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纳米技术:在前进中不断探索

2010-03-15 12:34:29 来源:

1989年IBM的研究人员奇异的展示出一项科学突破:构建了一个由35个原子描绘的IBM公司图标,从此操纵单个原子的技能掀起了在纳米尺度上研究和开发的浪潮(纳米源自希腊语单词"侏儒")。纳米材料是指至少在一维空间上小于或等于100纳米的材料,大约相当于普通病毒的大小。纳米技术是指创造、操纵和应用纳米级材料的技术,包括设计、控制和开发这些极小人造颗粒的独特物理、化学和电子特性的技术。

纳米颗粒的行为既不象固体、液体,也不象气体。这些颗粒存在于稀奇古怪的量子物理世界中。他们极其微小以至于可以逃避牛顿物理学法则而只遵循量子力学定律。这使得纳米材料在传导性、反应性和光敏性上表现出与众不同几乎神奇的特性。

微小的曲面:多聚纳米金棒自动聚合形成的曲面结构。控制纳米结构的大小和曲率的技术有助应用于药物传输和电子工业。图像制作:哈佛大学Limin Tong /Harvard University

"这就是当今纳米技术为何如此有用、令人感兴趣而又炙手可热的原因,"Rice大学生物和环境纳米技术中心(CBEN)教育和政策执行主任Kristen Kulinowski说。"存在于这个量子王国中的化学物会表现出一些新特性,是同类化学物在更大或更小的尺度时所不可能或不表现的特性。这些特性包括颜色、电子特性、磁性和机械特性。不同的颗粒,可以表现出其中一种或全部特性的改变,这就是纳米技术的威力。"

许多平素谨慎的观察家们也称纳米技术为"下一个工业革命"。监管联邦政府范围辽阔资助良好的纳米技术活动的跨机构组织棗国家纳米技术开发署(NNI)棗预测,到2015年或之前,仅就美国经济而言纳米技术的领域将扩展到1万亿美元。显然,在不远的将来,纳米技术将成为世界经济发展的重要因素和我们日常生活的一部分。研究"极小"的科学很快将会变得"极大"。

跳板

预示纳米技术浪潮到来的第一排波浪已经拍岸。在诸如体育用品、轮胎和耐污布料等产品中,工程化的纳米颗粒已经商业化生产、销售和使用。为提供无毒、无腐蚀、不易燃烧的用于中和泄漏化学试剂和化学战试剂而设计的纳米材料目前也已上市。甚至连防晒露也纳米化了棗有些防晒露含纳米级二氧化钛或氧化锌颗粒,与那些大的白色不透明的同类颗粒不同,这些颗粒是透明的,但同样能有效隔绝紫外线。Fullerenes,这些用于从半导体到保龄球涂料的商业产品,已由日本的一家三菱工厂成吨地生产。

两相比较:一根弯成环状的纳米线置于一根人头发前的显微照片。纳米线可以细到50纳米,大约是一根头发宽度的千分之一。图像制作:西北大学Chad Mirkin /Northwestern University

专家们说,几年内这些纳米产品对市场的初步影响还如同8声道磁带那样令人新奇。按照国家科学基金会(NSF)纳米技术高级顾问、NNI协调员Mihail Roco的说法,纳米技术将有四代,或四个发展阶段。我们现在处在第一阶段,即正在组装"被动"式纳米结构棗设计出能完成单一任务的简单颗粒的阶段。Roco预言第二阶段将始于2005年,出现诸如特种执行器,药物输送装置及新型晶体管和传感器等"主动"式纳米结构的商业雏型。

纳米技术迈向第二阶段的迹象是,以Chad Mirkin为首的西北大学化学家最近宣布他们发现了准确建造纳米建筑材料的方法,并将他们装配成扁平或弧形结构。这种制造诸如束状、片状和管型等特殊纳米结构的能力为发明新型强大的药物传输系统、电子电路、催化剂和光捕获材料提供了保证。

Roco说,到2010年将会诞生第三代纳米材料,主要特征是以成千上万相互作用的部件构成的纳米系统。几年后,将出现第一批"分子级"纳米装置,他们是由许多系统构成的系统,运作方式与细胞非常类似。

