第一部分
青少年科普知識
納米研究青少年科普知識
納米研究人類科技領域的革命
納米技術如今成了科學研究領域的熱門，成為世界許多國家科學家競相研究的領域。神奇的納米技術真可以說是引發了人類科技領域的一場革命，那麼是什麼點燃了這場革命的導火索呢?這裏還不得不提到明星分子——巴基球。
瑞典皇家科學院把1996年諾貝爾化學獎授予美國賴斯大學教授羅伯特·柯爾和理查德·斯莫利以及英國薩塞克斯大學教授哈羅德·克羅托，以表彰他們在1985年發現的碳的球狀結構。皇家科學院的新聞公報說，三位學者在1985年一次太空碳分子實驗中偶然發現了碳元素的新結構——富勒式結陶，由60個以上的碳原子組成空心籠狀，其中由60個碳原子組成的分子，即碳60，形狀酷似足球，人們給它取了一個名字叫巴基球，用來表示。巴基球的直徑隻有07納米，算得上是真正的納米顆粒。
科學家們多年夢寐以求，希望製造一種有洞的分子來容納或者傳遞不同的原子、離子，巴基球正好圓了這一夢想。目前，科學家們正嚐試打開“球門”，把原子、離子摻雜其中，使之成為能製取若幹新型物質的分子容器。三位諾貝爾獎獲得者的這一發現開創了化學研究的新領域，對宇宙化學、超導材料、材料化學、材料物理，甚至醫學的研究有重大意義。目前新發表的化學論文中很大一部分都涉及這一課題。
但納米技術的真正倡導者是一位並不很出名的工程師埃裏克·德雷克斯勒。德雷克斯勒在20世紀70年代中期還是麻省理工學院的一名大學生，他在科技圖書館裏讀到遺傳工程的內容時產生了靈感。那時的生物學家們還在研究如何控製構成DNA鏈的分子。德雷克斯勒想，為什麼不能用原子建造無機機器呢?直到後來他才知道，費曼幾乎在20年前就已經提出了類似的看法。這種想法讓德雷克斯勒著迷，他想：為什麼不建造有自行複製能力的機器呢?一台機器會變成兩台，兩台變成四台，然後再變成八台……這樣無窮地變下去，給那些能把簡單的原料加工成特定製品的機器加上這個功能，會給饑餓的人生產無窮數量的食物，或者為無家可歸的人建造無數的房屋，它們還可以在人的血管裏遊弋並修複細胞，從而可以防止疾病和衰老。人類有朝一日可以消遣放鬆一下，而納米機器人則可以像科幻小說作家描寫的那樣，承擔世界上所有的工作。然而當時多數主流科學家對此的反應是：一派胡言!但巴基球的誕生使研究人員開始著手做這件事。
詹姆斯·金澤夫斯基是IBM公司設在瑞士的蘇黎世研究實驗室的物理學家。他和同事一起擺弄的一台隧道掃描顯微鏡有極其纖細的探頭，能像盲人閱讀盲文那樣透過物質表麵記錄原子的存在。他們不但用35個氙原子拚出了IBM三個英文字母，而且他和他的幾個同事還想用一台隧道掃描顯微鏡(STM)和一些巴基球製作一個能計算的機器。1996年11月他們推出了世界上第一台分子算盤。該算盤很簡單，隻是10個巴基球沿銅質表麵上的一條細微的溝排成一列。為了計算，金澤夫斯基用隧道掃描顯微鏡的探頭把巴基球拖來拖去，細溝實際上是銅表麵啟然出現的微小台階，它們使金澤夫斯基可在室溫下演算。
理論上金澤夫斯基的算盤儲存信息的容量是常規電子計算機存儲器的10億倍。盡管在應用上它還很煩瑣，但它顯示了科學家在處理十分微小的物體方麵已經非常熟練。這個工作可能是邁向製造出分子般大小的機器的第一步，移動單個分子或原子的技術是開發下一代電子元件的關鍵。
