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《无穷小的巨人》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为您解读的书是《无穷小的巨人》
副标题：非凡而令人惊奇的纳米技术。
纳米是一种长度单位，一纳米等于1/1000000000米。普通头发丝的直径是6万纳米。纳米科技研究是纳米领域的物质和现象。虽然我们肉眼无法看到这个微小的世界，但是纳米科技的很多研究成果，却正在改变我们的生活。比如只用一层薄膜就能承受大象的重量，穿在身上的衣服能够随时改变颜色，又或者从空气中变出燃料。这些听起来像是魔法的例子，其实都是纳米科技的成果，也就是本书展示给读者的内容。
本书的作者是两位英国人：彼得·福布斯和汤姆·格里姆塞。其中彼得是一名职业作家，常年为《科学》《美国人》等杂志撰稿。汤姆本是一名雕塑家，他在机缘巧合下，参与了一个由纳米科学家领导的项目，负责开发一些科普装置，帮助学者们把纳米领域的奇妙现象展示给大众。
本书共有十章，既有多种纳米材料的介绍，又有纳米领域奇妙现象的讲解，还包括了纳米科技在各个领域的应用。本次听书就将从物质、材料、奇特现象、实际应用这四个角度入手，并结合具体的例子进行解读。
本书首发于2014年，所以我也会补充一些更为前沿的进展，希望能给你带来更多收获。
好，接下来就让咱们一起来了解纳米科技这个无穷小的巨人吧。
纳米科技领域最重要的目标之一，就是开发先进的纳米材料。而纳米材料的种类五花八门，这其中有一类材料极具研究价值，那就是碳纳米材料。
碳作为元素周期表上排名第六的元素，在日常生活中几乎随处可见，比如火炉中的木炭、铅笔的笔芯等等。碳材料看似普通，但在纳米科技领域，有三种碳材料却是绝对的明星，它们分别是富勒烯、碳纳米管和石墨烯。
在正式介绍这三兄弟之前，还得先了解一个概念，叫做同素异形体。同素是说相同的元素，异形代表着有差异的形态。晶莹闪亮的钻石和黑乎乎的石墨本质都是碳，但却具有截然不同的形态和性质，它们就是碳的两种同素异形体。它们之所以如此不同，是因为内部原子的排列状态不同。在钻石中，碳原子的排列是一种紧密的三维结构，所以钻石非常坚硬。而石墨呢，虽然也是碳，但它却是最软的矿物之一。如果我们放大石墨，会发现它是由一片片的石墨薄片堆积在一起形成的，而且这些石墨薄片可以轻易地滑动，所以石墨的块体就很容易断裂或者破损。
刚提到的那三种碳纳米材料，也都是碳的同素异形体。咱们接下来就分别说说它们的发现历史和独特性质。
首先是富勒烯，这种材料是碳原子相互连接形成的一种小球。富勒烯小球的直径不到一个纳米，如果把一个富勒烯放在足球上，就相当于把一个足球放在地球上的比例大小。
富勒烯的发现，来自于一个跨学科研究的灵感启迪。1985年，英国萨塞克斯大学的克罗托博士在一次实验中找到了一种新的分子，通过一些化学方法，他知道了这个分子是由60个碳原子组成的，但是这60个原子是怎么连接的，他始终没搞清楚。苦恼的克罗托设想了各种可能的结合方式，但都不理想。后来偶然间，他读到一篇论文，作者叫富勒。富勒是一位杰出的建筑家，在这篇论文中，富勒论述了如何设计球形的屋顶。正是这篇文章给了克罗托启发，他想到这60个碳很可能是个球体，就如同富勒提到的那种屋顶，而且他还算出了这个球应该是20个六边形和12个五边形组成的。在这个思路的指导下，克罗托找到了一些同行帮忙，最终证明了这60个碳原子确实是如此连接的。于是他们就将这种碳的小球命名为富勒烯。
富勒烯有很多奇妙的性质，比如它的内部是一个空腔，通过往这个空腔中装入其他原子，可以让整个富勒烯产生一些优异的特性。比如2015年，牛津大学的学者将一个氮原子成功塞进富勒烯中，在这种材料中，电子的自旋寿命能够得到大幅提高。这一物理性质，使得这类富勒烯可以用来制造精度极高的导航装置。后来，研究人员把这种特殊的富勒烯进行了拍卖，总共200微克的样品，成交价高达3.2万美元，相当于每克材料价值10亿人民币。这也侧面说明了对碳纳米材料的研究具有很大的商业价值与潜力。