随着生产方法的完善和规模的扩大,预计纳米技术将迅速普及,引起各工业部门发生革命性变化,包括从电子技术到军火,从药品到农业,从我们用于驱动汽车和家庭照明的能源,到饮用水和食物。纳米技术是现代版的太空竞赛,全球各国不遗余力地倾注数十亿美元以支持纳米技术的研究、开发和商业化。

但从环境和人类健康的角度看,如同过去重大技术进步一样,纳米技术向人们提出了同样的难题:合理应用固然能带来巨大利益,但同时也有其固有的风险。如果纳米材料和纳米颗粒进入我们的土壤、水和空气(这种侵入几乎是难以避免的),无论是有意为之还是事故使然,结果会怎么样呢?如果它们不可避免地进入我们体内,不论是由于环境暴露还是靶向应用,会有什么危害呢?这些重大问题大多仍无答案,而较早的某些研究结果也不很可靠,最近关于fullerenes对大嘴鲈鱼脑的氧化应激的研究就是证明 ["fullerenes和鱼脑:纳米材料引起氧化应激,"EHP 112:A568(2004)]。

需要回答的还有另一些问题。是否有人正在研究健康和安全方面的问题?我们能否及时得到足够的切实可信的风险评估知识以确保公众乐意棗甚或应该棗接受纳米技术的广泛应用?纳米技术能顺利发展成为纳米世界吗?围绕纳米技术安全和信任问题的争议,就像基因改良生物(GMOs)取得巨大成就时曾碰到的情况,这会阻碍纳米技术的发展潜力吗?

Kulinowski的意见表达了纳米领域倡导者几乎共同的感受:"我们认为纳米技术在一系列领域和应用中都具有造福社会的巨大潜力,从未来的癌症治疗到环境应用以及能源等。所以我们不愿看到由于工程化的纳米材料现有的或可预见的风险因素,而使纳米技术的潜力受到限制或扼杀。"Kulinowski说,为保证纳米技术顺利地发展并得到公众大力支持,纳米技术支持者认为收集风险数据极为重要。这样,早在纳米技术发展初期,就能将所遇到的问题和困难解决。

纳米技术贸易协会的纳米业务联盟执行主任Sean Murdock认为,可以避免以往那种推广新技术远远超前于了解相关的健康和安全信息的错误。"风险是有的,而且是客观存在,但风险是可以解决的,"他说,"权衡利弊,若有恰当的程序,我们能够处理好所有这些风险,我们将能减少这些风险,并对纳米技术的潜力有更深入的了解。"

纳米医学:微量保健康

纳米技术最具价值的应用前景之一是众所周知的纳米医学。纳米医学包括发展纳米级工具和机器,将其用于监测健康、输送药物、治疗疾病和修复损伤组织,所有这些功能都是在活细胞或细胞器内的分子工厂中进行的。NIH的医学研究规划图(roadmap)棗即NIH为加快研究步伐和加速新知识在生物医学防治策略、诊断和治疗中应用的主要计划棗包含一项重要的纳米医学启动项目,该项目以建立3-4个纳米医学发展中心为起点。这些多学科机构将是知识和技术开发的重地。从2005年9月开始这些中心每年将得到600万美元的资助。

今天,这个项目的长远目标很像是直接出自爱萨克?#38463;西莫夫的小说《奇异旅行》(Fantastic Voyage)中的某些情节:可以在肿瘤形成前搜寻到癌细胞并将其摧毁的纳米机器人厖;可以去除和替换细胞的破损部位的纳米机器厖;可在需要时和需要的部位精确地按规定剂量输送药物的分子大小的埋植泵厖;甚至能检测到体内各种细胞和每个细胞的病理改变或功能紊乱并立即将信息传给医生的"聪明"的纳米传感器。科学幻想可能很快就会成为科学现实棗上述及其他许多纳米医疗革新目前正在开展。而且NIH预计其纳米医学项目将很快在10年内开始产生医学效益。Roco还预见,到2015年在所有药物发明和药物输送技术中,应用纳米技术的将占一半。

专家们预测,纳米传感器还将提供重要的改进工具以实时测定内部和外部暴露、分析风险、联系暴露与病因学,刻画基因与环境的相互作用,最终改善公共健康。NIEHS通过其所外基金和基础研究重点基金计划,为这些科学创新提供研究和开发资金。

