自从1959年理查德·费曼（Richard P. Feynman）教授提出纳米的概念后，到20世纪八九十年代，这门技术的实验室研究已经大规模展开并逐渐进入产业应用。纳米技术目前聚焦于新材料制造阶段，石墨烯等纳米材料正在电池、海水淡化等诸多领域大展身手，这种原子或分子尺度的“极小”的技术可以带来的变革却会大到超出你的想象。
“我们正处于材料重大变革的边缘，而‘材料革命’又将推动消费电子产品、生物技术、物联网以及空间探索等多个领域的革命。”皮埃罗如是说。
未来的技术是看不见的
有位记者问我未来技术的大趋势，我告诉他说未来的技术会是看不见的。很多个世纪以来，我们总是以为“了不起”的技术意味着“大”技术，就好像第一位计算机科学家对他们发明出来的庞然大物颇为自豪一样。摩尔定律已经改变了我们对这一观念的认知，如今的科技进步更多意味着“更小”而非“更大”，比如现在的智能手机比早期的电脑小了几千倍，也快了几千倍。
既然科技的趋势是越来越小，我们需要的就是轻便、便宜、能嵌入到任何东西中去，又不会消耗很多能量的“小东西”。很多人会想到“纳米机器人”，这种肉眼看不到的小机器人能通过云彼此沟通，能直接通过人脑和机器的接口跟人类沟通。未来，纳米设备将会占据人类的身体，同时，人类将通过这些设备创造大量应用、产生海量数据来占据网络空间。
技术在过去很长一段时间里曾是“透明”的，我的意思是说，普通人可以轻松地理解技术做了什么以及它是如何做到的。比如锤子如何将钉子钉进木头里，弓箭如何射中猎物等，再后来，技术倾向于越来越不透明，虽然汽车爱好者仍然能打开汽车引擎盖，清楚地解释它到底是怎么运行的，但对大多数普通人来说，说清楚电视、电脑和手机这些最常见的技术原理却不是件容易的事，尤其是电脑，估计很多人只知道插上电源，按下启动键和使用鼠标和键盘。
纳米技术会将技术进一步推入隐形状态，让它离普通人越来越远。比如，一些我们看不见的纳米机器人通过我们看不见的“云”互相沟通和运作。周围事物的运转会像魔法一样，过程完全看不见，效果却清晰可见到让人吃惊（希望是积极的！）。今天的孩子们至少玩的还是电动玩具，明天的孩子们可能玩一些他们看不见、摸不着也弄不坏的新玩具。
第一位提出“纳米技术”术语的科学家是1974年东京大学的谷口纪男（Norio Taniguchi），然而，这个概念真正广为人知却是由于1987年埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）的著作《创造的引擎——纳米技术的崛起（英文书名为Engines of Creation：The Coming Era of Nanotechnology，中文版暂无）。同年，埃里克和克里斯蒂娜·彼得森（Christine Peterson）还在门罗公园创建了“前瞻学会”（Foresight Institute）。“纳米”通常指的是在原子或分子尺度上进行研究的科技，研究范围在100纳米甚至更小（一纳米等于一米的十亿分之一），相比之下，一只蚂蚁有600万纳米长，一个细菌有2 000纳米，一个DNA有2纳米。
随着1981年扫描隧道电子显微镜（STM）（一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息）和1986年原子力显微镜（AFM）的发明，一个可见的原子、分子世界呈现在我们面前，科学家们由此可以对单独的原子进行操作，这一领域的许多进步成为可能。
纳米技术最初的灵感来自已故美国物理学家理查德·费曼。1959年底，理查德做了题为《底部还有很大空间》的演讲，首先提出了一个原子一个原子地制造物质的新想法，费曼认为这在物理学规律上是可行的。他还想象能有“按照我们的需求组装原子”的机器。如今看来，费曼的演讲称得上是分子制造的“宣言”。
