无穷小的巨人(激动人心的纳米科学让人类生活发生巨变。全彩高清图文呈现，看得清细节，高评分获赞无数)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：彼得·福布斯,汤姆·格里姆塞

出版社：湖南科学技术出版社

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无穷小的巨人(激动人心的纳米科学让人类生活发生巨变。全彩高清图文呈现，看得清细节，高评分获赞无数)试读：

一套生物系统可以非常地小。很多细胞很微小，却很活跃。它们会制造各种各样的物质，会四处移动，会来回摆动，还会做大量令人惊奇的事情，而这一切全都是在很小的尺度上发生的。此外，它们还会储存信息。考虑一下一种可能，这就是我们同样能制造一种非常小，但能按我们的意愿行事的东西，制造一种会在那个尺度上机动的物体！[1]——理查德·费曼，“底部有大量的空间”电磁波谱。我们的眼睛只能接受波长为380～740纳米的可见光谱。一些昆虫可以看见波长更短的紫外线波段，而一些爬行动物可以看见波长更长的红外线波段。由于大分子只有几纳米宽，所以光学放大永远不会使它们可见伟大的物理学家理查德·费曼在他1959年的演讲“底部有大量的空间”中介绍了纳米科学的潜力。他有一种将复杂的科学解释给最为广泛的受众听的杰出天赋

1992年，霍华德·卡特冲进了法老图坦卡蒙的陵墓，同时也进入了一个如梦如幻的洞穴，一座最为奢华的宝库。科学家有时也会意外地发现类似的新领域，但其中的宝藏并不是一眼就能看到的。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹发现电可以产生与光相似，但具有一种不同波长的波。时至今日，每本物理教科书都会展示完整的电磁波谱，而这其中只有极小一部分——可见光谱——是我们可以察觉到的，但这个新的领域已经给我们带来了无线电、电视、移动通信、计算机和互联网的奇迹。

1959年，伟大的物理学家理查德·费曼开启了另一扇通向未知的大门，不过这么说或许不太正确，因为费曼在这里并不是探索者，而是探索的预言者。同年12月29日，他在加利福尼亚理工学院做了一次题为“底部有大量的空间”的极具前瞻性的演讲。费曼有一种天赋，这就是他能以一种大胆而睿智的方式来阐明科学，他有力而贴近实际的论述，能让人觉得最复杂的物理现象似乎至少是可以理解的，即使并不容易。

费曼在这里的意思，是存在着一个蕴含着复杂的工程学的奇迹的物质尺度，而这个尺度就介于我们在概念上熟悉但又微小到不可见的一般化学分子和通过最强大的光学显微镜可以看见的活细胞之间。此外，费曼相信“既然大自然可以做到，那工程师同样可以在那个尺度上通过操作来创造奇迹”。

要理解费曼所说的那个领域的尺度，那就想一想原子本身。剧作[2]家汤姆·斯托帕德赋予了最简单的原子——氢——一个生动的形象：如果你在圣保罗大教堂穹顶的中心握紧一个拳头，那这个拳头便是原子核，穹顶则相当于这个原子的外部边界，而这个原子含有的单个电子就是一只在穹顶内振翅而飞的飞蛾。中等大小的有机分子——例如葡萄糖（比氢原子大得多）——和一个普通的活细胞之间存在着一个很大的间隙，而这个间隙在尺度上只比原子核和电子层之间的间隙稍小一点，但因为这个间隙位于原子之中，所以它并不是空的。那里存在着超螺旋绳，复杂的小型机器，甚至是迷你电动机，而细胞内部的这些机件就像是一座管道错综复杂的巨型石化工厂，只不过是一种微缩版本。这就是费曼力劝工程师进入并展开工作的新领域——纳米领域。纳米领域的巨大跨度。如果人眼可见的最纤细的东西是一缕蜘蛛丝，那T4噬菌体——一种迷你登月舱——精致的结构是这的两百万分之一。

费曼是从生命体中得到启示的，因为生命体具有已知会产生作用的纳米系统，但纳米技术得以实现的首个领域是以集成电路片为形式的计算机。费曼曾预言：

为什么我们不能把它们（晶体管）制造得很小，用小金属丝、小元件来制造它们——逐步把它们制造得更小。比如说，金属线的直[3]径应该是10个或100个原子，而电路的直径应该为几千埃。

