走进美丽神奇的纳米世界

我们要看到这儿小的物体有什么方法，实际上用来观察这个微观世界的工具我们可以把它叫做显微镜，当然有很多。其中有光学显微镜，光学显微镜只能看到比较大一点的，微观的，比如说微米量级的，比如说一个微米以上的，要看到微米以下的，亚微米或者纳米级的我们需要用到比如说像这样一个图这里用到的，它是透射电子显微镜，当然也可以用到扫描电子显微镜，还有扫描探测显微镜，扫描探测显微镜当然有很多相关的分支的显微镜种类。
走进美丽神奇的纳米世界（一）
贺军辉:中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，研究组长；中科院“百人计划”引进国外杰出人才，兼任日本理化学研究所前沿研究系统研究员，从事功能纳米材料和器件的研究和开发。
贺军辉：今天非常有幸跟大家在这里进行交流，来领略一下纳米世界的美丽。所以我今天的题目是“走进美丽神奇的纳米世界”，什么叫纳米，纳米的概念是这样一个概念，它实际上是一个尺度的概念，纳米是一个长度单位，一个纳米等于10个负9次方米，它实际上我们经常打这么个比方，就相当于头发丝的五万分之一，实际上我们可以把自然界的物体按照这个尺度的范围在这个坐标上做一下排列，大家可以看到。我可以从宏观的宇宙10的26次方到银河系太阳系地球、人类，到微观的细胞、病毒、原子和分子以及到原子核基本离子。那么纳米实际说就是落到这个红的这一块，10的负9次方这个范畴，那么在这个图上大家也可以看到，纳米实际上是这个红线标的这个地方，在这里有一些什么呢，比如说有一些DNA的螺旋液，宽度大概是2个纳米，当然还有一些很多别的。在这个范围现在的研究正在蓬勃发展，实际上是国际的前沿研究，在过去研究的比较少，从2000年开始，蓬勃发展起来了。2000年实际上美国有一个叫前沿研究计划叫“英文”，那个计划，是克林顿政府提出来的。那么在这之后，纳米科学技术发展进入了蓬勃发展的阶段。
其实这个动物，我想这个事很害怕的，但是现在我觉得它特别可爱，我觉得它现在特别可爱，实际上壁虎是一个非常可爱的动物，它也有非常独特的功能。实际上我们知道壁虎它可以在墙上爬，而且它爬到屋顶上有没有关系，掉不下来。为什么，实际上跟它身上的这个脚密切相关的这个是我们看到壁虎的脚的外观的一个结构，如果我们把它进一步细看的话，这是它的脚趾具有特别的有序的微观的结构。如果我们把它进一步放大的话，大家可以看到，你看这个造物主是非常的精细，实际上我们平常做的东西跟这些东西比好像看上去很粗糙，实际上造物主造的东西是非常精细的，非常漂亮的非常规整的结构，当然也正是因为这些结构使得壁虎具有爬墙爬屋顶掉不下来的这个本领。现在科学家正在开发人工的材料，已经初步的实现了，比方说我们模拟这个正列式的结构，那么我们现在已经发展出了能够把这个东西挂在壁上或者挂在屋顶上所谓的不是胶的胶，我们知道未来的那个蜘蛛人，我们看电视有一个蜘蛛人，蜘蛛人或者是蝙蝠侠，他们可以随便的在墙上爬或者屋顶上爬，实际上目前来说科学家已经有一些线索，通过仿生已经初步达到了一定的效果。当然离真正的壁虎还远着，这个可能得靠我们在座的同志未来如果能发明一个手套或者一双鞋，能够具有把我们粘到这个墙壁上或者是屋顶上可以随意走动，那就非常有意义了。
这是我们国家的一种叫剑麻的一种植物，它实际上可以广泛的用到工程材料，也可以用在我们的服装等等。它的结构实际上大家可以看到是非常有意思的，如果我们把这个剑麻纤维拿过来看一下，在一个截面上你可以看到非常多的空洞，这种孔洞进一步放就是这样，非常有序，而且非常漂亮的结构，这种结构使得它在保温材料各个方面具有很好的应用，实际上这是它的侧面的结构。