說到巴基球，一定要談到它的兄弟巴基管。巴基管是碳分子材料，與巴基球有著不同的形狀、相似的性質，其大小處於納米級水平上，所以又稱為納米管。它們的強度比鋼高100倍，但重量隻有鋼的1／6。它們非常微小，5萬個並排起來才有人的一根頭發絲那麼寬。巴基球和納米管都是在碳氣化成單個的原子後，在真空或惰性氣體中凝聚而自然形成的，這些碳原子凝聚結合時會組合成各種幾何圖形。巴基球是五邊形和六邊形的混合組合，不同的混合產生不同的形狀。然而，典型的納米管完全是由六邊形組成的，每一圈由十個六邊形組成，當然也有其他的結構。巴基球和巴基管具有多種性質，科研人員一直在研究它們在激光、超導領域以及醫藥領域的應用前景，並取得了不少成果曠
法國和美國科學家發現，利用單層碳片做成的單層納米碳管具有規則的結構和可預見的活動規律，這種極其細微的管子可用於許多領域，包括從未來的電子裝置到超強材料。
人類發現一種新物質，就要研究它的性質和功能，人們發現巴基球具有很多意想不到的神奇性質。
先是日本岡崎國立共同研究機構分子科學研究所於1993年合成了含有C60分子的新超導體。這種新超導體由鈉、氮的化合物和C60組成。據合成這種新超導體的岡崎國立共同研究機構主任井口洋夫等人介紹，他們先將氮化鈉和C60粉末按一定比例混合，然後將其置於真空中，再在370℃的溫度下燒結約20分鍾，便合成了新的超導體。為防止這種混合物在大氣中會與水蒸氣發生反應，所以將其置於真空中。井口洋夫說，含C60的新超導體在零下258℃表現出很好的超導性能。
美國紐約州立大學布法羅分校由華裔科學家組成的一個研究小組發現，巴基球在摻入氯化碘雜質後，可在絕對溫度60度，即零下213℃時產生超導現象。在該校物理係教授高亦涵、博士後研究助理宋立維以及機械航空工程係教授鍾端玲、研究生符立德的這一發現之前，超導巴基球的臨界溫度約為零下243℃。摻入氯化碘的巴基球還具有對於未來實際應用十分有利的空氣穩定性。研究小組稱，新發現的超導巴基球在置於空氣中40天之後，依然可以探測到超導特性，而這是以前發現的超導巴基球並不具備的性質。
法國和俄羅斯科學家利用巴基球研製成一種新的材料，其硬度至少和金剛石相當，並能在金剛石表麵刮擦起痕。據英國《新科學家》雜誌報道，法國巴黎全國科學研究中心的物理化學家亨裏·斯茲瓦赫同莫斯科高壓物理學研究所的科學家，在高壓條件下使由60個碳原子構成的碳球晶體化而製成了這種超強聚合物材料。斯茲瓦赫說，他們原來是打算利用CQ製造金剛石，沒想到結果獲得的是另一種更堅硬的物質。他們利用的是俄方高壓物理研究所的機器，機器的中心是兩個錐形金剛石，他們把C60材料置於其中一個金剛石的表麵上，然後施以大約20個千兆帕斯卡的高壓(大約相當於20000個大氣壓)。在這同時，旋轉這兩個錐形金剛石，以產生一種壓力。法國科學家介紹說，當碳球材料在12個千兆帕斯卡壓力作用下時就開始向新材料轉變，但是施加更大的壓力之後這個轉變過程才全部完成。
人們還對巴基球在藥物方麵的應用作了研究。日本京都大學、東京大學等相繼發現球形碳原子“C60”能抑製癌細胞增殖、促進細胞分化，有望成為治療癌症的新藥。京都大學生物醫療工程研究中心發現，將球形碳原子注入白鼠的癌細胞後，在光的照射下就能產生破壞癌細胞的活性酶，可有效地抑製癌細胞的增殖。東京大學和日本厚生省國立衛生研究所也分別在試管實驗中發現，球形碳原子的化合物同其他抗癌藥物同時使用，能夠提高醫療效果、促進細胞分化。