 

 

例如,NIEHS为威斯康辛州Madison Platypus技术公司的小型企业创新研究提供基金,以开发智能纳米传感器,并将其设计为对有毒化合物的暴露进行实时和积累测定的个人使用仪。将缩微光学和纳米材料技术结合可为毒物暴露的检测制成极敏感的平台,最初的原型装置将用于极微量有机磷杀虫剂暴露的检测。这个预期两年内将会被投放到市场的传感器,小而轻、无源、价廉且易操作,将直接应用于儿童化学环境的监测。

Platypus公司执行总裁Barbara Israel详细描述道:"我们的产品适用于监测各种不同预期浓度和时间范围的需求。因此,能用于监测工人在生产中对有毒化合物的职业暴露,以及监测农业工人的田间暴露。"该公司也在开发能对环境中极低浓度的其它有毒物质立即作出反应的传感器,并希望在机场和火车站等设施的安全系统中将数以千计的传感器结成监测网络,当然亦可将其用于工业生产。

NIEHS所外研究和培训部的危险和综合科学中心主任Willam Suk介绍,"这一技术将对我们的工作(即环境卫生科学的工作)方式起革命性的影响"。Suk负责监管该所的许多与纳米技术相关的所外基金。"该技术的真正潜力之一是能够真正了解基因?#29615;境的相互作用,能够实现"omics"革命(指 genomics, proteomics and interationomics等革命)。它能够以如此简化的方式使你以综合全局的观点理解事物是如何相互联系的,"他说。"我们真正关注的是这些技术在系统生物学中的应用,以理解系统间是如何传递信息的棗细胞是如何在它们之间,它们自身内部以及与我们体内其他细胞系统进行信息传递的。这些都是相互联系的。"

种类繁多,超级精密,符合Suk观点的纳米生物传感器在NIEHS经费的支持下正在顺利开发。例如密歇根大学神经毒理学家Martin Philbert正在完善一种传感器,用以测定和识别神经元线粒体内的化学紊乱,并最终可能做到干涉或预防止此类细胞水平的紊乱。圣地亚哥加利福尼亚大学药理学、生物化学和化学教授Roger Tsien正在研制毒性传感器,它能实时显示毒物暴露情况和由其所致的基因水平紊乱。Lawrence Livermore国家实验室的科学家Kenneth Turtletaub应用加速器质谱仪在纳米结构水平上观察暴露于致癌化学物的生物标记物,以期给出原子水平上紊乱的特征。Suk说,今后五年内所有纳米装置将在环境卫生领域作出重大贡献。他说当纳米技术充分发挥作用时,毒理基因学将告别其摇篮期,并完成她对显著改善公共卫生的承诺。

大世界中的小改进

虽然纳米技术在环境应用中的研究和开发仅是纳米技术工作比较狭窄的领域,但其发展十分迅速。 同其他领域一样,纳米材料在此领域内展现了一系列令人眼花缭乱的效益。纳米技术可应用于环境领域的两个方面,一方面是清除已经存在的污染,另一方面是减少或防止污染的产生。可以预期在不久的将来纳米技术将对环境监测和环境卫生科学的进步作出重大贡献。

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隶属于国家环境研究中心的美国环保署(EPA)的实效科学计划(STAR),是最早投资和倡导纳米技术应用于环境科学的机构。从2001年起,该机构将其小部分编制基金的备用预算拨给纳米技术。"我们决定首先把纳米技术应用于环境科学," 规划处负责纳米技术的Barbara Karn说。"我们希望为新技术开创成功案例,以利于解决EPA的遗留问题。"

这些遗留问题中污染的土壤和地下水是最突出的,而以纳米技术为基础的处理方法已经取得了显著进展。Lehigh大学的环境工程师Weixian Zhang受到STAR资助,同时也得到NSF经费。从1996年起开始研究用纳米级金属颗粒,尤其是纳米铁颗粒整治污染的方法,他发现纳米铁颗粒是强力还原剂。他说"你可以使用纳米铁颗粒对任何可被降解或通过还原转化的污染物进行处置。"从2000年起,他用该方法进行现场测试,不仅进行了试点性研究还在几家受PCBs、DDT和二恶英等毒物污染的工业区进行试验,其结果令人鼓舞。

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