提到富勒烯的发现，其实这里有一个小插曲。早在1980年，日本的一位叫做饭岛澄男的学者，就曾通过一种用电子成像的特殊显微镜，拍下过富勒烯的照片。在这张照片上显示的是一种碳的圆环结构，但因为照片是一种平面投影，所以饭岛没意识到这可能是个球体，于是他就遗憾地错过了富勒烯的首发权。
不过饭岛并没有气馁，他继续着碳材料的研究，直到1991年，他又做出了一个大贡献。这一年他发表了一篇文章，说自己发现了一种类似管子的碳材料，后来这种小管子被命名为碳纳米管。
碳纳米管真的就是一种空心管子，只不过它的管壁完全是由碳原子组成的。碳纳米管的直径从几纳米到几十纳米不等，而它的长度可以做得特别长。清华大学的学者就曾制作出一根长达半米的碳纳米管。
自从饭岛教授发现碳纳米管后，这种材料立刻成为了研究界的宠儿，因为它确实有很多优良的性能。比如它的力学强度很高，一根碳纳米管的理论强度可以达到钢的100倍以上。如何更直观地理解这种强度对比呢？咱们可以想象一下那种大型的悬索桥，这种桥的跨度是有极限的，因为太长的钢缆悬索最终会被自身的重量给折断。迄今为止，人类建造过最长的悬索桥是土耳其的恰纳卡莱大桥，它的跨度有2千米，而钢缆理论上限长度也只有几十千米。但是碳纳米管可以在海平面上被拉长到5000千米。科学家们一直幻想能做出一种太空电梯，就是从地面直达太空站，从而大幅降低往太空运送物资的成本。在众多材料中，只有碳纳米管能够胜任这种太空电梯的缆绳。所以如果真的能造出一座碳纳米管大桥，它连接的将不是此岸和彼岸，而是地面与天空。
在相当长的时间里，富勒烯和碳纳米管都是纳米领域的研究热点，但是等到2004年，一种新的材料横空出世，抢走了这两位的光芒，那就是石墨烯。
2004年，英国曼彻斯特大学的盖姆教授和他的博士生诺沃肖洛夫共同发表了一篇论文，说他们制备了一种碳的小薄片，这种小薄片是碳原子以六边形的形状连接在一起组成的，而且它只有一个原子的厚度，这种材料就是石墨烯。
一直以来，学界普遍认为石墨烯这种单层原子的材料是无法稳定存在的，但盖姆师徒打破了这一偏见。为了制备出石墨烯，二人的思路也很简单，就是从石墨入手。他们把一小片石墨粘在两条胶带之间，然后把胶带揭开，在这个过程中，胶带对石墨的粘力会超过石墨片层之间的连接力，于是正一粘一撕，就能把一片石墨分成了更薄的两片。接下来再用新的胶带去粘着更薄的石墨片，如此反复，就能把石墨片的层数不断降低，最终就能得到单层的石墨烯了。这个方法说起来容易，但在实际操作中需要极大的耐心。据说，师徒二人撕了一年多的胶带才取得了成功，这简直就是现代版铁杵磨成针的故事。
石墨烯材料一经问世，就立刻引起巨大关注，因为它的很多物理性质实在是太神奇了。目前，石墨烯是世界上最薄，却也是最坚硬的纳米材料，它的强度是钢的200倍。这是个什么概念呢？如果用完美的石墨烯造一张膜，要是想用一支铅笔穿透这张膜，至少需要一头大象站在铅笔上。此外，石墨烯几乎是完全透明的，它的导电性也远超银丝、铜线之类的材料。正因如此，大量的学者投入到石墨烯的研究之中，各国政府也投入巨资来探究这种材料的产业化应用方案。近些年来，总能在新闻中听到石墨烯的名字，可以说石墨烯引起了一轮纳米材料的淘金热，或者按作者所说，可以叫做淘碳热。
比如书中提到了一种叫做石墨烯DNA测序的应用就十分有趣。DNA，也就是脱氧核糖核酸，是生物的主要遗传物质，它是由四类碱基组成的一条长链。测量出这些碱基的排列顺序，对生物研究、疾病检测等领域至关重要。以前，DNA测序的花费十分高昂，比如21世纪初期，完成的人类基因组研究中，为了实现单个人类的基因组测序，就耗费了10年时间和30亿美元资金。为了降低测试成本、缩短测试时间，科学家们提出了很多新型的DNA测序方法，其中就有人提出可以用石墨烯。于是，科学家计划用激光等方法在石墨烯上开一个小孔，这个小孔的尺寸只能允许一条DNA通过。在测序时，一个长DNA分子会一次一个碱基的方式穿过这个孔，而每个碱基都有特定的电学信号，通过测量石墨烯的电信号变化，就能判断出此时穿过小孔的是哪类碱基。有报道称，一家名叫牛津纳米孔的基因测序公司正在与美国哈佛大学合作，开发这种石墨烯DNA测序技术。一旦成功，那么DNA测序就可以摆脱繁琐的流程和昂贵的设备，成本会极大降低，甚至能在家里进行。
