第254章 纳米技术

  李水旺新一期视频：

  纳米技术正从科幻的领域走向现实，在这个过程中，这些微乎其微的技术正带来巨大的

  机遇。纳米技术和纳米机器人正迅速成为我们这个时代最具革命性的技术之一，有望改变从医疗到製造业的各个行业。试想一下，比人类头髮丝小一千倍的微型机器人，它们能完成复杂的任务，比如修復受损组织、靶向攻击癌细胞，甚至在原子层面构建材料。这些微型机器可能会彻底改变我们诊断和治疗疾病、设计新型材料的方式，还能应对污染、资源短缺等全球性挑战。凭藉著无可比擬的精准度和多功能性，纳米技术有望重塑未来，催生那些曾经只存在於科幻世界中的创新成果。

  从科幻诞生之初，人造生命和机器人就是核心主题，然而这些虚构的造物往往形似人类，比如阿斯莫夫笔下的机器人或是弗兰肯斯坦的怪物，並非微型机器。它们最初被塑造成庞大的高级生命体，这与地球生命的起源方式截然相反 —— 地球生命始於只能进行自我复製的微小微生物。

  如今，这些微型机器在某些方面被认为比体型更大的机器人更为复杂，而这一认知也已被证实是正確的。凭藉著我们的躯体和各类工具，在宏观层面製造物体对我们而言更为容易，微观层面尚且不易，更不用说原子层面了。人们理所当然地认为，在纳米尺度进行製造比打造大型机器和机器人更具挑战性。

  早期的科幻作品中鲜有纳米技术的身影，儘管微型化的设定偶尔出现，比如显微镜下存在完整的文明，但这些通常只是宏观事物的缩小版，就像《戈尔旅行记》中的安扎?卢克斯。如今我们所理解的真正意义上的纳米技术，在 20 世纪 50 至 60 年代开始初具雏形。理察?费曼 1959 年的演讲《底部还有大量空间》，为在原子和分子尺度製造机器奠定了理论基础。这篇並非科幻作品的演讲，启发了科幻作家去探索纳米尺度技术的种种可能性。

  “纳米技术” 这一术语直到 1986 年才出现，彼时埃里克?德雷克斯勒的著作《创造的引擎：即將到来的纳米技术时代》正式出版。这部开创性的作品让纳米技术的概念深入人心，也对科学家和公眾產生了深远影响。在书中，德雷克斯勒构想了一种分子製造技术，认为它能彻底改变工业、医疗和日常生活，这一想法也引发了人们对纳米技术潜力的热议与探討。他还提出了如今广为人知的 “灰色粘质” 场景，这是一个警示性的设想：自我复製的纳米机器人可能会分解世间万物，最终让整个世界被一片由复製机器构成的银色海洋所覆盖。

  儘管人们常常质疑这类微型机器人是否真的能成为现实，但纳米技术的范畴远不止纳米机器人。对於这项未来技术，我可以直截了当地、毫不犹豫地给出肯定答案。原因在於，我们身边本就存在微型机器 —— 细胞和病毒，而且地球上的大部分生命都存在於微观层面。从某种意义上来说，有人或许会认为，地球生命的诞生本身就是一场 “绿色粘质” 事件。在某个时刻，简单的自我复製有机体出现，在地球上不断扩散、进化，最终遍布地球的每一个角落，从山顶到海沟，甚至在深埋於冰层数英里之下的湖泊中繁衍生息。

  生命的大肆繁衍让地球的大片土地披上绿装，彻底改变了地球大气，使其富含氧气，甚至还影响了地球的地质结构。无论生命的诞生是源於隨机的偶然和达尔文式的进化压力，还是某种智慧设计，生命的存在、人类的存在都表明，我们能够运用自身的智慧，设计出为特定任务量身打造的同类微型机器。至少，我们可以改造现有的微生物或病毒，使其为我们所用 —— 这一点我们已经实践了数百年，烘焙和酿酒中对酵母的利用就是最好的证明。事实上，人类早已与这些被改造或被加以利用的微生物形成共生关係，比如肠道內的细菌、细胞中的线粒体。这也引发了一个问题：考虑到我们体內许多细胞並不携带人类的 dna，人类的定义是否真的由 dna 决定？