从那以后，我们一直希望能用一次一个原子，将其放到特定位置上的方式来精确组装想要的物质。但这几乎是不可能的任务。所幸的是，一些特定情况下，分子可以自动组装，它们会自然而然地组合到正确的位置上去，然后我们就能得到一种新的物质。目前的希望是，大规模的“分子制造”（研究制造分子级极小电路和机械设备）将是可行的。
2013年，IBM执导了世界上最小的电影《一个男孩和他的原子》（影片讲述了一枚原子蹦蹦跳跳出来，遇见了一个由原子组成的男孩，他们一见如故，仿佛是相识很久的朋友的故事），让原子尺度的画面首次展现在人类视野中，这部动画电影中移动的点其实都是单个原子，影片生动地展现了纳米技术精确掌控和使用原子的魅力。
2016年，荷兰代尔夫特大学工程师桑德·奥特（Sander Otte）的团队实现了纳米级编码，用单一氯原子的位置编码了一个千字节，编码内容正是费曼《底部还有很大空间》的演讲的其中两段，桑德·奥特认为，理论上说，这样的储存密度足以让人类所有的书籍写在一个邮票大小的空间里。
那么，为什么纳米技术没有虚拟现实和人工智能那样流行
一定要找答案的话，我会说是因为好莱坞电影。不管你信不信，虚拟现实的首次热潮发生在电影《电子世界争霸战》（Tron，迪士尼1982年出品的超现实主义科幻影片，也是第一部采用三维CG动画技术与真人实拍相结合的方式完成特效的电影）之后，而第二次热潮则紧接在电影《黑客帝国》（1999）之后。
在人工智能领域，早在20世纪50年代初期就有几部关于机器人的好莱坞大片了，而人工智能这个概念是在1956年诞生的。人工智能的第二次热潮发生在80年代，紧随电影《星球大战》 《银翼杀手》和《终结者》之后……所以，因为至今还没有关于纳米技术的好莱坞大片，纳米技术就很难像二者那么流行。
“纳米泡沫”始末
纳米技术曾经在硅谷很热。十年前，硅谷的风投们竞相追逐纳米技术的创业者，那个时候，似乎只要创业公司的名字上有“纳米”两个字就会迅速走红。后来证实，十年前这股纳米热潮其实是一个“纳米泡沫”。但那个时候，世界范围内都有不同程度的“纳米热”，我们也不能责备硅谷的“掘金”心态。2006年，有研究者估计全世界大概有1 200个纳米创业者，而一半都集中在美国。
2000~2005年，风投们在纳米技术上的投资超过十亿美元。事后看来，这确实很不可思议，2000年时发生了“网络泡沫”，2002年时又有了一场生物技术的泡沫，短短三年内，我们竟然又造出了一个泡沫。风险资本投资公司Harris & Harris当时只投纳米技术的创业者，美国中央情报局（CIA）控制的投资公司In-Q-Tel当时也认为纳米技术是美国的一个关键战略技术。2000年，时任美国总统比尔·克林顿将美国政府对纳米技术的投资加倍。2003年，时任总统乔治·沃克·布什进一步加大了对纳米技术的投资金额。
除大量资金外，鲍·瓦尔加（Bo Varga）2001年在硅谷创建的nanoSIG公司专注于组织纳米产业内的专题研讨会和论坛，可见当时关于纳米的讨论非常火热。由于“纳米技术股”在股市上的亮眼表现，2006年，Invesco公司创建了专门的交易所交易基金ETF（Exchange-Traded Fund），被称为纳米技术投资基金（Lux Nanotech ETF），帮助投资者对30个不同的纳米公司进行投资。2005年2月《商业周刊》更是用大篇幅报道纳米技术。
勒克斯研究（Lux Research）是专注于包括纳米技术在内的新兴科技的投研一体组织，2004年其关于纳米技术的年度报告称：“纳米技术今年会有1 580亿美元的产品收入，接下来10年，营收数字会增长18倍，也就是说，2014年，纳米技术的产品将有2.9万亿美元的营收，其中，89%会来自新兴的纳米技术。”国际知名的威利（Wiley）出版社在2006年出版了史蒂芬·爱德华兹（Steven Edwords）的新书《纳米技术的先驱——他们会将美国带往何处》（英文书名为The Nanotech Pioneers：Where Are They Taking us，中文版暂无）。
