納米材料,既能降低大氣二氧化碳,也能入侵人體細胞,如何看待?

待穗田 發佈 2020-01-07T11:15:33+00:00

納米技術是一門應用科學,研究物質在納米級狀態時的特性。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點的集合,並且被表面效應所掌控,如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等,而慣性和湍流等宏觀效應則小得可以被忽略掉。

納米技術是一門應用科學,研究物質在納米級狀態時的特性。

納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點的集合,並且被表面效應所掌控,如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等,而慣性和湍流等宏觀效應則小得可以被忽略掉。

隨著物質尺寸的減小,一系列的物理現象顯現出來。這其中包括統計力學效應和量子力學效應。並且,同宏觀系統相比,納米級的許多物理性質會改變。廣義上講,納米技術是科學和技術在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應用,這些新材料和技術大體上就是物理性質在微尺度上的應用。


當物體很小時,物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響,稱為量子尺度效應,描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。這一效應不是因為尺度由宏觀變成微觀而產生的,但它確實在納米尺度時占了很重要的地位。

納米科技的神奇之處在於物質在納米尺度下所擁有的量子和表面現象,因此可以有許多重要的是應用,也可以製造許多有趣的材質。


納米技術的起源

早在公元前5世紀,希臘哲學家就推測,物質是由看不見的顆粒組成。哲學家稱它們為「原子」,希臘語為「不可切割」或「堅不可摧」。儘管18世紀初期的化學家和物理學家通過實驗證明了這一觀點,直到1959年,一位科學家才公開宣布對單個原子和分子進行分割是可行的。

在1959年12月29日給美國物理學會的演講中,主題為「底部有足夠的空間」,諾貝爾物理學獎獲得者理察·費曼建議科學家應對小規模「操縱和控制事物」的挑戰。他問:「為什麼我們不能在大頭針上寫下《不列顛百科全書》的全部24卷?」

費曼對聽眾說:「下面是一個非常小的世界。」當時人們對這個微小的世界還沒有任何概念。


尚不清楚費曼的演講是否真的激發了科學家研究,但他是第一個向那些將要從事所謂納米技術工作的人們提出明確挑戰的人。費曼演講時說自己要製造出可以從外部控制的旋轉電動機,而且不計入引入線,只有1/64英寸的立方體,這是一個很小的體積。

過了半個多世紀,2014年,德克薩斯大學的研究人員宣布,他們製造了一種小到足以容納人體細胞的電動機。這種比人的細胞還要小的電動機遠遠比費曼預言的小得多。


看到無形的物質

1981年IBM研究人員Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發明了掃描隧道顯微鏡,這讓科學家可以觀察到原子的模樣,是納米技術取得突破的重要里程碑。

掃描隧道顯微鏡可以觀察物體表面的3D圖像,顯示其各個原子。

傳統顯微鏡中的光學透鏡對於觀察小於400到700納米的光波長的物體是無用的。但是掃描隧道顯微鏡使用鋒利的金屬尖端向物體表面發射電流以進行觀查。然後測量電流的變化以生成表面的3D原子級圖像。

當Binnig和Rohrer在金晶體上測試該設備時,所得圖像顯示出整齊排列的原子行。Binnig在1986年因這項發明獲得諾貝爾獎。掃描隧道顯微鏡給這個世界帶來了光明。


1985年,萊斯大學的一個研究小組使用雷射來蒸發碳,這是對原子的首次直接操縱,從而創建了納米材料。此過程產生了少量的「布基球」,因為碳分子的結構類似於Fuller的測地線圓頂。

布基球之所以特別有趣,是因為它們像富勒的測地線圓頂一樣堅固。1991年,日本電子公司NEC的科學家飯島住男成功地生產了長管形的布基球,現在稱為納米管,是當今市場上最常見的納米材料之一。納米管可用於從飛機機身到網球拍的各種產品。


德雷克斯勒在1981年發表了一篇論文,概述了分子工程學的基本原理,並提出了發展「納米技術」的途徑。

德雷克斯勒預測了像微型工具一樣起作用的分子大小設備的發展,這些設備將原子和分子排列成微型機器。由蛋白質分子製造的這類設備「將為複雜的原子規格的設備製造開闢道路,從而避開了傳統微技術所面臨的障礙。這條道路將涉及構建能夠將反應基團定位到原子精度的分子機械,計算設備和操縱生物材料的能力會取得重大進步。