  儘管如此，我们在研发纳米机器人的道路上已经取得了长足的进步，纳米技术也早已成为现代工程学的重要组成部分。从半导体到石墨烯，我们当下的技术广泛运用了纳米尺度的工程设计。值得一提的是，人们常常將纳米尺度、微观尺度和原子尺度混为一谈，因此有必要探討一下这些尺度的具体含义，它们代表著不同的尺寸级別和复杂程度，也决定了我们研发和运用这些微型机器的方式。

  对於感兴趣的人来说，“微”（micro）一词源自古希腊语 “micros”，意为 “小的、微小的”。1873 年，它被用作公制前缀，代表百万分之一。一微米（也常简称为 micron）就是百万分之一米，略大於可见光光谱中光子的波长或尺寸，这也是普通显微镜的观测极限。无论显微镜的工艺多么精湛，都无法分辨出比观测所用光的波长小得多的物体。“显微镜”（microscope）一词早在 17 世纪初就已出现，而显微镜这一设备的发明时间还要更早一些，因此这个前缀用来描述该尺度十分贴切。“毫”（milli）在毫米（millimeter）中，实际源自古拉丁语，意为 “千”，因此將其用作代表千分之一的前缀也合乎情理。“千”（kilo）作为代表一千的前缀，如千克（kilogram，一千克），源自古希腊语中表示 “千” 的词汇。

  而 “纳”（nano）源自古希腊语，意为 “侏儒、极其微小”，1960 年它被用作代表十亿分之一的公制前缀，这也是为何在此之前，文献中从未出现过 “纳米技术” 的提法。在原子尺度的测量中，我们过去常使用埃格斯特朗单位（埃），它比纳米小一个数量级，为 10 的负 10 次方米。如今，这个单位在很多领域已不再被推崇，取而代之的是標准公制前缀，但埃单位的使用依然十分广泛。在科学研究中，埃单位尤为实用，因为它与原子尺度的测量相契合，比如分子键长和原子半径都小於纳米尺度，通常用埃来表示。

  皮米（picometer）代表万亿分之一米，在该尺度的测量中也十分常用，100 皮米等於 1 埃，1000 皮米等於 1 纳米。“皮”（pico）在西班牙语中意为 “少量、一点点”，1960 年，它与 “纳”（nano）、“飞”（femto）一同被採纳为公制前缀。“飞” 源自古丹麦语中表示 15 的词汇，代表千万亿分之一，即 10 的负 15 次方。在 “飞” 之后是 “阿”（atto），源自古丹麦语中表示 18 的词汇，而后是 20 世纪 90 年代初被採纳的 “仄”（zepto）和 “么”（yocto）。这两个前缀分別代表 10 的负 21 次方（一秭分之一）和 10 的负 24 次方（一么分之一），词源分別为拉丁语和希腊语中表示 “七” 和 “八” 的词汇。

  飞米尺度在核物理中用於测量原子核，阿米尺度则用於测量亚原子粒子，而仄米和么米则极少用於距离测量。不过，我们有时会用仄秒来测量量子时间尺度，用么克来测量亚原子粒子的质量。在科幻作品中，偶尔会出现 “飞技术”（fotech）和 “皮技术”（picotech）这类说法，儘管如今人们並未对其展开深入研究。皮技术一般指由少数原子构成的技术，比如最简单的分子；与之相反，纳米技术涉及的机器则由数千、数百万甚至数十亿个原子构成。

  生物细胞和大多数细胞器都处於微观尺度，而纳米尺度指的是比这些结构更小、但仍由大量原子组成的尺度。例如，一条 dna 链包含约 1800 亿个原子，许多病毒的原子数量达到十亿级別，即便是脊髓灰质炎病毒这类极小的病毒，也含有数百万个原子。飞技术则是利用质子、中子和其他亚原子粒子製造器件，实现亚原子尺度的技术研发。我们会在文末进一步探討这些概念，而就本次的探討而言，纳米技术指的是所有与病毒尺度相当或更小、且仍由普通原子构成的机器。