雷·库兹韦尔也在《奇点临近》（The Singularity is Near：When Human Transc-end Biology，机械工业出版社，2012年12月出版）的畅销书中预测，“纳米技术会在2020年全面到来”，并在书中有类似“用纳米计算机和纳米机器人升级细胞核”这样的描述。
纳米泡沫首个不好的预兆应该是NanoSys公司的上市失败，他们于2004年取消了上市计划。此时，一些业内专家才开始注意到纳米技术的大部分投资其实并不是来自风投资本，资金要么来自政府（尤其是美国和中国），要么来自像IBM这样的大公司。
业内对于纳米技术的心态开始悄然转变，尤其当诸多纳米技术股的表现开始走下坡路之后。Lux Research于2007年取消了对纳米技术的年度报告。2009年1月，麻省理工学院的年度科技评论取消了“年度纳米技术”。不过，至少雷·库兹韦尔的态度还是始终如一的，在《计算机世界》2009年发布的一篇《未来学家声称，纳米技术能让人类在2040年获得永生》的文章里，库兹韦尔坚称纳米机器人很快就能“清除癌细胞，备份记忆并延缓衰老”。
纳米缓慢“撬动世界”
纳米技术到底有何应用潜力
总的来说，目前大家对纳米技术的普遍狂热已经退去。这个领域的主要问题是，纳米技术不是一个单独的产业，它是一种可以让诸多产业受益的技术。纳米技术领域本身没有诸如苹果或谷歌这样的巨头，但纳米技术能给电池、半导体等关键产业带来重大影响。以半导体产业来说，2007年其进入到了65纳米级的生产制造工艺，这就是纳米技术，但很少人会称其为“纳米技术”。再比如，大部分生物科技也是“纳米技术”，因为它们在分子水平操作，但大家也只称其为生物技术。
对投资者来说，最根本的问题是，纳米技术的应用需要很长时间才能产生收入，其投入市场的时间比很多其他产品诸如软件要长得多。多数风险资金喜欢五年的投资期，这在2000年是不现实的。然而，十多年后的现在，新的纳米制造技术可能会让它变成现实。
现在，硅谷的纳米技术创业者确实很少，相比虚拟现实和机器人等“遍地开花”的创业者，它们显得略为寂寞。但是，全世界的大学和相关研究机构都在继续加大对纳米技术的投资和研发，硅谷的几所大学同样如此，IBM等不少大公司也在投资，尽管很多不那么直接和明显。中国政府对纳米技术的投资也名列世界前茅。原因很简单，纳米技术的潜力实在太大了，对世界可能带来的影响和变革是颠覆性的，是绝对不能忽视的技术。
纳米技术的应用非常广泛。目前研究非常活跃且已取得重大进展的领域是：它能带来更坚固和更轻的材料；能带来更清洁的能源和可持续的（能自我降解）的物品；能带来新的电池，能让我们几秒钟就充好电，并且可以持续使用很长时间；能带来更有效治疗疾病和损伤的生物医药；能重塑计算机科学，带来更快、更强大的计算能力……当我谈论技术的未来时，我不会谈论那些“充满想象力”的未来，而是根据实实在在的已有研究成果，告诉大家一个“真实的”，一定会到来的未来。因此，对于提及的纳米技术应用和研究进展，我都可以告诉你相关的研究论文题目，以及何时、发表在哪里。
新材料改写电池历史
迄今为止，纳米技术最成功的案例或故事是什么？很多人提到纳米技术都会首先提到新材料，这些新材料到底有什么神奇之处？
目前我们能在实验室里不用花很多钱就能做出来的唯一新材料是激光材料，比如超市里条形码扫描器上使用的材料。除此之外，制作任何新材料是极为困难和昂贵的。
目前为止，纳米技术最成功的故事发生在英国。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）教授用一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，很快在科学界引起不小震动。石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层，是目前已知的最轻、最硬的材料（比钢硬200倍），是已知的室温下热量和电最好的导体（能以每秒一百万米的速度传输电力）。同时，碳是这个星球上除了氢、氦和氧之外的第四大最常见和最丰富的元素，这意味着石墨烯应该是可持续的绿色材料。
