“我們以前被誤導了。未來某日，更加錯綜復雜、廣袤無垠的世界或許會在我們面前展露，到那一天，我們終將認識到，現(xiàn)在我們所知的，或者說我們認為自己所知的，與那更加宏大的整體相比，只不過是一點兒微不足道的碎片而已?！?/span>著名的科普作家大衛(wèi)·布拉特納在《宇宙的尺度：從無窮大到無窮小》一書告訴我們，宇宙的真正尺度極為浩瀚，超過絕大多數(shù)人的想象范圍。我們總是傾向于以人類的尺度為基礎建立對現(xiàn)實的感知，忽略那些不可見而且常常極度反直覺的廣闊世界。而事實上，在這個宇宙里，人所處的尺度只不過是很小的一部分。《宇宙的尺度：從無窮大到無窮小》把那些從無窮大到無窮小的物理量，與我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ氖挛镞M行比較，這種對比碰撞出了非常驚奇的效果，刺激了我們的想象力。比如長度，根據(jù)科學家推測，宇宙中最小的長度大約是1.6×10^-35米，我們把這個長度叫做普朗克長度。由于微觀世界的物理規(guī)律，任何比普朗克長度還短的東西，都不可能存在。而光走過一個普朗克長度的時間，就是宇宙里的最短時間，我們把它叫做普朗克時間，大約是5×10^-44秒，沒有比這個更短的時間了。哲學家康德曾經(jīng)說過：“世界上只有兩種事物能讓他內(nèi)心常感到震撼，一個是人們頭頂?shù)臓N爛星空，另一個是人們心中崇高的道德法則?！睆倪@個角度來說，了解宇宙和了解我們?nèi)祟惿鐣粯?，都是非常重要?/span>
科學家和工程師告訴我們，一切材料都是由小尺度的物質(zhì)組合而成的。納米技術就是人類在納米尺度上完成的技術和工程。
制備的平均外徑為(a) 20nm、(b) 45nm和(c) 80nm的介孔氧化硅納米顆粒的TEM (a, b, c)圖像。對應于(b)的SEM (d)圖像。嵌入物是高倍的介孔氧化硅顆粒。Nandiyanto / Public domain那么，納米材料到底是什么？它們是如何影響我們的世界的？一個常見的定義是，納米材料是任何一種空間尺寸低于100 nm的人造材料。通常，將其與直徑在50到100 μm之間的人類頭發(fā)進行比較——納米材料比單根頭發(fā)的尺寸要小成百上千倍！這當然令人印象深刻，但這不是它的全部。它們的特別之處在于：與宏觀材料相比，當你把材料縮小到納米尺度時，它們的物理性質(zhì)發(fā)生了令人印象深刻的變化；它們的特性將變得高度依賴于尺寸和形狀。在日常經(jīng)驗中，我們知道黃金總是看起來像黃金——不管它的大小或形狀。一個巨大的不規(guī)則形狀的金塊，一個中等大小的形狀良好的金塊，或者一個很小的金碎屑，它們都有相同的黃色光澤(如果它們表面純凈干凈的話)。但是，事實證明，當工程師們制造出尺寸在100納米以下的金粒子時，這些常識已不再正確；實際上，它們變成了紅色。這是第一個已知的納米材料實際應用，它被用于教堂窗戶采用的彩色玻璃。如今，我們已擁有制造尺寸可控的納米顆粒的技術和工具，我們可以觀察到，它不僅是紅色的，而且通過控制顆粒尺寸大小，可以得到不同深淺的紅色，甚至藍色。不僅是它的顏色，而且所有的材料性能都受到納米尺度的影響，其中一些是導電性、磁性和熔化溫度(大塊金在1000℃左右熔化，而10納米金粒子在500℃已經(jīng)熔化)。
這意味著，通過納米技術，我們還可以改變元素的屬性，對于工程師和材料科學家來說，納米材料簡直就是又一個巨大的“冒險家樂園”!納米材料可以根據(jù)其在納米王國中的維度進行分類：納米粒子的一個特殊子集是量子點(QDs)：由半導體材料制成的納米晶體，在所有三個維度空間中僅延伸10nm或更少，并且可以傳導電子。QDs非常小，以至于有時被描述為人工原子，它們表現(xiàn)出最強的納米效應。
