下實現），我覺得這絕非不可能。總之，我們將很快看到奈米技術在環境、醫學、感測、計算、顯示等多個領域的進展。