当然，这个预言是极为成功的，而且微型化的进程仍在持续，但纳米科学所做的，远不止是赋予我们以智能化的小装置，它正在将我们带向生命的起点——具有精准纳米结构的化学物质呈现出生命特性的那一刻。一切物质都源于三维运算，无论是结晶结构，例如沸石、蛋白石、准晶体，还是碳化学物质如过山车般的链和环，例如DNA、肌肉蛋白、携氧血红蛋白，抑或是像尼龙、聚乙烯和凯夫拉®这样的复合材料，以及诸如碳纳米管和石墨烯之类的新型纳米结构，全都具有几何结构。

纳米尺度是一个介于我们可以用一台光学显微镜看见的错综复杂的图形——比如说，一只跳蚤身上微小的关节——和构成这只跳蚤细胞机件的小到几乎无法想象的原子之间的领域。纳米技术分为两类：将细微结构压印在硅片上的“自上而下”式和从原子着手来构建结构的“自下而上”式。原子是一组组对立的矛盾体，因为它们既是一块块的物质，可又是一团团的能量。爱因斯坦在外推热力学第一定律时2宣称，能量等于质量和光速的平方的乘积，即E=mc，一个简洁得会永远让人觉得大胆而优美的观察结果。碳纳米管。这些纳米结构是由碳原子的六边形阵列——从整体上组成了一种具有六边形网孔的铁丝网——所构成的。不同的卷曲方式——取决于转轴角度——可以让碳纳米管具备不同的特性

这些数量巨大的能量汇聚在了一个会把一团狂乱的电子聚集起来，并竭尽全力地使这些电子保持在稳定的原子核中。日常世界中所有的物质转化都需要电子的交换。电子可以从原子中被剥离，然后去创造电流，去与其他的原子键合，去创造火、呼吸以及生命体和非生命体的所有化学过程。被装入一颗原子弹里少量原子的原子核中的能量，比一块有原子弹那么大的燃料块——例如达纳炸药——释放出来的化学能要大几百万倍，但纳米科学关心的是电子的交换，而原子能是原子核的能量，化学能才是电子的能量。

原子的直径介于0.1纳米和0.5纳米之间（1纳米是10亿分之1米）。当带正电的原子核中的质子数量增多时，带负电的电子数量也会增多。尽管较大的原子会给予电子以更大的活动范围，但它们更强大的原子核会产生更大的引力来约束电子，所以原子不会变得太大，只会具有更高的密度。此外，连量子物理学家都感到困惑的是——如果他们是诚实的——电子会在突然间令人难以置信地遍布各处，所以每个原子中的电子都在不停推挤、牵引和旋转，而且在键合的原子间，电子还会不断地交换，然而在能量是如此混乱的情况下，每个原子同其他原子的键合方式永远都是精确且恒定的，而化学物质的迷人之处，恰恰是它们的组织：原子来到一起形成某样东西，正像是通向形成另一样东西的一个阶段，而那样东西又将通向另一个阶段，直至生命相互关联的复杂性汇聚在了一起。尼龙是一种具有链间氢键的长链分子，其基于一种为天然蛋白质所共有的结构——酰胺键DNA的螺旋结构。将两条螺旋链连接在一起的梯级，是由互补碱基之间的氢键所形成的

以无处不在，但奇特的水分子（HO）为例：尽管水分子可以弯2曲，但水分子中两个氢原子和氧原子的键角恰好是104.5°，而且它们离氧原子的距离永远都是0.957埃，全宇宙无一例外。这种特别的弯曲结构不仅让水变得独一无二，而且让水在生命中扮演了一个特殊的角色。绝大多数液体在降温和凝固的时候，它们的密度都会升高，水亦如此，但当温度一降到4℃时，水的键角便会进入结晶过程。伴着“咔哒咔哒的声响”，水会扩张为带有网状小孔的冰晶格。玻璃上的冰花之所以会创造出不同的图形，全因水分子单位的三维几何结构。

虽然宇宙中所有的水分子都是别无二致的，但冰晶却会呈现出千变万化的形状。这证明了一个重要的事实——纳米结构远比构成它们的简单分子要多变和复杂。托马斯·曼在《魔山》中是这样描绘漫天飘落并覆盖在大地上的雪花的：

在这些数之不尽的迷人的小星星中，没有哪一颗是相似于另一颗的。一种无穷无尽的创造力，支配了同一套基本系统的形成和令人难[4]以置信的千差万别，而这套系统就是等边和等角的六边形。影像下的一个个原子。这幅原子力显微图像展示了一个构成了融合苯环的分子中的碳碳键，其首次揭示了我们在理论上早已知晓的分子中不同的键长。一台原子力显微镜之所以能看到原子，是因为它会用一个超细硅或高密度碳尖端来探测样本表面的电荷差。当这个尖端扫过一个样本时，它每秒钟会来来回回地扫描2000多次，以获得清晰的分辨率（照片由IBM苏黎世实验室提供）

