微小的东西就是好——

在纳米技术的应用中，像纳米机器人那样奇妙的未来应用固然引人注目，但是，这一领域中第一批由极微小材料构成的成果更为实用。而这些极微小的材料——纳米粒子——之所以能获得奇妙的功能，只不过是因为它们是如此之微小。

在一些诸如像防晒油中的遮光剂、颜料和喷墨之类的产品中，已出现了各种类型的纳米粒子。而异乎寻常的纳米粒子，给医学中灵敏的诊断检测和新的治疗方法带来了希望——如通过一种脊椎中的蛋白质来检测早老性痴呆症，或者能热死癌细胞的金纳米粒子等。但是，有的纳米粒子因其功能目前还没被发现，故其领域还有很大的应用潜力。

中世纪时的工匠，当他们通过将氯化金混合进熔融的玻璃中制造带红色的玻璃时，便在不知不觉中变成了纳米技师。这种工艺创造了一种极其细微的小金粒，它通过产生一种带有亮丽的红宝石光泽的方式吸收和反射阳光。

纳米技术、纳米粒子以及所有与纳米有关的词汇都起源于毫微米(nanometer)这个词，即十亿分之一米或大约2 500万分之一英寸 。纳米要比牛顿运动定律所描述的普通物体细小得多，但是比受量子力学制约的粒子—— 一个原子或简单分子大一些。一个纳米粒子——宽度为几个到几百个毫微米的物体，含有几十到几千个原子，存在于跨越量子力学和牛顿运动定律描述的范围之间。

“在这样的尺寸范围内，任何一种物质都含有其新的特性，因而引起了许多科学家的兴趣，”美国西北大学纳米技术学院院长查德A · 米尔金博士说。在量子水平上，一个金原子的行为与任何一个其他的金原子是一样的: 一块大到足以用手可以握住的金块具有同另一金块相同的化学和电学性能。但是，两个都是用纯金构成的纳米粒子，如果一个粒子比另一个大时，就会表现出明显不同的性能——不同的熔点、不同的导电性和不同的颜色。“这样便为控制材料的性能创造了一种新的方法，”贝克利加利福尼亚大学的化学教授保罗 · 阿里维萨托斯说：“你可以不用改变材料的成分，而只要改变它的尺寸就行了”。

阿里维萨托斯正在对用半导体材料硅和砷化镓制成的名为量子微粒（quantum dots)的纳米粒子进行研究。这些微粒的边缘影响着电子在半导体中的运动，而且量子微粒的形状和尺寸可以做成能发出特定颜色的荧光。目前，在医学或实验中用于照亮蛋白质和DNA的“染料”很快会退色，而量子微粒却能够使其跟踪活细胞中的反应持续几天乃至更长时间。同时也是加利福尼亚州量子微粒公司创业科学家的阿里维萨托斯说。“这只不过是牛刀小试”。该公司目前正做将其成果转变成一种产业的尝试。

纳米粒子在其他方面的应用得益于这样一个事实，即当材料被粉碎成更微小的粒子时，其就会有更多的表面暴露出来。对磁性纳米粒子而言，由于它的尺寸极小，内部不存在缺陷，因而产生的磁场极强。纳米颗粒是如此之小，致使其大多数原子排列成没有丝毫缺陷的晶体。

加利福尼亚大学（默西德城)的戴维 · 凯利教授正在研制一种用特殊半导体材料制作的只有4个原子厚的微型薄盘，他希望能将它们叠在一起成为太阳能电池。这种薄盘的形状缩小了粒子间的空间，而这些空间应能允许电子更容易在它们之间跳跃。由于纳米粒子几乎总是具有完美的晶体结构，因此，凯利希望他研制的太阳能电池在捕获阳光并将其转变换成电能时的效率更高。

在将每一种组件装配在一起之前，凯利打算对这种薄盘的基本性能做更多的研究“我们非常清楚地知道，是否能在明年或两年之内试制成功这种微型太阳能电池，”他说。

对中世纪的彩色玻璃而言，金的纳米粒子是直径约25毫微米的简单球体。在那样细微的尺寸上，金已不再闪闪发光，而其表面的电子在和谐地来回晃动吸收兰光和黄光。而波长更长的红光则从粒子上反射后穿越窗户而去。以此类推，彩色玻璃中的银纳米粒子会产生出一种明亮的黄光。

目前，科学家使用的先进工具，可以制造出许多形态和尺寸更加不同的纳米粒子。较大的球形金粒显露出绿色或橘黄色;较小的球形银粒则显出蓝色，米尔金博士还制造出了直径为100毫微米的银三角形超薄片，其颜色是红的。“利用纳米技术你能得到光谱上的每一种颜色”， 他说。

伊利诺伊斯大学化学教授卢依(Yi Lu)博士利用纳米粒子颜色的变化进行了一项铅的危险度的测试。他将DNA分子粘贴在金纳米粒子上，并将其与其他经特别设计的DNA超细片缠结进显示蓝色的团块上。因为铅的存在会引起连接的DNA和金纳米粒子的分离，同时颜色也会由蓝色变成红色。

在纳米技术的应用中，米尔金尝试用金纳米粒子作为一种连接点来制造一种用于诊断病情的传感器。过去这种用于诊断检查的普通技术，是由一种连接到荧光分子上的抗体构成。当这种抗体连接到一种与疾病有关的蛋白质上时，在紫外光作用下就会发光。