石墨烯很快影响到诸多领域，比如半导体、可弯曲电子产品以及太阳能电池等。以电池来说，2014年，姜教授（Kisuk Kang）的团队在韩国首尔国立大学设计了一个全石墨烯电池。埃琳娜·珀丽阿卡瓦（Elena Polyakova）2009年在纽约成立的石墨烯实验室（现为石墨烯3D实验室）正在制作石墨烯的3D打印电池。除此之外，中国合肥工业大学在基于石墨烯电极制作锂离子电池方面也有不少突破。
在1996年库匝卡拉·亚伯拉罕（Kuzhikalail Abraham）在EIC实验室制造出锂空气电池之前，这种新一代大容量电池一直只存在理论上的可能性。锂空气电池能储存的电能是目前最好电池的十倍以上，几乎跟汽油不相上下。汽油的储能是每公斤13千瓦，而这种电池是每公斤12千瓦。近20多年来，锂空气电池仍然一直很难建造出来，直到2015年剑桥大学克莱尔·格雷（Clare Grey）的团队使用了石墨烯构造出高度多孔、海绵状的碳电极。这意味着什么呢？我们可能很快就能看到使用锂空气电池的新能源汽车，它的续航能力将跟使用汽油的汽车不相上下。
也就是说，石墨烯可以被用来建造比目前的电池有更好表现的超级电容器。此外，充电的速度也会大大提高。所谓的“激光刻划石墨烯（LSG）超级电容器”是指轻便灵活又能快速充电的电池。到底多快呢？只需要几秒钟。
2008年，诺基亚研究中心和剑桥大学合作推出了一款应用纳米技术的概念机“诺基亚Morph”，它可以自由转变成各种形状，表面还能自动清洁，不过，它是通过太阳能自充电的，商业应用上还不可行。如今，LSG超级电容器将有望改变这一情况。石墨烯可以用来制造卷起来放在口袋里的手机，或者薄如墙纸的电视机，诺基亚Morph已经展示了其可能性。总之，可折叠、可弯曲的电子装置都将成为可能，接下来也许我们会重新发明报纸，只不过未来的“报纸”会是可以随意折叠放在包里、门缝里的电子阅读器。
石墨烯还可以用于制造更好的太阳能电池。2012年，斯坦福大学化学工程教授鲍哲南的团队用石墨烯和碳纳米管取代了传统电池电极的材料，研发出了第一个全碳太阳能电池，意味着可拉伸甚至更便宜的太阳能电池板成为可能。2015年，杰里米·芒迪（Jeremy Munday）带领的美国马里兰大学电气与计算机工程系的研究团队研发出了一种新型纳米级太阳能电池，其能源转换水平较当前的光伏太阳能电池技术提升了40%。
目前，劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家迈克尔·克罗米（Michael Crommie）和加州大学伯克利分校的一位物理学教授正在单个分子尺度上研究太阳能电池（即单个石墨烯纳米带）。
当然，燃料电池（将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置）也可以是清洁能源。燃料电池也有两个电极，看起来就像传统的电池，但它可以从一个简单的化学反应中产生电力：通过将其与空气中的氧相结合，转换成氢气到水中。这种反应会在两个电极之间产生一点点电量，为了增加电量，电极必须被涂覆催化剂。传统的催化剂是铂，但这是一种昂贵的材料。而斯坦福大学的戴宏杰的团队找出了替代材料：碳纳米管。相关的论文为《基于碳纳米管的石墨烯复合物的氧还原电催化剂》[1]。
石墨烯也比大多数材料更具有“生物相容性”，即它不会导致身体内部的损伤或感染。意大利里雅斯特大学的实验表明，石墨烯电极可以安全地在大脑中植入。[2]
助力海水淡化
2015年，加利福尼亚州遭受了严重的干旱。讽刺的是，这个以高科技闻名的地方经常遭遇水危机，即便它拥有1 350公里的海岸线。原因在于加州只有两个海水淡化厂，而淡化海水常用的反渗透法需要消耗大量能量，因此，海水淡化的问题其实变成了一个能源生产问题。
