克里斯蒂娜：“纳米革命”后的美丽新世界
克里斯蒂娜·彼得森是纳米技术领域的知名研究者和领导者，是始于1986年的纳米研究和教育机构“先锋研究所”的主要创始人。彼得森本人还是一名作家和讲师，是《自由未来：纳米技术革命》的主要作者。彼得森多年对纳米技术的热爱里既有个人兴趣，即想让自己和其他人过上健康长寿的生活，也有人类共同的梦想和渴望：清理地球上的环境污染，还天空和大地本来的模样，让人和自然、动物快乐共处。在与彼得森简短的30分钟的对话里，她勾勒了一幅让人心潮澎湃的未来图景。
纳米技术的三阶段
纳米技术的发展有三个阶段，首先是新材料。早期应用纳米技术的产品常常出现在汽车等工业体系中，因为已经直接融入到了产品中，消费者几乎察觉不到，所以不会觉得有多么兴奋。现在我们已经听到更让人兴奋的碳纳米管、石墨烯等。如今我们还处于新材料阶段，很快我们就会进入到纳米设备阶段。下一个5~10年里，最让人期待的就是纳米抗癌设备，它们可以精准地定位癌细胞，帮助进行靶向治疗，这种设备已经存在了，只不过还没有被批准使用，因为医疗器械都需要经过严格的测试和政府的审批。
当足够多的纳米设备出现，我们就会进入系统阶段，也就是诸多纳米装备一起运作的阶段。比如，分子计算机、分子X光射线、分子实验室等，这些纳米级装备可以协调合作，构成一个强大的纳米系统。
从材料到设备，再到系统，纳米技术最终能给人类带来什么？对我来说，让人类长寿是纳米技术最让人兴奋的应用，但并不是人依然会变老、生病的那种长寿，而是那种长久且快乐的长寿。我们体内天生有一套修复机制（免疫系统）来保障整个系统的正常运行，但随着我们年龄的增长，体内的这套系统会逐渐衰弱。以长寿最大的“杀手”癌细胞来说，人体天生其实就有对癌细胞的自主防御功能，问题是，随着年龄的增长，这些功能会逐渐衰竭，这也是大多数的癌症患者都是老年人的原因。
因此，我们需要将纳米级的设备乃至系统植体内，首先来鉴定到底是什么问题，是某些DNA出了差错还是有了癌细胞，到底问题出在哪里。然后，我们可以模仿免疫系统的运作方法，研发出“改良版”的一套纳米人工免疫系统，让它不会随着时间的增长而衰弱或退化，能够一直强有力地应对身体出现的各种问题，这正是我和团队成员正在研究的。很多情况下，自然能给我们很多灵感。我们与其绞尽脑汁去创新，不如思考和借鉴大自然的智慧。比如线粒体（mitochondria，一种存在于大多数真核细胞中的由两层膜包被的细胞器，直径在0.5~10微米，为细胞的活动提供能量，有“细胞动力工厂”之称），它是活跃在我们身体内的天然纳米机器，是自然的杰作，我们可以人工创造出类似的系统来。
纳米技术未来
回顾纳米技术发展的30年历史，让我兴奋的是，纳米技术真的已经到来了。但让我失望的是，它的步伐还是太慢了。不过，纳米技术无疑是非常昂贵和困难的一个领域，它需要很多研究设备和仪器，需要贵得惊人的材料，还存在诸多安全规范的限制，因此，在纳米领域研究出一些成果相比其他领域需要花的时间也更长，挑战更大。作为一门基础科学，它的研究通常是由政府资助的，比如，美国相关能源部门就在为纳米新材料和新设备的研究提供资金，研发能源生产、发射和分离等。通常大部分研究都是从政府的资助开始，然后进入大学，有一些研究能得到大公司的资助，偶尔也有创业者发起的研究，但并不多见。
当然，纳米技术到达最先进的研究阶段，即第三个“系统”阶段后，我们就能得到这项技术带来的最大回报。届时，纳米技术将能让我们制作出非常轻，但强度又非常高的太空旅行工具，并可以大大降低到太空的费用，因此，人们将能够到太空旅行或者定居别的星球。纳米技术的长期未来是，人类将非常健康和长寿，而且不少会选择生活在太空中。
纳米技术另一大应用是清理污染。如今，地球上很多地方空气严重污染，土壤中的化学成分有毒，海洋中遍布垃圾和很多工业污染，这些都需要用纳米技术清理。这也是我们必须做的，我们需要使空气更纯净，海洋更清澈，土壤更健康肥沃，需要将所有的化学物品从不该出现的地方清理干净，还地球本来干净天然的模样。只有这样，所有地球上的动植物才能健康快乐地生存。