这是另外一个生物，这个是一个蝴蝶，蝴蝶大家可能知道，蝴蝶是五颜六色的，但是大家知不知道蝴蝶为什么有颜色。答对了一些，实际上蝴蝶的颜色很多并不是因为它本身有颜色，而是因为它的特殊的结构使得它具有一种所谓的叫光子晶体那个效果，使得它具有一定的反射折射的作用，这样的话我们把蝴蝶的翅膀放大，你看它是这么一个结构，继续放大呢，它又是一种结构，所以它具有非常漂亮的结构。另外，这个是鲨鱼，鲨鱼我们知道鲨鱼是海中之王，游泳游得特别快，大家都很害怕，有人说要吃人，吃动物，但实际上鲨鱼为什么能游那么快，因为它有特殊的表面皮肤。这是显微镜下的鲨鱼的皮肤，大家可以看到，一种非常好的结构，流线型结构，目前科学家和工作技术人员也在模拟模仿这个鲨鱼的这个皮肤的结构，那么做出来这么一个叫人造鲨鱼皮，大家可以看到虽然叫人造鲨鱼皮，看上去还是很简单，比造物主造出来的要差远了，不管怎么样还是非常有效果的。因为为什么呢，因为菲尔普斯穿的就是这个东西，当然了我不能说，正是因为他穿了这个，因为这个跟本身游泳也是世界最优秀的游泳运动员，当然跟他穿了这个衣服也有关系，不过为什么说他毕竟还是最优秀的运动员，因为实际上其他同志也穿，其他运动员也穿这个衣服，所以说还是他是最优秀的。
这是一个繁星花的一个，大家可能比较熟悉的一个花，它实际上它的花粉是什么样子，是这么一个结构，这个繁星花的花柱头是这么一个结构，都是一个维纳的结构我们还可以收集到其他的一些图片，比如说常见的植物的花粉，大家可以看到它们都具有非常非常精美的结构，那么实际上当然这些精美的结构并不是长得漂亮，它们实际上具有很多的功能，一会儿我会跟大家一起分享这个。
实际上大家可以看到，在自然界有很多非常美丽功能化的纳米维纳结构，实际上随着这个纳米科学技术的发展，人类也在不断的创造出新的纳米结构，这些纳米结构有的是仿生的，模仿生物界的，有的是自然界没有的，这个就是人类新的创作。我也是给大家简单的介绍一些例子，比方说，这种是我们在硅晶片上伸展的一个纳米管，我们知道硅材料实际上是一个很好的半导体材料，所以在硅上伸展这些纳米结构在未来的，比如说电子器件大规模集中电路和光子器件，各种光电通讯具有很重要的应用。
这个是科学家通过合成手段合成出来的纳米花束，大家可以看到非常漂亮，它实际上不亚于自然界的纳米花束，非常精细。这个是纳米花环，这一个环状的结构而且也是非常有序，这个是纳米二氧化硅，实际上这些东西实际上都是无机材料，这个不是天然的材料，这个是无机材料可以在实验室合成出来的东西。
这个是一个纤维素的一个分子，大家实际上可以看到它是一个糖面，实际上我们身上穿的这个棉布的东西，棉布的衣服实际上就是这种东西，这种纤维素制作的，如果你把它放在显微镜下看，实际上是有很多纤维构成的，如果再把它一根纤维放大看，它的表面是非常粗糙，具有非常多的空洞，这样使得我们这个穿的同时就有一种感受，实际上这个纤维棉纤维是高吸水的，我们夏天穿衣服不太喜欢穿这个化纤的，都愿意穿这个棉纤的，为什么呢，就是因为这个棉纤实际上具有高度的吸水性，穿着很舒适，我们大家愿意穿这个。
这是我们中药里面一种常见的植物叫葛根，那么大家可以看到你如果把这个葛根沿着这个截面切开的话，你可以看到很多孔洞的结构，进一步放大的话，大家可以看到有很多非常，就是宏观里面想象不到的，非常有序的结构，大家可以看到这种结构都非常有序，而且是分层次的，我们叫它叫阶层的结构。什么叫阶层的结构，实际上就是说在古代，我们在古代整个这个社会是分着层次的，最高是皇帝，然后有大臣，这个是打个比拟，实际上就是阶层的结构在纳米科学里面有大的结构，也有中间的结构，也有小的结构，我们把这个叫阶层的结构。
Hale Waihona Puke 这个实际上是通过双光子聚合，通过两束激光双光子聚合制备的所谓的纳米牛，大家可以看到，即使在这么小的，这是他2的标尺，即使在这么小的尺度范围内，大家可以看到这个结构是相当精细的，而且是一个立体的，这个当然了，现在科学家正在做的把它做得更小。科学家也可以把它功能化，比如说使它具有一定的荧光，这个是一个纳米牛，纳米蜥蜴，这是具有发荧光的纳米牛和纳米蜥蜴。