1986年,德雷克斯勒出版了《創造的引擎:納米技術的時代》,這是一本面向大眾的書,普及了「納米技術」一詞。在書中,德雷克斯勒提出了他的納米製造思想,並提出了創建納米級「組裝者」的建議。它不僅可以用來複製其自身,還可以用來構建更複雜的項目,從電器到汽車。如果複製的彙編程序失去控制並開始將有機材料轉換成更多的彙編程序,也是納米技術的領域。

美國國家納米技術計劃

到1990年代中期,美國政府機構開始協調發展納米技術。1996年11月,幾個機構的工作人員組成了一個工作組,並於1998年9月被任命為納米技術機構間工作組。

該小組於1999年8月完成了一項有關納米技術的聯邦倡議計劃草案,該草案已發送給總統科學技術顧問委員會和白宮科學技術政策辦公室。作為回應,柯林頓政府在其2001年向國會提出的「國家納米技術計劃」預算中申請了5億美元。


國會隨後通過了《 21世紀納米技術研究與發展法案》,該法案正式建立了國家納米技術計劃。表現出美國對納米技術的重視。

納米技術有益也有害

和生物技術一樣,納米科技也有很多環境和安全問題,比如尺寸小是否會避開生物的自然防禦系統,還有是否能生物降解、毒性副作用如何等等。

納米材料本身並不是一種危害,只有它的一些方面具有危害性,特別是它們的移動性和增強的反應性。只有某些納米粒子的某些方面對生物或環境有害,我們才面臨一個真的危害。


要討論納米材料對健康和環境的影響,我們必須區分兩類納米結構:

  • 納米尺寸的粒子被組裝在一個基體、材料或器件上的納米合成物、納米表面結構或納米組份(電子,光學傳感器等),又稱為固定納米粒子
  • 「自由」納米粒子,不管在生產的某些步驟中存在還是直接使用單獨的納米粒子。

這些自由納米粒子可能是納米尺寸的單元素,化合物,或是複雜的混合物。

目前,公認的觀點是,雖然我們需要關注有固定納米粒子的材料,自由納米粒子是最緊迫關心的。

因為,納米粒子同它們日常的對應物實在是區別太大了,它們的有害效應不能從已知毒性推演而來。


更加複雜的是,當我們討論納米粒子的時候,我們必須知道含有的納米粒子的粉末或液體幾乎從來不會單分散化,而是具有一定範圍內許多不同尺寸。這會使實驗分析更加複雜,因為大的納米粒子可能和小的有不同的性質。而且,納米粒子具有聚合的趨勢,而聚合的納米粒子具有同單個納米粒子不同的行為。

一些專家警告說,納米技術產品數量的日益增長已經超出了監管機構對其進行監控的能力。

美國國家職業安全與健康研究所副所長查爾斯•格拉西說:「我們總是有很多工作要做,希望早日完成,而不是晚些。」 他說,市場上已經存在的納米材料對工作人員的監控產生了很大挑戰,下一代納米材料或納米材料的變種將是什麼?其中一些正在迅速進入大規模商業應用狀態。這對質檢單位產生了巨大的工作壓力。


消費品安全委員會舉辦的研討會的與會專家警告說,監管機構可用的工具無法確保實驗室外產品的安全。

根據研討會的報告,評估方法和工具的需求已經超出了原始商品,納米材料需要更新穎的檢測工具。

社區無法一次評估一種工程材料,有必要開發一種方法來快速估計和預測納米材料的暴露量,並能夠就產品中納米材料的安全和可持續設計與使用做出及時的決定。

儘管監管機構和研究人員正在研究如何確定納米粒子的安全性,但安全倡導者認為,政府應採取更積極的方法,直到確定納米產品的安全性後才允許其進入市場。

納米技術任務組的帕特里為納米技術辯護,長期以來一直在處理納米材料。他說:「 政府機構已經批准了數百種在臨床上使用的納米材料的產品。我們只是之前沒有稱它們為'納米'。我們稱它們為「聚合物」,稱其為「脂質體」,稱其為「乳液」。但是現在,由於它們的大小和獨特的屬性,我們稱它們為「納米」。因此,從這個角度來看,機構在評估安全性,有效性和製造質量屬性方面擁有豐富的經驗和臨床經驗。」

一些科學家和環境團體說,納米技術對人類健康和環境帶來未知的風險。


科學家梅納德將納米顆粒與石棉的危害進行了比較,石棉是一種天然存在的纖維材料,在建築中廣泛使用,直到1989年才被禁止使用。石棉是一種天然的納米級材料,由於其物理結構,會造成非常嚴重的危害,因為石棉纖維很長很細,而且很難溶解,當石棉進入我們的肺部時,它會撕裂我們的肺部。