现在，城市中到处都是高楼大厦和汽车，它们把人与自然分隔开，让很多人无论白天和夜晚都处于灯光和喧嚣声中，处于看不见蓝天白云，也享受不到一刻宁静的状态中。最终，运用先进的纳米科技，我们将能把建筑和各种交通运输工具全部建在地下，但依然拥有新鲜的空气和良好的采光，科技将允许我们有能力这样做。而地表上则大多数恢复其原来自然的模样，到处就像原始森林一样充满生机，动物们会再次出现，人们可以随时随地置身流水和花园之中，与可爱的动物们和谐共处。
珍妮弗·迪翁：隐身术炼成记
珍妮弗·迪翁是科学家的年轻新秀，作为斯坦福大学材料科学与工程系助理教授，已经拥有以自己名字命名的纳米技术实验室，主要致力于超材料研究，应用范围包括高效太阳能能量转换到生物医学等多个领域。加入斯坦福大学之前，珍妮弗在伯克利国家实验室担任过化学博士后研究员，是美国国家科学基金会（NSF）事业奖、美国空军科研办公室（AFOSR）青年调查员奖等获得者。2011年，她被麻省理工《技术评论》称为35岁以下以变革方式解决重要问题的国际创新者。
珍妮弗热情又充满活力，采访当天，她穿着牛仔裤，推着自行车走进了斯坦福的办公室，她孩童时代的梦想就是制作出“隐形斗篷”，如今她正在实验室里用纳米技术朝这一目标前进。除了介绍自己的研究方向和进展，她还详细阐述了何为纳米技术，目前为止到底取得了哪些实际研究成果以及未来还有哪些潜在应用。
纳米技术的主要成果
一纳米就是一米的十亿分之一，人类的红细胞比纳米大一些，原子又要比纳米小一些。这个长度规模很重要的原因是，当从纳米层面看物质的材料和结构时，就会发现许多不同寻常的、有趣的物理和化学特性和变化。这是对纳米技术最广泛的一个解释。
纳米技术已经有超过十几年的历史，它可以应用在计算机、太阳能、电池技术、生物医学、水净化等多个领域，目前已经有一些研究成果，包括已经商业化以及还在测试期即将商业化的产品。
目前纳米技术最知名的一个应用是电池存储技术，将电池的电极用纳米材料改造成纳米结构后，可以增加能量储存密度，让电池持续时间更长。现在iPhone的电池充一次电可以用近20个小时，然而，追溯到1980年左右，即纳米结构的电极出现之前，电池充一次电连一个小时都无法维持。而且现在电池的充电速度也更快了。
纳米技术第二个“前途无量”的应用是量子点显示技术，也是已经商业化的技术，比如三星已经在很多显示屏上应用了这种技术，推出了量子点电视等。量子点是类似硅的一种半导体材料，当将该材料纳米化的时候，它们就可以根据电压输入的微妙变化而呈现出各种不同的颜色（采用量子点技术的屏幕在生产时更容易校准，拥有更准确的色彩表现，并且在色彩饱和度方面拥有明显的优势）。
还有很多金属纳米粒子正应用于生物医学领域，我最喜欢是一种新式癌症化疗方法，首先向患者体内注入纳米颗粒，然后拿一个红外线发光二极管来照射肿瘤，肿瘤上的金属纳米颗粒会大量吸收红外线，使肿瘤细胞的温度迅速升高并由此切除。和传统化疗相比，这种热烧蚀技术针对的是特定的肿瘤，是对癌细胞进行精准定位的治疗，该技术现在已被用来治疗乳腺癌、脑部和颈部的肿瘤等。总之，纳米技术现在有这三种主要的商业化的应用成果，电池和生物医学的技术已经申请专利了。
揭秘“隐身术”
斯坦福大学的研究团队在纳米技术领域非常活跃，我的实验室对纳米技术的研究涉及多个方向，大部分都是关于纳米粒子如何跟光互动，以呈现不同效果的研究。“隐身”只是我们研究的一种，但因为有趣而关注的人较多。具体来说，乌贼、章鱼以及变色龙等动物都可以根据环境的变化改变皮肤的颜色，我们正在研究如何制造出可以模仿这些动物皮肤特性的新材料。