我们要制备这个纳米材料，制备这些纳米，也要能够操控这些原子或者是纳米材料，操控这些原子或者是纳米颗粒，比如说我们可以操控原子用这种机器来操控原子，比如说用原子显微镜或者是扫描探测显微镜，得到看这一张图，这一张图实际上是科学家操控原子画出来的原子和IBM的图象，实际上每一个点是代表什么呢，一个原子。实际上这个纳米结构实际上在自然界是有很多的，非常丰富的。那么在过去由于工具的缺乏，实际上我们很多东西都不了解，今天我希望通过一些图片向大家展示一下，实际上在自然界有非常多的维纳的结构，正是因为这些维纳的结构使得自然界的物种或者是自然界有一些特别的功能。比方说，这个是一个荷叶的表面，我们大家知道荷叶实际上有一个非常重要的功能叫出淤泥而不染，这个我们过去古代的诗词里面或者是文章里面都有荷叶是出淤泥而不染的，为什么呢？过去因为没有这个条件，没有这个眼睛来看这个荷叶的微观结构所以我们不知道，只知道他是出淤泥而不染，通过这个维纳通过我们使用现在的工具，现在的显微工具，我们可以看到荷叶的表面是非常奇特的。大家可以看到荷叶的表面实际上是由微米级和纳米级的这个结构复合起来，然后再加上这个表面的这个疏水的这个层，大家可以看到，实际上这个是微米级的，在这个微米级的表面上又有纳米级的结构，使得这个荷叶具有出淤泥而不染的特性，实际上这就是所谓荷叶超疏水特性。它是维纳结构，加上表面的植物纳共同作用的结果。
这个可能是我们大家都知道的一个黑胡桃树叶，树叶我们肉眼看上去就是一个树叶，实际上我们如果把它放在电镜下看，大家可以看到它是一个非常有趣的结构。实际上是一个多孔的结构，表面上还有，大家可以看到像一个小蘑菇一样的这个结构。它的内部有多孔的显微性的结构，实际上这些结构都是跟功能紧密相关的。大家可以猜猜这是一个什么，这个是蜘蛛网，蜘蛛网我们很多，反正我在我小时候我就怕这些东西，好像蜘蛛网粘在身上很不舒服，或者这个蜘蛛很可怕，实际上这个蜘蛛非常聪明的，这个就是一个典型的蜘蛛网。那么我们把这个蜘蛛网放大看是一个什么样子呢，它实际上是非常复杂非常有趣的一个结构，实际上它是由氨基酸通过螺旋链通过组装成了一个纳米的纤维，实际上我可以告诉大家一个惊人的结果，就是蜘蛛网的这个强度，蜘蛛网纤维的强度实际上比钢铁的强度还大，大家可能不太相信这个，但这个是科学家测量的结果，蜘蛛网的强度比钢铁的强度还大。所以你看蜘蛛个挺大，蜘蛛网很细，那么细的一根丝可以掉那么大的这个身体，大家可以想象这个强度是很大的。
我们的头发，实际上我们的头发也是非常有趣的结构，那么大家可以看到我们的头发实际上表面上是一个纳米的鳞片构成的，大家可能平常也没有注意到这一点，实际上是一个非常有意思的结构。蚂蚁，蚂蚁实际上大家可以看到，实际上它表面上是有非常独特的结构，这个是图，如果我们不看它，只是看表面的话，看不到这些表面的结构，实际上它具有非常精细的表面结构。这个是大黄蜂，大黄蜂的腿部是这样一个结构，这些结构实际上跟它的功能是紧密相关的，实际上这样的结构也就决定了大黄蜂能够不被水，不容易被水侵蚀，这样的话就不容易因为露水嘀到它的身上它就飞不起来了，它这个没关系。还有一个动物大家可能都知道，南方来的同志可能都知道，叫水黾。水黾实际上是一个非常有趣的动物，因为它可以在水上，它可以在水上走，大家人都有这个功能就不得了，我们不用船了，我们也不用这个军舰了。为什么呢，大家想到没有为什么，为什么它这么重的动物，能够在水上走来走去，实际上如果你把它的腿，就把它的这一段放大看了以后，它实际上是非常奇特的结构，有很多纤细的刚毛。实际上再把它放大一下，每一根是这样的一个结构，为什么它可以在水上走，实际上就因为这样一个结构，就因为他腿部的维纳的结构，再加上腿部维纳结构表面的这个油脂的这样一个协同的作用，使得它具有超疏水的这样一个性能，这样使得它能够，大家可以看到，它的腿沾到这个水面上的时候，它是显示一个超疏水的效果，也就是它是一个排水的效果。我们大家都知道浮力定理，正是因为这种超疏水的排水效果就使得它能够站起来。当然科学家能够实现，比如说我们的鞋子未来具有这个效果，也许我们以后就可以在水上走路了，或者哪怕我们穿个衣服也是可以的。