据世界卫生组织估计，目前有超过20亿人得不到生活所需的干净淡水，这也是导致每年200万人死亡的间接原因，而这些人却很多都生活在具有漫长海岸线的国家。1991年，日本物理学家饭岛澄男（Sumio Iijima）首次观察到碳纳米管，那时石墨烯还没有被发现，碳纳米管其实就相当于一层石墨烯卷成的管状物。而碳纳米管可以提供一个有效的方法来过滤海水，主要研究者是西澳大利亚大学的本·科里（Ben Corry），相关的论文为《为高效海水淡化而设计的碳纳米管薄膜》[3]。几年后，杰弗里·格罗斯曼（Jeffrey Grossman）和大卫·科恩-达努奇（David Cohen-Tanugi）在麻省理工学院的研究表明，使用石墨烯能让反渗透法淡化海水的效率成百倍的提高（参见论文《多孔石墨烯海水淡化》[4]）。之后，田纳西州橡树岭国家实验室的科学家们继续完善了这一方法。相关论文参见《使用纳米多孔单层石墨烯海水淡化》[5]。
变革电子装置
纳米材料有很多种，比如零维纳米颗粒、一维纳米线、三维立体纳米管等。但物理学家尤其对二维的纳米片比如石墨烯着迷，主要就是由于它们独特而强大的性能（柔韧性、导电性和光学透明性等），它们是制造电子和光学装置的潜力较大的材料。另外一种二维纳米片是MoS2，主要由斯坦福大学的托尼·海因茨（Tony Heinz）在研究。理论上讲，石墨烯也能够取代电脑芯片上的硅，因为电子在石墨烯中移动的速度比硅快多了。
石墨烯和碳纳米管的应用几乎是无止境的。2013年，由萨巴辛·密特拉（Subhasish Mitra）和黄宜弘（Philip Wong）领导的斯坦福大学的团队创建了第一个碳纳米管计算机。[6]不同于石墨烯始终是导体，碳纳米管可以是半导体。萨布哈西的团队使用碳纳米管代替了传统的硅材料，制作出了一种全新的晶体管。不过，这台电脑非常基础，只有178个晶体管，操作系统仅能完成简单的计数和分类功能。2015年，同一个团队对该技术做出了大幅改进。他们的主要竞争对手是来自纽约的IBM。2015年维尔弗里德·亨施（Wilfried Haensch）在IBM的研究小组对碳纳米管晶体管做了进一步的改善，此时继IBM发明世界上第一个碳纳米晶体管已过去了17年。
再如，基于石墨烯的泡沫材料是超轻型材料。2013年，中国浙江大学高超的团队制造出石墨烯气凝胶，它是有史以来最轻的材料（它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是吸油力极强的材料，可用于清洁海水里的漏油等）。另一个基于石墨烯的超轻泡沫材料由普利克尔·阿加延（Pulickel Ajayan）的团队于2014年在莱斯大学发明。
还有，屏幕技术的重大革命一直是LED，但LED仅能发射一种颜色的光，不能在多个颜色之间灵活变换。2015年，清华大学任天令领导的研究小组从石墨烯中制作出了新型发光材料，仅用一个LED就可发射出不同颜色的光，几乎覆盖整个可见光光谱的所有颜色。
“新材料革命”一触即发
除石墨烯外，目前还有哪些强大的纳米材料可以改变普通人的生活呢？答案是，这样的纳米材料还有很多。比如，总部位于英国的P2i公司从2009年就开始生产防水纳米涂层，2012年，类似的纳米涂层被加州的Liquipel和犹他州的HzO公司先后引进。这些超强涂料可以带来防水手机、防水电脑等大众喜爱的产品。
除了斥水，还可以斥油等范围更广的液体的纳米材料于2013年被密歇根大学阿尼什·图特加（Anish Tuteja）的团队研发了出来。[7]
此外，纳米技术正在尝试制造无须清洗的材料，即“自清洗”材料，永远能自己保持干净。灵感也是来自自然。莲花出自污泥，叶子却如此干净，这引起了植物学家们的注意，他们研究发现，莲花叶子的材料是自清洗的，莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会迅速形成水珠滚离叶面，同时将灰尘一起带走。德国植物学家威廉·巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）于1973年首先发现了莲叶自清洗背后的原理，但40多年过去了，我们还是无法找出能跟自然相媲美的方法。