眼睛能看到东西，是因为光线被物体折射到眼睛里了，还有一部分光线被物体吸收了，我们看到的红色、黄色、绿色等就是没有被吸收的光。要让物体隐形，就要确保物体跟眼睛之间没有任何光的反射和吸收，基本思想是让物体覆盖在一种“皮肤”之下，当光穿过来时，“皮肤”可以引导光绕过物体，然后再在另一边出现，好像它从未穿过这个物体，只是穿越了自由空间一样。这也意味着要让光线在物体周围连续不断地弯曲，这种折射角度是普通自然材料很难实现的。我们需要在实验室制造出具有特殊折光指数（index of refraction，也称折光率，是光在真空中的传播速度与在某介质中传播速度之比）的工程材料，空气的折光率是1，水的折光率是1.3，玻璃的折光率为1.5，隐身需要比空气的折光率还要低的材料，某些情况下甚至可能是负的。目前我们最高已经能做出折光率为“-1.5”的大面积材料以及折光率为“-4”的微型规模材料，也就是“超材料”（具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料）。
乌贼或章鱼的皮肤能迅速变得和环境一模一样，部分是因为它们能够改变光的反射和吸收，部分是因为荷尔蒙的变化，即化学物质的注入。虽然我们现在还没有做出来特性与乌贼皮肤一样的材料，但我们已经有了一种折光率为-1的聚合物，并且可以做到向它注入化学物质了，最后也能让它呈现的效果跟乌贼的皮肤一样。这个过程基本上就是用负折光率的材料让物体看起来像是透明的，再到看起来像空气一样，这种材料除了隐身还有更多非常有趣也有用的科学价值。
我们还在研究一种可以根据身体内部的机械力或电场强度（如神经元的脑电波）的变化而变换颜色的纳米粒子。你的心跳、呼吸、血压乃至细胞分裂和细胞癌变等都是机械力，在判断器官或细胞是否健康方面至关重要。每当纳米粒子经过身体内部机械力或者电场不同的地方时，它们就能发出红外线或者其他不可见的光。如果你在皮肤表面放置一个传感器，这些纳米粒子就可以用不同的颜色将身体内部机械力的变化情况告诉医生。
纳米领域的“下一件大事”
由碳制造出的新的纳米材料大多很有趣，比如碳纳米管、石墨烯等，虽然它们被媒体热捧，但它们的目前应用场景还并不明朗。很难说纳米技术接下来最重要、最有优势的应用会是什么，目前大多研究还是好奇心驱动的。
在目前所有的纳米技术研究中，我认为更重要的是两个领域。第一个是新型环境材料，主要是可以用于高效的水净化系统中，尤其是海水淡化中的材料。第二个是应用于个性化定制医疗的纳米材料或设备，很快会有像葡萄糖传感器这样的设备，或纳米材料与外部设备相互作用的方法（如之前提到的金属纳米粒子吸收红外线切除肿瘤，以及纳米粒子将身体内部机械力变化传到皮肤传感器等），时刻监测和保障人们的健康，很多基于纳米材料的外部设备也更容易得到FDA（食品药品监督管理局）的认证。
纳米技术在计算领域的应用潜力也是巨大的，现在有很多的研究人员正在研究可以代替电子电路的新科技。目前我们提高计算能力的方法都是增加芯片上晶体管的密度，这也是摩尔定律能维持下来的原因。但随着芯片上晶体管的增加，连接两个晶体管的金属线就会距离过近，通过两根金属线中的电子将互相影响，两根线的信息传输速度都会下降，也意味着即使可以在一个芯片上安装更多的晶体管，信息传输速度也不会再增加了。
我们团队现在感兴趣的是使用光学元件来代替传统的电子元件，IBM和英特尔就已经有了集成光学电路，即硅光子（Silicon Phototonics）技术。光学元件的优势是无论两个元件的距离多近，它们都不会互相影响，信息还是以光速被处理，比晶体管快很多。另外，光有不同的波长，传输的带宽将会大很多，这也是为什么整个互联网是用光纤来传输信息。问题是，光学晶体管切面有400纳米宽，相比10纳米的电子晶体管，要想将其缩小到跟电子芯片的尺寸保持一致非常困难，很多研究团队包括我们都正在试图造出和电子元件一样大小的光学元件。此外，我们还面临着许多挑战，如制造出纳米尺寸的光学二极管等。可以预见的是，这方面的成功将变革现有信息技术。
另外，纳米技术能否让超导在室温下实现也是不少研究者关注的，他们每年都研发出来越来越复杂的纳米材料，可以使实现超导传输的温度更高（超导目前只能在极度低温下实现），我觉得这绝非不可能。总之，我们将很快看到纳米技术在环境、医学、传感、计算、显示等多个领域的进展。