微细精密的纳米技术的应用

微细精密的纳米技术（nanotechnology），最引人注意的莫过于各种未来可能的新奇应用，例如四处横冲直撞的纳米机器人。但这项当红科技领域的首批研究成果其实相当平凡：大多是普通物品静止不动的小碎片。

然而，正因为体积微乎其微，于是赋予这些小碎片——“纳米粒子”（nanoparticles ）——神奇的新功用。
各式各样的纳米粒子，已出现在诸如防晒霜、油漆、喷墨打印纸等产品上。更奇特的纳米粒子应用在医药上，为敏感的诊断化验与新奇疗法带来新希望。例如，在脊髓液中找寻某种蛋白质可验出患有阿兹海默症（俗称“老年痴呆症”），或把纳米粒子加热以杀死癌细胞。
有些纳米粒子甚至称不上是走在时代的尖端。


中世纪的纳米工匠
中世纪的工匠不知不觉地变成纳米工艺学家，因为他们在制作红玻璃时，把氯化金混入熔化的铁中。这么做会形成微小的黄金球体，以其独特的吸光和反光方式，产生浓艳的红光。
纳米技术、纳米粒子以及所有其他纳米字眼，都衍生自“纳米”（nanometer ）一词，即十亿分之一公尺，或一英寸的2 ，500 万分之一。比起牛顿运动定律所描述的日常物体，那实在小得太多，但仍大于单一的原子或简单的分子——受量子力学支配的粒子。
一个纳米粒子的宽度从数纳米到数百纳米不等，内含数十个到数千个原子，并存在于介于量子与牛顿所谓日常物体之间的领域。
美国西北大学纳米研究所主任Chad Mirkin 说，在那么渺小的状态下，“任何物体，不论是什么，性质都会改变。而这正是科学家最感兴趣之处。”
这种介于其间的领域也催生一种异于传统的物理学：物质依照大小改变属性。在量子层级，一个金原子与其他的金原子的作用毫无二致，一个大到可手握的金块与另一金块的化学与导电性质无异。但两个纳米粒子，即使都是纯金做的，但若是甲粒子比乙粒子大，就可能展现截然不同的性质——不同的熔点、不同的导电性、不同的颜色。
柏克莱加州大学化学教授Paul Alivisatos 说：“这创造出一种控制物质属性的全新方法。一改以往改变物质组成成分的方法，现在你可以改变其大小。”
Alivisatos研究的是称为“量子点”（quantum dot ）的纳米粒子，由硅、砷化镓（gallium arsenide）这类半导体所构成。这些微小粒子的边缘影响电子在半导体中的移动，而量子点的形状和大小可加以裁制，使它散发出特定颜色的萤光。目前用来照亮蛋白质和去氧核糖核酸（DNA ）的染料很快就会褪色，但用量子点追踪活细胞内的生理反应则能持续数日以上。
身为加州量子点公司（Quantum Dot ）共同创办学者的Alivisatos说：“量子点像小石头一样坚固。”量子点公司希望把科学研究转化为有利可图的商业。
其他纳米粒子应用则利用一个道理：把物质分解成更小的单位，总表面积随之增加。对有磁性的纳米粒子而言，毫无缺损的特色，会导致磁场明显增强。纳米粒子微乎其微，所以其中的原子大多数都排列成完美的晶体状，毫无缺损。
默塞德加州大学教授David Kelley正着手用奇特的半导体，制作厚度仅四个原子的磁盘，希望把它们堆叠起来，放入太阳能电池。此磁盘的形状降低粒子之间的空隙，可让电子更容易在其中游移。因为纳米粒子几乎总是包含完美无瑕的晶体结构，Kelley盼望他的纳米太阳能电池在吸纳光源并转化为电能方面会更有效率。
他打算更进一步研究这些磁盘的基本性质，再试着把研究成果整合起来。“届时，我们就会充分了解，这种太阳能电池未来一、两年制不制造得出来。”
就中世纪的彩色玻璃而言，黄金纳米粒子是直径约25纳米的简单球体。在那么小的状况下，黄金不再散发出金黄色。纳米粒子表面上的电子一起荡来荡去，吸收蓝色和黄色的光线。但粒子表面会穿透窗户，反射出波长更长的红光。同理，彩色玻璃中的白银纳米粒子，发出淡黄色色泽的光。
运用更先进的工具，今天的科学家可把纳米粒子做成各种形状和大小。较大的黄金球体呈现出绿色或橙色；较小的白银玉体则是蓝色的。西北大学的Mirkin就做过三角状的银粒子，对角线100 纳米长，是红色的。“红橙黄绿蓝靛紫，什么颜色都有，”他说。
伊利诺大学化学教授陆艺（Yi Lu ）利用纳米粒子会变色的性质，来侦测铅的危险含量。他把DNA 分子依附在黄金纳米粒子上，再与其他特别调制的DNA 成分混合成一团，结果呈现蓝色。若是其中含铅，会造成相连的DNA 脱落，个别的黄金纳米粒子随之松动，颜色于是由蓝转红。