油酸、油胺和羥基配體完全鈍化的硫化鉛半導體納米顆粒(量子點)(尺寸~5nm)；Zherebetskyy / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)但是，納米材料不為人所知的、依賴于尺寸大小的特性從何而來?目前看起來有兩個主要因素在起作用：量子限制和表面效應。當粒子尺寸足夠小，其空間邊界限制了它們所包含的電子的運動(稱為波函數(shù))時，量子限制才會出現(xiàn)。這改變了電子所能攜帶的能量，相應地，也改變了電子吸收、反射和發(fā)射的那部分光線。第二個因素是QDs極高的表面積體積比。當QDs內(nèi)部的原子完全浸沒在晶格中時，表面原子的某些側(cè)面還暴露在環(huán)境中，因此，這些表面原子的化學鍵鍵合不令人滿意。這樣的表面原子，其行為不同于內(nèi)部的本體原子。一般認為，物體的表面積與半徑的平方成比例，而體積與半徑的立方成比例。隨著粒徑增大，將導致材料的本體原子數(shù)目大大超過表面原子的數(shù)目。這意味著，在宏觀世界中，由于表面原子的數(shù)量相對較少，因此它們對整個材料行為的貢獻可忽略不計。但是，在納米尺度上，表面原子的數(shù)量與本體原子的數(shù)量非常接近，這對納米粒子的性能產(chǎn)生了更大的影響。
斯旺西大學(Swansea University)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金在納米尺度上的樣子，并據(jù)此繪制出了納米粒子熔化的方式，這與生物傳感器、納米芯片、氣體傳感器和催化劑等納米技術設備的制造和性能相關。就像量子限制一樣，這種效應與尺寸有關。但是，除了尺寸之外，科學家們現(xiàn)在還獲得了另一種控制材料屬性的方法，那就是控制它的表面。通常，我們并不完全清楚到底是量子約束還是表面效應最終決定了粒子的性質(zhì)。大量研究表明，具有相同表面的量子點（QDs）會隨著尺寸的變化而改變顏色，而其他研究則描述了具有相同尺寸的粒子會通過不同的表面處理而改變其顏色。這場爭論創(chuàng)造了“是尺寸，還是表面（size vs surface）”這個熱詞。
量子點具有光活性。他們吸收，然后發(fā)光。而且，當它們這樣做的時候，即使這些點是由相同的材料制成，每個量子點所發(fā)射的光也取決于其核心尺寸的大小，表現(xiàn)出特定的顏色（或波長）。例如，尺寸為2nm的量子點將發(fā)出藍光，而尺寸為6-7nm的量子點將發(fā)出紅光。量子點相對較大的表面積也帶來了明顯的挑戰(zhàn)。表面原子傾向于通過兩種方式使其不飽和鍵飽和：原子將粘附在相鄰的量子點上，引發(fā)納米尺度的粘附現(xiàn)象。這樣，量子點將形成大的集聚簇，這將使它們難以處理。原子與環(huán)境發(fā)生反應，通常是周圍空氣中的活性氧。在這種情況下，一個氧化物殼將覆蓋表面QDs。這種氧化物通常是電絕緣的。這是一個不受歡迎的特性，特別是在電子設備等應用中。為了解決這些問題，粒子表面的鍵必須被其他有用的東西飽和。為此，科學家們使用短的有機鏈。通過適當?shù)谋砻婀δ芑梢员ＷoQDs免受氧化和集聚。由于我們使用的是有機材料，因此需要確保不會添加過多的材料，從而最終得到另一個絕緣外殼。然后，我們可以大量嘗試功能化來改變QDs。表面功能化也能使QDs溶于液體，這種獨立的解決方案稱為量子點膠體化。這是為了將它們與生長在固體基質(zhì)內(nèi)部或頂部的量子點區(qū)分開來。