从富勒烯到碳纳米管再到石墨烯，它们虽然都是碳原子组成的，但却各自具有独特且奇妙的特征，而且都能在很多重要的领域发挥价值，这也很好地体现出了纳米材料的魅力所在。
除了开发材料外，学者们也对一些纳米尺度的科学现象充满好奇。在接下来的部分，咱们就来聊聊两种有意思的纳米性质，分别是结构色和自组装。
首先是结构色，色是颜色的色，这个概念其实是和色素色相对应的。色素色就是用色素染色，日常中看到的衣服、食品或者商品的靓丽外表，其实都来自色素色，这个相对好理解。那么什么是结构色呢？在具体谈论这个纳米现象前，咱们先来说一种动物，那就是大蓝闪蝶。这种蝴蝶广泛分布于南美洲等热带地区，最显著的特点就是它翅膀的蓝色，这种蓝色是一种具有金属光泽的闪烁蓝色，令人过目不忘。也正因为这种美丽的颜色，大蓝闪蝶一度成为了蝴蝶收藏家们最为喜爱的收藏品种。但是，大蓝闪蝶的翅膀中却并没有色素，它之所以能呈现如此美丽的颜色，正是得益于结构色。
要更好地理解结构色，先要简单说说光线的一些基本特点。每类光线都有一个对应的波长范围，可见光的波长大约在400到700纳米。当光线照射到同样尺度的结构表面时，就会产生一些独特的偏折或散射。如果我们用先进的显微镜观察大蓝闪蝶的翅膀，会发现在看似顺滑的翅膀上，其实布满了大量细小的瓦片状结构，这些微小结构的尺寸正是在纳米级别的，而且它们是周期性地分布在翅膀表面。当光线照射到这些微小结构上时，就会发生特定的折射和反射，如果人眼从宏观观察，看到的就是那种鲜明的蓝色。所以从本质上来说，结构色就是来自于特定纳米结构对光线的调控。
结构色有很多好处，比如很多颜料的颜色都是来自一些重金属，毒性比较大，而结构色在实现同样的颜色时更为环保。再有结构色也不容易褪色。因此，很多研究者都想人工模仿并制造这类结构色。比如以蝴蝶翅膀上的纳米结构为参照对象，科学家们将一种纳米级的塑料小球沉积在机体平板上，然后在小球的缝隙中电镀上金或者铂，随后再通过特定方法把小球移除，这样就能得到一种具有周期性的金属纳米结构，而这种结构就能展现出漂亮的结构色。
此外，也有人用一类叫做弹性聚合物的材料来产生结构色。这种材料除了能够产生结构色外，还有一个特点就是可以拉伸、弯折。如果它受到外力的拉扯，内部的纳米结构就会有细微的变化，从而就能产生不同的结构色。2012年，一位时装设计师就把这种弹性聚合物编制进了面料之中，用这种面料制成的衣服，可以表现出如同蝴蝶翅膀的艳丽颜色。更妙的是，如果想要你的衣服变个颜色，只要拉扯一下就可以实现，十分新奇。
除了结构色，另一种发生在纳米尺度上的神奇性质叫做自组装。所谓自组装现象，就是一些物质和系统可以自发地形成有序结构。自组装现象广泛存在于自然界之中，比如两条单独DNA链自发组成双螺旋结构，就是一种自组装过程。美国《科学》杂志在创刊125周年时，提出了21世纪科学家将要面对的25个重大问题，其中一个就是“我们能推动自组装走多远”。
之所以自组装这么受到重视，是因为对于材料制造和器件加工来说，它是一种十分有前景的方法。现如今想要得到一个小尺寸的器件，人们有两种策略。第一种叫做自上而下法，就是从大的原材料上一点点去除多余的部分，从而得到目标产品。而另一种策略叫做自下而上法，就是把小的原料拼接成我们想要的产品。这两种思路的区别可以粗略理解为，如果要想得到一个雕塑，自上而下法就是用一整块大理石来雕刻，而自下而上法就是用泥巴堆出一个来。咱们聊到的自组装，就是一种极为典型的自下而上法。