納米粒子的微小尺寸使它們能夠穿過人體組織進入單個細胞,在細胞中造成的損害從化學成分上看不出來。根據環保組織「地球之友」發布的一份報告稱,工程納米材料已進入商用嬰兒配方食品。


地球之友測試過六個嬰兒配方食品中的納米材料,奶粉的成分之一是納米羥基磷灰石,這種納米材料被歐盟消費者安全科學委員會標記為不安全的化妝品,這無疑引起了人們對食品和嬰兒配方奶粉的擔憂。

納米顆粒已在食品中用作營養添加劑和抗菌成分,用於調味和著色。納米顆粒還可以在某些品牌的牙膏中找到,它們將其用作蛀牙填充劑,牙齒增白劑和抗菌劑。如果這些納米顆粒進入人的肺部和細胞里,會出現什麼後果仍不可想像。


許多專家認為,納米技術也有望幫助環境從污染中恢復過來,甚至可以降低大氣中二氧化碳的含量。此外,這些專家說,使用納米材料的太陽能電池有可能更有效地將陽光轉化為電能,從而有助於減少對化石燃料和二氧化碳排放的依賴。

另一種可能性是開發一種廉價,有效的供水方法。丹麥科學家展示了一種處理水的方法,該方法是使水通過帶有鐵納米顆粒的管,以去除痕量農藥和工業化學品。


專家說,從長遠來看,納米技術將使各國能夠消除對環境的現有破壞。這種技術可以提供新的功能,以捕獲和隔離地下水和土壤中的有毒物質,納米技術還具有直接從大氣中去除二氧化碳的潛力。

然而,即便納米技術具有改善環境的潛力,人們也不願意讓納米技術破壞人體細胞。

新研究階段

美國仍然是納米技術研究領域的全球領導者,但其領先地位正在下降。其它國家,特別是中國,韓國,伊朗和日本,正在增加對納米技術研究的投資,並開始追趕美國。

另一方面,美國國家納米技術計劃已經開始研究納米製造和納米電子學,目的是製造出原子單位精確度的物質。

科學研究的發展遵循自然而然的過程,我們不能直接從基礎轉到創新,科學部分與投機部分不同,重要的是要擁有開發複雜系統的基礎。


這些基礎現在已經奠定,美國現在已經在製造納米機器。但是,基於可靠的科學研究來製造機器,的確,學術實驗室的最新研究顯示科學家出對納米製造和納米電子學的巨大希望。

幾年前,史丹福大學的研究人員宣布,他們使用納米線而不是傳統的電線來轉移太陽能電池收集的電荷,大大提高了太陽能電池的效率。傳統的導線會阻擋5%至10%的光照射到太陽能電池板上,而納米線實際上是不可見的,幾乎沒有任何阻擋。


德克薩斯大學的研究人員於2014年5月展示了一種三組分納米電機,其體積比人體細胞還要小500倍。電機可以旋轉15小時,並以每分鐘18000轉的速度旋轉。研究人員在電動機的轉子上塗了生化物質,發現轉動轉子的速度越快,生化物質的輸送就越快。這項研究對於醫學發展有重要意義,標誌人類可以用納米技術操縱人體細胞內化學物質的運輸。


IBM的研究人員也造出來由平行的幾排碳納米管製成納米級電晶體,這種納米電晶體可以讓處理器中各元素之間的連接縮小到28個原子單位,從而使製造商可以製造更小,更快的計算機處理器。

2016年4月,瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員宣布他們已經生產出了單原子磁體,這一突破將使人們能夠創建納米級數據存儲設備。

納米技術也要放在規矩中

由於納米材料具有異常且通常具有動態特性,因此現有法規不一定能有效降低風險或平衡安全性和利益。

這個難題的核心是基於納米技術產品的兩個關鍵特徵。與風險相關的特性可能在一批材料之間和批次之間以及產品之間變化。納米技術產品的屬性會根據產品的使用方式,使用位置以及使用方式隨時間而變化。基於納米技術的產品有關的大多數法規對這些特性均無響應,這使其有效性令人懷疑。


要確保納米技術產品在其整個生命周期中都是安全的,而又不會不必要地妨礙有益的使用,則需要加強現有法規。同時需要對產品和特定領域的法規進行評估,以確保由納米技術產生的新材料和產品儘可能安全,同時又儘可能有益。

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