水分子这种特别的扩张表现是独一无二的，而且在塑造我们的世界中扮演了一个重要角色。这不但给予了水分开岩石的力量，而且也解释了为何密度比水低的冰会结在池塘顶部，保护下方的水生生物。要是水分子没有这些特性，那生命就不可能在海洋中完成进化。[5]

在我们这颗处于宜居带的行星上，我们拥有大量处于三种分子状态下的水。地球的表面被笼罩在了海洋和天空蒸汽状的水中，而这些水像一颗跳动的心脏一样起起伏伏。固态水会给人留下非常深刻的印象，但作为一种液体，水是卓越的。水灵活且自信，对有些人来说，水是讨人喜欢的，而对另一些人来说，水是斗志昂扬，同时具备着不竭的创造力的。

在同空气紧密的友情中——在同空气接合处的一种结构性的弯液面上——水的表面会塑造出液滴的形态，而且能浮起“沉重”的昆虫。这种表面张力就是水分子的引力，因为液滴表面的水分子之间只有这种二维键合选择。在其他情况下，水扮演的角色往往是“最爱交际的聚会迷”，它们能轻轻松松地同形形色色的元素建立起简单的关系。不同于有机溶液，例如丙酮，水分子是带电的，因为氧和氢分别带有微量的负和正电，而这就解释了为何水既是一种优质的“万能”溶液，又是——对诸如血液、乳液、植物汁液和细胞质之类的复杂生命胶质来说——一种很好的介质。呈无数种六边形的冰晶证明了即使是氢和氧这般简单的组分，同样可以创造出具有惊人的多样性和复杂性的纳米结构

几乎所有已知具有生命的东西，都是由极大比例的水所构成的（70%～80%）。水是复杂而又充满活力的生命进程发生的介质。生命进程的这种液态基础解释了为何早期的纳米思考者——例如设计出了稀奇古怪的机械纳米机器的埃里克·德雷克斯勒——的想法大多是不切实际的。德雷克斯勒是仅次于理查德·费曼的最著名的纳米技术的早期预言者。他提出了一个像是用纳米乐高积木——比如说由一个个原子组装起来的冰冷的分子齿轮和发动机——堆积起来的世界，但他没有考虑到纳米领域黏性的流动性。荷花效应——水滴会立在荷叶（学名为Nelumbo nucifera）表面。由于无法附着在荷叶高度结构化的表面，水滴不仅会自行附着，而且会聚集其他的微粒，因此荷叶是自洁的荷叶具有纳米结构的拒水表面，会与水滴的表面保持最低限度的接触池水的弯液面足以让划蝽（学名为Notonecta glauca）在其表面滑行。划蝽后足上的缘毛会抓住水面，所以它们并不是在水里游动，而是在水面行走

我们的价值体系是错误的。我们很珍视诸如黄金和金刚石之类的惰性物质，因为它们具有恒久的光泽。这些物质之所以可以一直光亮如新，是因为它们沉闷无趣的几何结构是超然离群的。它们不想加入化学物质间活泼有趣的相互作用，不想因此失去光泽，但在水分子把生命的要素协调地结合在一起的进程中，当水分子聚集在一起，以及同很多不同的伙伴相分离时，当水分子转动、折叠、计算，并重新配置成复杂的结构时，它们展现出来的随性而灵活的优雅性和令人惊叹的本领，却被我们认为是理所当然的。诗人菲利普·拉金认识到了水的卓越性：

如若我得到邀请

创立一种宗教请

我应该会使用水在对纳米技术的一种早期设想中，单独的原子可以在纳米尺度上创造出齿轮和其他装置

在所有已知的生命中，水和碳是形影不离的。如果我们轻视金刚石在结构上表现出来的坚韧性，那原因只会是碳的其他的几何表现形式给人留下更加深刻的印象。毒品的分子结构（从上至下）：右旋安非他命（D-amphetamine）、可卡因、咖啡因、亚甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA）。这些分子独特的结构能让它们同神经系统中特定的受体细胞发生键合，继而增强这些受体细胞的功能

为了获得稳定性，碳需要在多达四个方向上同其他原子（一般包括其他的碳原子）相键合。碳同少量的伙伴（主要是氢、氧、氮、磷和硫）在一瞬间形成的排列组合几乎是无限的，而且这些排列组合的特征还是截然不同的。以阿司匹林、咖啡因、亚甲二氧基甲基苯丙胺、可卡因、安非他命和尼古丁为例，虽然这些大小相似、成分相近的碳基小分子并没有生命，但它们可以同我们的生理功能产生相互作用，而且能对我们的健康造成严重的危害。