“莲花效应”长期以来只能是实验室的课题。最接近这一效应的材料是二氧化钛（防晒乳液中常用），它的特性由日本科学家藤嶋昭（Akira Fujishima）于1967年公布，藤嶋昭把它用在自家的房子的外墙上，使其变成了自清洁外墙。这意味着，只要有光（准确地说，有紫外线）或降雨均匀散布在物体的表面，它们就会像抹布一样擦拭过去。
纳米技术可以将二氧化钛的纳米颗粒直接加入到物体的表层。如今许多新的建筑声称有“自我清洁窗户”，是因为窗户上有10纳米涂层的二氧化钛。这些“自洁窗”的效果往往随着时间变差，但每年都会有进步。例如，2015年，伦敦大学的姚璐与多个院校合作，推出了用二氧化钛纳米颗粒做成的更持久的“油漆”。[8]效果更好的自洁材料指日可待。下一代可能有很多人会不知道我们的衣物、车、窗等曾经还需要自己清洁。
还有，量子点是极小的半导体纳米粒子（比人的头发小1万倍），但功能很强大。比如，它们可以增强电视屏幕的颜色。三星公司已经放弃了原来的OLED显示屏，转而使用量子点显示屏，亚马逊的Kindle Fire HDX的屏幕也使用了量子点。
如今，世界上一半的能量被用于加热建筑物，由此带来了三分之一的温室气体。纳米技术能让我们用不同的方式思考。传统保持房间暖和的方法总是使用电力或煤气，往往需要消耗很多能量，我们为什么不把衣服做得足够暖和呢？斯坦福教授崔毅正在研究一种保暖的银纳米线，它甚至能自己加热。如果他能顺利找到将这种材料添加到织物中的方法，我们将有望买到“自加热毛衣”。利用同样的原理，科学家们可能也能发明“自冷却”衣服。
石墨烯也有竞争对手。2014年，茱莉亚·格里尔（Julia Greer）在加州理工学院发明了一种陶瓷，同样也具备极轻和极坚韧的特性。[9]2015年，加州大学洛杉矶分校李小春的研究小组制造了一种超强的金属，也特别轻。这些材料不仅能帮我们建造更轻的飞机，还能制造出更轻的宇宙飞船。[10]
石墨烯是一种自然的二维纳米片。威斯康星大学王旭东的团队如今正在研究不存在于自然界中的二维纳米片（其厚度只有几个原子）。[11]
在石墨烯被“发现”短短十年以后，据我所知，目前已经有超过500种二维材料。许多新材料甚至还没有名字。目前，格布兰德·西德（Gerbrand Ceder）在加州大学伯克利分校发起了为材料“建档”的项目，旨在编目所有材料和它们的特性，乃至每种材料的基因组。这样一来，研究人员就能根据项目需要迅速找到相应的材料。
新材料从实验室到市场应用的主要障碍是什么？还是老问题，即制造这些新材料非常困难和昂贵，科学家们仅在实验室制造非常微小的量以研究其特质，我们仍需找到一种简单、高效的方式来制造这些“神奇”的新材料。
但这方面也有突破。西北大学的化学家查德·米尔金（Chad Mirkin）是国际纳米技术研究所的主任，他在1996年开创了一种制造新材料的方法，详述这种方法的论文[12]让他闻名学界，他是如今世界上论文被引用次数最多的化学家之一。
米尔金用黄金与DNA（典型双螺旋结构）的结合创造新的材料。有趣的是，DNA被他用于“绑定”金的纳米粒子，他花了20年的时间来改进和完善这一技术。2015年，查德·米尔金在之前基础上创造了一种可以改变形状的新材料，他的技术允许同样的纳米粒子以超过500种不同的形式组装。也可以说，他发明了一种由可以“重新编程”的粒子组成的材料，即一种可以“变身”为不同材料的材料。[13]
总之，我们正处于材料重大变革的边缘，而“材料革命”又将推动消费电子产品、生物技术、物联网以及空间探索等多个领域的革命。
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