1微米（μm）厚基板上的有機CMOS邏輯電路的圖片。當涉及到粒子處理，特別是在電子設備應用領域，粒子的可溶性是一個大問題。常規(guī)而言，半導體在室溫下是固體，并且通過在爐中蒸發(fā)（物理或化學氣相沉積）而生長成晶體。這需要高溫（> 1000°C）和真空室，并且只能逐批完成。換句話說：它既緩慢又昂貴。然而，處理液體要容易得多。廉價和快速的制造方法，如噴涂或其他印刷技術，可以在低溫下進行大面積加工；量子點還可以形成薄而柔軟的薄膜。這使我們可以將它們打印在箔紙上，并轉(zhuǎn)移到高產(chǎn)量的卷到卷印刷機；換句話說——像印報紙一樣印刷電子產(chǎn)品!納米材料的應用范圍廣泛，涉及多個行業(yè)和應用領域。也許最成熟的是在防曬霜中使用鋅和鈦氧化物。把TiO2納米化可以保留其吸收紫外線的能力，但會降低其對可見光的反射率。這使得防曬霜是透明的，而不是白色的。另一種更奇特的用途是量子處理器，它利用QDs捕獲單個電子的能力，使它們的自旋狀態(tài)可以用作量子比特。在醫(yī)學領域，QDs可用于診斷和治療。通過將QDs與合適的受體功能化，可使它們粘附于特定靶標，這樣，它們可以用作生物成像的標簽或癌癥治療藥物的載體。
金納米粒子（AuNPs）具有高的x射線吸收能力、廣泛的合成用途以及獨特的化學、電子和光學性質(zhì)，是一種新型的輻射增敏劑然而，對QDs光學特性進行微調(diào)的可能性，使得它們在光電應用方面特別令人著迷：用于顯示和照明的LED，太陽能電池和光電探測器中的光吸收器件。
可穿戴電子設備可以集成到衣服中，甚至可以像紋身一樣直接放在皮膚上。這種裝置由夾在導電電極之間的極薄QDs薄膜構(gòu)成。QDs薄膜的厚度只有10-100納米，因此可以是柔軟、輕盈、透明、柔韌甚至可拉伸的。這使得傳統(tǒng)電子產(chǎn)品無法獲得的新應用成為可能。在這方面，一個流行的話題是可穿戴電子設備，它可以集成到衣服中，甚至像紋身一樣直接貼在皮膚上。如今，大多數(shù)QDs是由化合物半導體制成的，這種化合物半導體將元素周期表中兩個不同族的元素組合在一起。迄今為止，以鎘(CdSe, CdS, CdTe)或鉛(PbSe, PbS, PbTe)為基礎的組合已獲得最佳結(jié)果。不過，稍顯遺憾的是，鎘和鉛是有毒的重金屬。這使得它們不能用于生物應用，在消費者應用中也受到嚴格限制(在歐盟，用于產(chǎn)品的任何材料中，鉛的限制為0.1 wt. %，鎘的限制為0.01 wt. %)。同樣，基于無毒銦（InP，InAs）的化合物已被證明是好的器件材料。但是，銦非常稀缺且價格日益昂貴，銦是顯示器和觸摸屏中透明導電層的關鍵材料。最近，令人興奮的替代方法莫過于基于硅的QDs。硅是用沙子制成的，因此高度豐富，無毒且具有生物相容性。盡管大部分的電子產(chǎn)品都是硅制的(硅也是太陽能電池的主要材料)，但它通常不發(fā)光，因此不能用于LED。但是，當科學家發(fā)現(xiàn)直徑為5 nm或更小的硅量子點顯示出強發(fā)光特性時，該行業(yè)的長期夢想終于有機會得以實現(xiàn)。由這種硅QDs制成的LED已顯示出不同的顏色，盡管它們目前還不是很亮，但人們對它們進行了非常積極的研究。通過納米化，科學家為人類打開一個全新的材料世界，人們熟知的元素，會根據(jù)尺寸，形狀和表面發(fā)生特性突變。納米材料的初步商業(yè)應用包括：化妝品，防水表面涂層或QLED電視中的磷光體等。但是，科學家們認為，最有前途的應用仍處于不同的研究階段，并且還有一段路要走。雖然納米材料在20世紀中期已成為一個重點研究課題，但直到最近，科學家和工程師們才有可靠的工具來制造和表征這種小尺度物質(zhì)。如何使其變得足夠好、價格低廉、廣泛可用，將是下一步要做的工作。《流浪地球》的作家劉慈欣在《朗讀者》節(jié)目朗讀了斯蒂芬·霍金《時間簡史》中的這一片段：“我們生存在一個奇妙無比的宇宙中。只有憑借非凡的想象力才能鑒賞其年齡、尺度、狂暴甚至美麗。在這個極其廣袤的宇宙中，我們?nèi)祟愃幍牡匚凰坪跷⒉蛔愕?。因此，我們試圖理解這一切的含義。并且了解我們在宇宙中的角色……”
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