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纳米技术的工作原理

1 科学家们史无前例地汇聚在一起，致力于研究一个世界，这个世界太小了，我们甚至用光学显微镜都看不见。它是什么？对，那个世界是纳米技术的领域，原子和纳米结构的领域。什么是纳米技术？纳米技术是如何工作的？我们人类可以从纳米技术中获得什么好处？在今天的演讲中，我将回答三个问题。

2 好，现在让我们从纳米技术的定义开始。纳米技术是如此的新，没有人真正确定它会带来什么。即便如此，预测的范围也很广，从能够复制钻石和食物等东西到世界被自我复制的纳米机器人吞噬。为了了解纳米技术的不寻常世界，我们需要了解所涉及的测量单位。你知道，一厘米是百分之一米，一毫米是千分之一米，一微米是百万分之一米，但所有这些与纳米2相比仍然是巨大的。一纳米，或者我们称之为纳米，是十亿分之一米。这是什么意思？让我给你一个比较。你的一根头发有多宽？一纳米甚至比人类头发宽度的十万分之一还要小。

3 小到一纳米，与原子尺度相比仍然很大。一个原子的直径约为0。1牛米。一个原子的原子核要小得多，大约为0。0.01纳米。原子是我们宇宙中所有物质的基石。你和你周围的一切都是由原子构成的。大自然完善了分子制造物质的科学。例如，我们的身体是由数百万个活细胞以特定的方式组装而成的。细胞是自然界的纳米机器。在原子尺度上，元素处于最基本的水平。在纳米尺度上，我们可以把这些原子组合在一起，制造几乎任何东西。

4 在一次名为“小奇迹：纳米科学的世界”的演讲中，诺贝尔奖获得者Dr。霍斯特·斯托默说，纳米尺度比原子尺度更有趣，因为纳米尺度是我们组装东西的第一个点——直到我们开始把原子组装在一起，我们才能制造出有用的东西。专家们有时不同意纳米尺度的构成，但一般来说，你可以考虑纳米技术处理任何测量范围在1到10纳米之间的东西。

5 纳米技术正迅速成为一个跨学科的领域。生物学家、化学家、物理学家和工程师都参与了纳米尺度物质的研究。博士。斯托默希望不同的学科发展出一种共同的语言并相互交流。他说，只有这样，我们才能有效地教授纳米科学，因为没有扎实的科学背景，你就无法理解纳米技术的世界

6 好，现在我要回答第二个问题：纳米技术是如何工作的？纳米尺度的一个令人兴奋和富有挑战性的方面是量子力学在其中扮演的角色。量子力学的规则与经典物理学大不相同，这意味着物质在纳米尺度上的行为有时会因行为不稳定而与常识相矛盾。你不可能走到墙上然后立刻传送到墙的另一边，但是在纳米尺度上一个电子可以-它被称为电子。作为绝缘体的物质，也就是说它们不能携带电荷，在体积上，当被还原到纳米尺度时，可能会变成半导体。熔点会因表面积的增加而改变。许多纳米科学要求你忘记你所知道的，重新开始学习。

7 那么这一切意味着什么呢？现在，这意味着科学家们正在纳米尺度上对物质进行实验，以了解它们的性质。在《星际迷航》的世界里，被称为“复制者”的机器“几乎可以生产任何实物，从武器到一杯热气腾腾的伯爵茶。长期以来被认为是科幻小说的独家产物，今天一些人认为复制者是一个非常现实的可能性。他们称之为分子2制造，如果它真的成为现实，它将彻底改变世界。

8 原子和分子结合在一起是因为它们有互补的形状，或者电荷相互吸引。就像磁铁一样，带正电的原子会粘在带负电的原子上。当数以百万计的这些原子被纳米机器拼凑在一起时，一种特定的产品将开始成形。分子制造的目标是单独操纵原子，并将它们放置在一个模式中，以产生所需的结构。

9 第一步将是开发纳米级机器，称为汇编程序3，科学家可以编程任意操纵原子和分子。莱斯大学教授理查德·斯莫利指出，一台纳米机器需要数百万年才能组装出数量可观的材料。为了使分子制造实用化，你将需要数万亿个装配工同时工作。埃里克德雷克斯勒认为，汇编程序可以首先复制自己，构建其他汇编程序。每一代都会构建另一代，导致指数级增长，直到有足够的汇编程序生成对象。

10 装配工可能有运动部件。数以万亿计的汇编器和复制器可以填充一个小于一立方毫米的区域，而且可能仍然太小，我们用肉眼看不见。汇编程序和复制程序可以一起工作来自动构造最终可能取代所有传统的劳动方法。这可以大大降低制造成本，从而使消费品丰富、廉价和更强大。最终，我们可以复制任何东西，包括钻石、水和食物。饥荒可以通过制造食物喂饱饥民的机器来根除。

11 那么，让我们继续讨论第三个问题。我们如何应用纳米技术造福人类？我们也许可以在各种应用中利用它。例如，工程师们正试图用纳米尺寸的电线来制造更小、更强大的微处理器。纳米技术可能对医疗行业产生最大的影响。患者将饮用含有纳米机器人的液体，这些机器人被编程用来攻击和重建癌细胞和病毒的分子结构。甚至有人猜测，纳米机器人可以减缓或逆转衰老过程，预期寿命可以显著提高。纳米机器人也可以被编程来执行精细的手术，这种纳米外科医生的工作水平比最锋利的手术刀精确一千倍。通过在如此小的规模上工作，一个纳米机器人可以在不留下传统手术疤痕的情况下工作。此外，纳米机器人可以改变你的外表。他们可以被编程来进行整容手术，重新排列你的原子来改变你的耳朵、鼻子、眼睛的颜色或任何其他你想改变的身体特征。

12 纳米技术有可能对环境产生积极影响。例如，科学家们可以设计机载纳米机器人来重建变薄的臭氧层。纳米机器人可以去除水源中的污染物，清理漏油。使用自下而上的纳米技术制造材料也比传统的制造工艺产生更少的污染。我们对不可再生资源的依赖将随着纳米技术的发展而减少。砍伐树木、开采煤炭或钻探石油可能不再必要——纳米机器可以生产这些资源。

13 不过，要让纳米技术主宰科技市场，我们还有很长的路要走。许多纳米技术专家认为，至少在可预见的未来，这些应用远远超出了可能的范围。他们警告说，更奇特的应用只是理论上的。一些人担心纳米技术最终会像虚拟现实一样终结——换句话说，围绕纳米技术的炒作将继续扩大，直到该领域的局限性成为公众知识，然后兴趣（和资金）将迅速消散。

14 总而言之，纳米技术最直接的挑战是我们需要在纳米尺度上更多地了解材料及其特性。世界各地的大学和公司都在严格研究原子如何结合形成更大的结构。我们仍在学习量子力学如何在纳米尺度上影响物质。随着我们对纳米技术巨大潜力的进一步了解，纳米技术必将继续对我们产生影响。谢谢您。

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