米尔金不用荧光分子，而是直接将金纳米粒子与抗体连接，在连接的同时，金纳米粒子可以与其他的分子(典型的是起条形码作用的DNA碎片)一并连接。由于许多份抗体和DNA可以同时连接到一个单一的纳米粒子上，因此这种方法要比目前采用的荧光一分子检查更加灵敏和精确。

米尔金和他的同事在美国科学院2005年2月出版的论文报告集中称:这种方法已经通过与疾病有关的脊椎液中的一种微量蛋白质的测量，并形成了对早老性痴呆症的初期检查的检测方法。

“对我来说，这种特殊的检测方法仅仅是一个美妙的例证，”米尔金说。他已经开办了一家名叫“纳米球”的公司(Nanosphere Inc)旨在使其技术能走向市场。

重叠排列的纳米颗粒放大图

纳米粒子不仅可以检查疾病，而且还可以治疗疾病。赖斯大学的一位电学和计算机工程教授内奥米J · 哈拉斯博士发明了一种被她称作纳米壳(nanoshells)的粒子——缠绕在一个空心的、周围布满SiO2填充物的金或银球状粒子。中空的形状使金中晃动的电子在吸收阳光能量时的效率特别高。而改变纳米壳的厚度则可以改变被吸收的光线的频率。这便使其成为杀死肿瘤的一种有希望的治疗方法，将纳米壳注入一个肿块，用红外线对其进行加热，它们就会将癌细胞杀死。

实验过程中，哈拉斯实验室的研究人员将纳米壳置入未煮过的鸡块中，然后用一种近红外激光在鸡块表面进行照射。肌体中的水分不会吸收太多的红外线，因此激光在穿越时不会对其组织产生不良影响。但是，置入鸡块中的纳米壳因吸收能量而开始发热，温度逐渐升高(在实际的治疗中，采用的激光强度要低得多，只会杀伤癌细胞而不会伤及肌肉组织)。

哈拉斯和他的一位同事一一赖斯大学生物工程学教授珍妮弗 · 韦斯特共同创建了一家名为纳米谱生命科学公司一一通过将某些药品缩小成纳米粒子，用以改善并提高其疗效。

美国内华达州西部城市里诺的“牵牛星”纳米技术公司，开发出了二氧碳酸镧纳米粒子——一种用于肾脏病人的药品。这种打算用RenaZorb作商标的药品，是与一种磷酸盐的废弃物粘合在一起，这种废弃物是由于失去功能的肾无法将其排除而留在体内(这种粘合作用可以阻止它在第一时间进入人体组织)。在这里，使微粒起作用的是其表面积，对于同等量的材料而言，细微粒子具有更多的表面，从而使微量药物能吸收大量的磷酸盐。据“牵牛星”纳米技术公司主管阿兰J戈切尔称“病人每次进餐只需服用一片药片就够了，而与其竞争的药物则每餐需服用2或3片。

较大的表面积还可以使纳米粒子适合于一定类型的环境清洁工作。

理海大学（Lehigh University)的一名土木与环境工程教授张卫新(音译)对铁的纳米粒子已经研究了近10年。张博士在他的一篇早期的研究论文中把它称作“原子簇”（“clusters”ofatoms)。当时的编辑并没有觉得他这样的描述已经到位”，于是他便把这种微粒的名称改作“纳米尺寸粒子nanoscale particies)。

铁可以有效地粉碎像三氯乙烯这样的污染物，它是一种致癌的化学溶剂，已在饮用水中发现，当铁氧化成二氧化铁时，它便会释放出一个电子。当这个电子跳跃到一个三氯乙烯分子上时，它便开始进行一种化学反应，将三氯乙烯粉碎成无害的碎片。

目前的办法是挖一条沟，把1吨或更多的铁粉倒进去。而在特伦顿和北卡罗来纳州受污染的地区进行的小规模试验发现，三氯乙烯在水中的含量降低了90%以上。据张博士称:1磅铁的纳米粒子可以净化10 000至30 000磅的水。

但是，纳米粒子可能还存在迄今尚未为人知晓的潜在危险。令人担忧的是，由于它太微小，因此有可能通过人体的免疫系统进入细胞。去年有一份研究报告称:水中的一种名叫“buckyballs"的奇异的足球状分子引起了鱼类的脑损伤。

然而，并非所有的纳米微粒都被认为是有害的。二氧化锌历来都是化妆品的一种配料，而现在用于遮光剂中的更细微的二氧化锌颗粒并没有被认为是有害的。

张博士说，铁的纳米粒子最终会氧化成二氧化铁纳米粒子，这是自然发生的。“我相信它不会产生不良的影响”，他说:“大多数的粒子进入土壤后，会慢慢地氧化并成为它的一个组成部分”。他还认为，在铁的纳米粒子得到广泛应用之前，还须要做一些试验来验证这种推测。

纳米粒子还将成为制作如像金属丝状和分子电子元件那样复杂结构的基础材料，某些构件将会被应用于移动部件上。也许总有一天，科学家会着手于研制那种能“横冲直撞”的纳米机器人。

用纳米技术制成的微小构件