医学用途
Mirkin另用黄金纳米粒子作为连接点，以打造不同类的感测器——用来检测疾病。
一种常用的诊断化验技巧，是让抗体依附在会发出萤光的分子上。一旦抗体附着在与某种病症有关的蛋白质上，则萤光分子在紫外线的照射下就会发光。
Mirkin不用萤光分子，改用黄金纳米粒子。他把别的分子，通常是少许的DNA （当条码用），加入纳米粒子，附着在抗体上。他指出，由于同一纳米粒子可附着上多份的抗体与DNA ，这种检测方法远比目前使用的萤光分子检测法来得灵敏、准确。
Mirkin与他的同事在2 月份美国科学研究院会议纪录中发布论文表示，此法已产生一种检测方式，借测量脊髓液中与阿兹海默症相关的蛋白质含量，可发现是否已罹患此病。
“对我而言，那正是此法强而有效的美妙范例，”Mirkin说。他已成立一家公司，称为Nanosphere，设法把他首创的技术转化为产品上市。
纳米粒子除了检测病症外，也或许能协助治病。


协助治病
莱斯大学电机暨电脑工程教授Naomi Halas 就发明一种她称之为“纳米壳”（nanoshell）的粒子，是一种中空的金质或银质球体，包里住二氧化硅（silica）填充物。
中空形状让游移在黄金之中的电子在吸收光能方面特别有效率，而改变壳的厚度后，吸收光线的频率也随之改变。这或许可用于癌症的治疗过程，用来杀死恶性肿瘤细胞。把“纳米壳”注入肿瘤之中，并以红外线光照射肿瘤，即可提高其温度，借此消除肿瘤。
为了作示范，Halas 的实验室研究员把“纳米壳”注射到未煮过的生鸡部位，再以近距离照射红外线镭射光。由于水分吸收不了多少红外线光，所以那束镭射光穿透大部分的鸡肉，未产生什么作用。但那个纳米壳则吸收光能，随后便发布热量，以致注射部位开始冒烟并着火。（实际治疗时，会用强度大幅减弱的光来杀死癌细胞，但不至于把肉给烤熟了。）
Halas 与一位同事——莱斯大学生物工程教授Jennifer West ——共同创立Nanospectra Biosciences 公司。
把一些药品缩小到纳米粒子般的大小，也可能有助于改善药效。
内华达州的Altair Nanotechnologies 已发展出二氧碳化镧（lanthanum dioxycarbonate）的粒子，可能用来治疗肾脏病患。这种化合物 ——预定以RenaZorb为商标名称——可与磷酸盐（因肾功能障碍未能予以清除而逐渐堆积的体内废物）黏结，预防磷酸盐侵入人体组织。
在此处，微小的优点显现在表面积方面。取等量的材质，小粒子的表面积较大，让少量的药也能吸收到大量的磷酸盐。如这种来，病患每餐只需服用一锭RenaZorb，不像其他同类药品每餐必须吞服两、三颗，Altair首席执行官Alan Gotcher说。


环境清洁派得上用场
表面积增加也使得纳米粒子适用于某些类型的环境清洁用途。早在纳米粒子一词广泛使用之前，理海大学土木与环境工程学教授张伟贤（Wei-xian Zhang）就已投入铁纳米粒子的研究，至今长达将近十年之久。张伟贤记得以前在早期的科学论文中称之为原子“丛”（clusters），但该科学刊物的编辑觉得描述得不够贴切，所以他后来把措词改为“纳米级粒子”（nanoscale particles ）。
铁在清除三氯乙烯（trichloroethylene ）之类的污染物方面很有效。三氯乙烯简称TCE ，是一种致癌物，可溶解于饮用水中。一旦铁生锈变成氧化铁，就会发布电子，若电子游离后接触到TCE 的分子，便会起化学反应，把TCE 破坏成无害的碎片。
目前的作法是挖一条沟，倒入大量的铁粉。但在特伦顿与北卡罗来纳州的环境污染地点作小规模试验后，得到水中TCE 污染度陡降90% 以上的结果。张伟贤说，1 磅重的铁纳米粒子，可把1 万磅到3 万磅的水给清乾净。
不过，纳米粒子也可能潜在未知的危险。已有人担心，因为纳米粒子实在太微小，可能穿透人体的免疫系统、侵入细胞。去年一项研究宣称，水中一种特殊的、足球状的碳分子（称为buckyballs）造成鱼脑受损。
但并非所有的纳米粒子都被视为同样有害。氧化锌（Zinc oxide）长久来一直是化粧品的成分之一。而目前在防晒霜里用来避免产品形成白糊状的氧化锌粒子，也不被视为构成危险。
张伟贤说，铁纳米粒子终会自然而然生锈，变成氧化铁粒子。他说：“我有相当的把握，那不会产生什么影响。大多数的铁粒子会附着在泥土上，缓缓氧化，然后融入土壤中。”
不过，他同意，在广泛应用铁纳米粒子之前，仍需要进一步做实验验证那项假设。
未来，纳米粒子也可望成为复杂构造物的架构元素，例如用来打造纳米导线和分子电子装置。专家预期，有些粒子可植入可移动的零件，或许有朝一日，科学家就会开发出横冲直撞的纳米机器人。