现代的工业化生产中，普遍采用的是自上而下法，但是在极端的条件下，这类方法就碰到了瓶颈。比如在最近十分热门的芯片领域，最关键的设备叫做光刻机，它的功能是在晶圆上雕刻出只有几个纳米的微小结构。为了实现纳米级的精度，一台光刻机的成本高达上亿美元。为了降低芯片制造成本，有的学者就提出，也许可以用自组装的方法。2019年，一个来自美国的研究团队展示了一种分子自组装应用于半导体制造的技术。在这项技术中，他们将很多长度只有几十纳米的大分子放一起，这些大分子会到处移动，在特殊的化学环境中，它们会自发排列成高度规律性的纳米阵列。通过简单调整分子的成分和长度，就能生产出具有指定图案的规则结构，甚至能形成类似晶体管的周期性排列。这项工作被认为极有可能颠覆现有的芯片制造方式。
无论是结构色还是自组装，他们都说明了一个道理，那就是一种发生在纳米尺度的现象，却可以对宏观世界产生影响，甚至颠覆社会生产中已有的一些常规套路。随着相关领域研究的深入，一定会有越来越多的纳米尺度现象被用来解决当前宏观世界中的难题。
那么接下来，咱们就结合一些现实中的具体难题，来看看纳米科技究竟能做出怎样的贡献。
首先是能源问题，这无疑是当今世界最受关注的话题之一。现如今，社会的运转离不开石油、电力等能源供应，而能源短缺一直没得到很好的解决。为了生产更多的能源，有些学者提出了一个大胆的构想，那就是将空气变成燃料。这个事儿乍听起来似乎是一个骗局，但仔细想想，从空气中获得能源，其实每时每刻都在我们身边发生，只不过我们要借助植物的帮忙。
长久以来，植物都是人类最重要的能量来源，果实用来当作食物，树木用来燃烧取暖，甚至是石油、煤炭，本质上也是古代的植物所变化的。但是土壤中只是提供了树木总质量3%的元素，那些粗壮的树干、硕大的果实，其实都是由空气和水变成的，而这一过程主要就是依靠植物自身的光合作用。经过数十亿年的进化，植物的光合作用可以十分高效地把水和二氧化碳转变成糖类等化合物。如今，科学家们想模拟植物的这种功能，来制造出所谓的合成树叶，只不过这种合成树叶不止要获得糖和淀粉，人们更希望直接得到可以用作燃料的化合物。
燃料的构成其实十分简单，汽油、煤油等的主要元素就是碳和氢这两种。空气中的二氧化碳含有碳，水中含有氢，所以单从元素组成来看，这种转变是可行的。但是要把空气变成燃料，还需要满足两个条件，一是外部能量，一是催化剂。对于合成树叶，能源的形式可以比较多样，光能可以，电能也可以，而电能又可以来自于太阳能、风能等清洁能源。单单有能量还不够，把空气变为燃料，还需要催化剂来帮忙。催化剂主要是可以大幅提升反应发生的速度，从而满足人们的需求。而在当今催化剂的研究中，最前沿的一个研究思路，就是把催化剂的尺寸减小到纳米级别。
在催化过程中，其实只有表面的一层原子在起作用，颗粒内部的原子几乎用不上。在相同的质量下，尺寸越小的颗粒就能暴露出更多表面积，也就意味着能让更多的原子能参与到反应之中。而这个特点对于有些催化剂材料来说至关重要。这方面最典型的例子就是铂催化剂，铂就是铂金的铂，它是一种价格高昂的金属。除了用作首饰，铂元素还有个本事，就是在通电的状态下，它能够从水中分解出氢气。这个方法虽然好，但是铂元素太贵了，根本没办法用于大规模生产。于是，科学家们开发了一系列物理或化学的方法，把铂的尺寸不断降低，从而让更多铂原子来发挥催化作用。目前商用的铂催化剂，它们的颗粒尺寸只有3纳米左右，甚至有人能做出只有一个原子大小的铂催化剂，这几乎就把原子的利用率提高到了百分之百。
在催化剂这个领域，我国一直处于世界领先地位。比如中国科学院的李灿院士团队，他们常年探索着改进纳米催化剂的方法，近年来又提出一项名为“液态阳光”的计划。这项计划中，先是通过太阳能提供能源，用水作为原料来生产氢气，随后在催化剂的帮助下，这些氢气进一步与二氧化碳反应，生产出液态的甲醇。甲醇不仅是一种优良的燃料，还是一种重要的工业原料，具有很高的经济价值。2020年，这套系统已经在甘肃兰州建成，并且成功运行了。所以从空气中获取燃料绝对不是魔法，而是已然到来的现实。