碳化合物是如此的广泛，而且对我们来说又是如此的重要，以至于它们具有自身专有的分类，以及一个会被贴在所有化学院系入口处的标签——“有机化学”。已知的化合物大概有6750万种，而碳化合物在其中所占的比例高达85%。如果说水是爱好交际的，那碳便是和三教九流的人都能打成一片的。

近些年来，我们已成功地用碳制造出了聚乙烯、乙烯基聚合物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯和其他的合成聚合物，而这些合成聚合物又各自具有不同的特性。

今天地球上的生命始于一个由植物、水藻和一些微小的细菌所进行的合成碳化合物的过程（光合作用）。这不仅为现在的生命提供了结构框架，而且对形成了供石化工业使用的天然气和油藏的1.8亿年前的生命残留物来说，亦是如此。

我们必须坦诚地面对一个事实，就是像人类这样的动物是无法制造出生命要素的。通过摄入和消化，我们只是重新配置了植物（或者已经替我们重新配置了植物的其他动物），所以我们才能繁衍生息。

这个过程虽然很复杂，但其要素很简单。除了极小比例的微量元素，植物的光合作用只需从根部吸收的水和从空气中提取的二氧化碳。气体会通过气孔——受水压控制的细孔——进出叶面，而水独特的凝聚性使其成了一名毛细现象——液体经由细管攀升，甚至能攀至一棵巨型红杉树顶部的技能——“专家”，所以水的物理特性在每个层面上都是不可或缺的。

简而言之，太阳的能量会被叶绿素集中用于把液态水裂解为气态氧和气态氢。氧会被植物呼出，而活性氢会和二氧化碳产生化合，继而制造出实际上储存着太阳能量的糖。光合细胞中的糖工厂每秒钟会制造出几百万个葡萄糖分子，所以只需几天的时间，一片叶子就能充盈着葡萄糖分子。当我们燃烧石化燃料时，我们实际上是在逆转光合作用，把几百万年前被锁进有机化合物中的太阳能量给释放出来。纳米技术的一个分支目前正在尝试揭开光合作用的奥秘，以让我们能像植物那样直接用阳光、水和二氧化碳创造出高能碳化合物（见第6章）。

碳这种具有四次键合机会的灵活的小分子，是如此之多的生命所不可或缺的，正如迈克尔·法拉第在1861年所写道的：

当我告诉你碳这种异乎寻常的自由性会产生怎样的结果时，你肯定会大为惊奇。一根蜡烛会燃烧4～7小时……那每天得有多少碳以碳[6]酸的形式升入天空啊！……那这种气体接下来会跑到哪里去呢？我[7]们会惊叹地发现，这种由呼吸作用所引起的变化……正是生长在地表上的植物的生命支撑。植物的纤维素能以各种各样的方式形成形形色色的功能表面碳循环。大气中的一部分二氧化碳会溶于海洋，并被固定在海生有机体的甲壳中，还有一部分会通过光合作用成为有机物，而动物的呼吸、火山活动和石化燃料的燃烧会把二氧化碳再次释放到大气中，但石化燃料的过度使用正在严重地破坏这些活动间微妙的平衡

当然，法拉第对被释放到大气中的二氧化碳总量这种天真的惊奇感，在今天肯定有所消退了，但碳循环这个过程仍是一个奇迹。跟随着法拉第的足迹，伟大的作家和化学家普里莫·列维在“碳”——[8]《元素周期表》中的一章——中记述了一个碳原子的故事。这个碳原子在几亿年的时间里穿过了岩石、天空、植物、酒精、人类、天空、树木、昆虫，直至列维在故事的结尾处告诉我们它引导“我的这只手在纸上压下这个句点，就是这个句点”。一个碳原子就这样在我们的眼前成了一个句点的一部分。每每读到这个别出心裁的形象时，总会[9]让人觉得列维手中的那支铅笔又焕发出了生机。

生命源于碳和水的化学特性的相互作用。为了洞悉生命是如何起始的，我们可以从厨房洗涤池中待洗的餐盘入手。洗涤剂（亦被称为表面活性剂）的作用是把油脂从盘子上分离下来，并使之可溶于水。这得益于具有一个喜欢水的头（亲水头）和一个讨厌水的尾巴（疏水尾）的烃链，而这些会和水紧密地缔合在一起的头会连接起来形成一层新的液态薄层。一个易碎的分光肥皂泡的表面，会创造出一系列的光谱特性曲线。被限制在这层双分子层中的水会快速旋流，并增加这层双分子层的厚度，以匹配五彩缤纷的色彩的波长泡沫状网络会占据具有最小表面张力的晶格。在一些天然纳米结构中，这样的“肥皂泡”阵列构成了矿物生长的模板一块沸石（一种多微孔铝硅酸盐矿物）上的微孔是由其原子结构所造成的。用石化产品生产的人工沸石具有不同规格的孔径，而孔径决定了哪些分子能从孔洞中通过

如果一种洗涤溶液被搅动或被吹入空气，那这层液态薄层便会包围住空气，形成气泡。

一个气泡表面快速旋流的色彩是具有结构性的。光波会在这个气泡的内外表面发生反射，并被分离为它们的光谱分量。这表明这一水层的厚度会在200纳米和700纳米间波动，对可见光造成相长干涉和相消干涉（见第5章）。

使一个活细胞表面轮廓分明的膜，是一种含有脂肪的泡状物。和洗涤剂相似的是，构成这种泡状物的分子的两端，分别喜欢脂肪和水。因为细胞内外都含水，所以含有脂肪的分子（脂质）会形成磷脂双分子层，其中含有脂肪的部分会彼此相对，而喜欢水的末端则会分别指向细胞的内部和外部。磷脂双分子层上布满了其他的分子，有些控制分子交通——分子进出细胞——的出入口，有些会把相邻的细胞或细胞内含物连接起来，而其余的则会监控细胞的外部事件，以对细胞内部进行微调。

活细胞需要这层膜来阻止它们的内含物溢出，聚集电解质，增加浓度梯度，以组织和运送物质。为生命充电的电流并不是流经电线的，而是由遍布于细胞膜上的正负离子来快速运送的。细胞膜，或者说质膜，是一层具有半渗透性的磷脂双分子层，为所有的植物和动物细胞所共有，因为生命需要细胞膜来维持必不可少的电化学浓度梯度。磷脂双分子层就像是在化学引力和斥力的共同作用下形成的倒置气泡，但亲水头这回亲近的是双分子层外含水的细胞质，而喜欢脂质的尾巴则会连接起来，构成多功能细胞壁基质巴克敏斯特·富勒设计的蒙特利尔生物圈，起初是为第67届世博会建造的美国展馆。富勒的这种大尺度轻型结构，使用了和海洋放射虫特有的微小骨架相同的物理原理。1976年，在结构翻新期间，一场火灾烧毁了这座建筑透明的丙烯酸纤维圆罩，但钢桁架结构却完好无损。这证明了这种结构的完整性。这座建筑现在已被翻新成了一座环境博物馆

大自然有时会把充溢着泡状物的结构当作支架来使用，以围绕柔软的模板来制造坚硬的结构。你可以在一只碗里弄出一大堆的洗涤剂气泡来，然后仔细瞧瞧这些气泡的交点。你会发现每个交点都是由3个球面相交而成的。事实上，以这些交点为圆心，每3个相交球面各自所占的角度始终是120度，而这个角度便解释了很多的天然结构（这也是巴克敏斯特·富勒设计的建筑穹顶或伊甸园项目的几何结构的基本原理）。特定的泡沫状结构会浸泡在矿物饱和溶液里，而矿物则会沉积在泡状物的相交角里，继而形成和泡状物相同的几何结构。

这就是放射虫这种微小的浮游生物的形成原理。它们的外骨骼结构是由可以像呈辐射状的刺状雪花一样生长的二氧化硅结晶而成的，而这些图形是在泡状物的缝隙间产生的。在凝固的过程中，矿物会形成精致的窗花格结构，而这些结构也将具有和泡状物相同的几何图形。当然，放射虫必须要进食，而它们的猎物就包括了和它们对等的植物——硅藻，一种会进行光合作用的浮游植物。硅藻同样会把由矿物所构成的泡状物作为它们外骨骼的生长模板，而这就为放射虫提供了一种生长所需的矿物来源。另一种制造生命坚硬的矿物结构——例如骨头、牙齿和甲壳——的方式，发生在矿物被蛋白质的分子结构给格式化的过程中。具有特定形态的蛋白质会把矿物培养成最为复杂，但也最为高效的形态。一个位于以色列雷霍沃特克洛尔科学花园的生物群落区。这种结构原理适用于设计大尺度轻型工程结构和大自然中极其微小的矿物晶格。六边形是这种结构的关键，但在人类工程学中，六边形有时会被进一步分解成三角形海洋浮游植物会呈现出大小各异的纷繁形态，而这些形态是由贮藏在泡沫状模板缝隙里的二氧化硅或碳酸钙所形成的球石粒是大自然中最为典雅的自组结构之一。每一块带有一根根轮辐的精巧的片状物，都是由碳酸钙所形成的。这些片状物会自行聚集起来形成笼形结构

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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