在能源之外，健康也是人们关心的话题，纳米科技在健康领域更是能大展拳脚。其中最引人瞩目的课题之一，就是用纳米技术来诱导干细胞分化。你可能听说过干细胞这个词儿，这类细胞比较特殊，它们可以通过分化变成人体中的各种其他细胞，比如肌肉细胞、上皮细胞、骨细胞等等，所以有人也把干细胞叫做人体的原材料。
那么这里有一个重要的问题，那就是干细胞是怎么知道自己该变成什么细胞呢？为什么同一批干细胞有的变成了肌肉，有的却变成了皮肤？如果能破解这一难题，那么医生们就可以用干细胞来生产特定的组织和器官，从而帮助无数患者治疗疾病或者修复损伤了。
对于干细胞的分化之谜，一群纳米领域的研究人员给出了一个可能的答案。首先，我们要知道细胞的生存与活动每时每刻都在与周围环境产生相互作用。比如20世纪70年代，一位叫英格贝尔的年轻学者在培养细胞时，总是观察到他们在受到外力时会产生变形，于是他产生了个想法，也许应该对细胞的力学响应进行更多的研究。但在当时，基因决定论还大行其道，这种理论认为只要搞懂了基因，就能预测细胞的一切。更关键的是，当时还没有很好的手段能够精确控制细胞周围的物理环境，所以学界对这个课题也不太感兴趣。但英格贝尔一直没有放弃，后来他遇到一位叫怀特塞德的纳米化学家，这位化学家创造了一种方法，能够在材料的表面制造特别精密的图像，精度甚至能达到纳米级。于是英格贝尔和怀特塞德开始合作，并在1997年完成了一项研究。他们先是在平整的基板上做出一些特定微小的凸起，这些凸起有的比较大，有十几微米，也有的比较小，只有几百个纳米。然后他们把皮肤细胞移植到这些基板上进行生长。不同的凸起其实就意味着让细胞处在了不同的受力状态，结果发现在大的凸起上，也就是受力比较均匀的时候，细胞生长比较正常，而在小的凸起上受力比较集中时，细胞就会死亡。这个实验证明了英格贝尔当年的思路是正确的，那就是细胞受到不同外力就会做出不同的反应。
很快，相关研究就扩展到了干细胞领域。有研究小组创造了不同形状的纳米表面来放置干细胞，其中有一种比较尖锐的星星形状，这种新型表面会让干细胞处于一种更大拉力的状态，后来这些干细胞分化成了骨组织。而在花朵形表面的干细胞受力状况比较放松，这些干细胞就变成了脂肪细胞。这个研究似乎能解释一个现象，那就是对于人类来说，如果经常运动，身体总是处于张拉力和压缩力的锻炼，那么就可能让骨骼得以生长，而如果缺乏锻炼，那么体内干细胞受到的外力都是比较弱的，那么就会产生更多的脂肪细胞。
当然，在实际应用中，并不总是要促使干细胞分化，有时人们会想让干细胞保持在原始状态。于是研究人员找到了一种纳米图形，这种图形上分布着直径为120纳米的小凹陷，而每个凹陷之间的距离有300纳米。如果让干细胞在这种图案上生长，那么可以维持八周时间不发生分化，而一旦研究者将这些凹陷破坏，这些干细胞就开始分化成骨细胞。所以通过控制纳米图案来调控干细胞的状态，这里面的门道还有很多，需要科学家们进行更多的摸索。希望在不久的将来，学者们能够揭开不同的纳米表面和干细胞变化之间的规律，这样就能让干细胞们听从指挥，需要什么组织或器官，就能让它们变成什么。
当然，纳米科技在生命科学方面的应用远不止于此。想了解更多这方面的进展，可以听听咱们以前解读过的一本名叫《纳米与生命》的书。
我们本次讲解从纳米材料讲到了纳米尺寸的现象，还列举了几个领域的典型应用，但所涉及的内容还远不能囊括这个缤纷多彩的崭新领域。虽然纳米科技在研究着我们无法看到的微观尺度，但从其中诞生的新材料与新技术，将如同巨人移山填海一般改造我们的现实世界，让人类社会走向更美好的未来。
好，《无穷小的巨人》这本书就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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