主講人：趙麗娜
大家好！
歡迎來到「小粒子 大宇宙」系列課程。這裡是中國科學院高能物理研究所。我是趙麗娜。
今天我們一起來了解如何成為納米小世界裡的大偵探。
納米是什麼？納米材料又有什麼神奇的功能？人類利用納米科技還能實現哪些偉大的夢想？這些問題是不是曾經浮現在你的腦海之中呢！今天我們就一起來揭開納米世界的神秘面紗，來了解分子原子背後其相互作用的機制，讓我們一起來變身納米小世界的大偵探。
為什麼是納米小世界呢？我們人類定位的地球處於茫茫的大宇宙當中，處於銀河系的太陽系裡。當我們仰望星空的時候，總是感嘆浩渺的大宇宙，同時感嘆我們人類的微小。在納米世界裡，這些分子原子看待我們每個個體都像一個大宇宙。你說這個納米世界小不小！
納米小世界
但是，我們可千萬不要小看這樣微小的世界。因為在這樣微小世界當中，分子原子的運動規律直接影響著我們日常的生活。比如，近來肆虐全球的新冠病毒，它就是納米級的「搗蛋分子」。科學家、醫學家都在夜以繼日地解析它納米級的分子結構，這樣可以有針對性地開發快速檢測的方法、以及靶向藥物，這樣對於控制疫情、對於挽救人們的生命是至關重要的。由此可見，了解這個微小納米世界的規律對於人類幸福是多麼的重要。
那麼讓我們先來看看納米世界到底有多小。納米是一種計量單位，具體來講，它是一米的十億分之一。我們可以想像一下，一根頭髮直徑的萬分之一就是納米尺度了。更形象的，同學們可以想像，一個納米級的物體如果放在一個桌球上，就好像這個桌球放在我們整個地球上一樣。大家想想這樣的納米尺度有多小呀！
「納」這個詞，來源於希臘文，原意是矮小、侏儒、很小的意思。通常來講，納米結構是尺度在100納米之內的結構。
這麼小的納米結構，我們怎麼才能看清它呢？這種情況下，普通的光學顯微鏡已經無法勝任了。那麼科學家們就發明了系列的電子顯微鏡，這裡面就包括了掃描電子顯微鏡、冷凍電鏡、原子力顯微鏡等等。這些顯微鏡解析度的尺度逼近了納米級別，這樣就把納米世界的真容一覽無餘了。更進一步，我們還要了解更複雜的、乃至於生物納米級體系及結構，科學家們又建造出了X射線同步裝置以及散裂中子源裝置。這樣的大裝置是佔地面積幾百畝的龐然大物，這些是名副其實的超級顯微鏡，它們對於我們了解納米級結構是非常有力的工具。左：光學顯微鏡 中：電子顯微鏡 右：高能同步輻射光源（設計圖）、散裂中子源
那麼，在這些超級顯微鏡下，納米世界是什麼樣子的呢？通過我們的觀察才發現，原來納米世界一直就藏在我們的大自然當中。
下面就讓我們來看幾個例子。
先來看看水稻的葉片吧。同學們，你們有沒有注意到在水稻的葉片上，露珠是呈橢球形狀的？它為什麼不是正正的圓形、正正的球形呢？大家有沒有思考過這個問題？我們把水稻葉片放到超級顯微鏡下面來仔細觀察，終於找到了原因。原來水稻葉片經過放大以後是由非常緻密的納米結構構成的。更重要的是，這些納米結構在橫向和縱向兩個方向排列的密度是不一樣的，正是因為這樣的各向異性，才導致在它表面上分布的水珠也是呈這樣兩個方向不一樣分布的水球，成了橢球形，而不是正正的球形。
水稻葉的納米結構
接下來，再讓我們來看看美麗的蝴蝶吧。五彩繽紛、質地精緻的蝴蝶翅膀竟然也是由納米結構構成的。我們來看,這個精緻的鱗片上面分布著緻密的納米結構，像不像咱們屋簷上面排列整齊的瓦片呢？左圖為在較小放大倍數下看到的鱗片納米結構，看起來就像是屋簷上的瓦片；右圖為在更高的放大倍數下看到的納米結構。
蝴蝶翅膀鱗片的顯微圖像
那麼納米結構的功能又是怎樣的呢？讓我們快來看看壁虎的腳掌吧。經過多級的放大可以看到，在顯微鏡下面，壁虎的腳掌呈現出精緻的納米結構褶皺，正是這些褶皺非常大地增加了腳掌的吸附能力。通過這樣的仿生設計，人們可以來設計出人造壁虎，就能飛簷走壁了。同學們，咱們再來想想，如果利用這樣納米級的褶皺，我們製作一副精緻的手套，每個人帶上它，是不是都能實現蜘蛛俠的夢想了呢？
壁虎腳掌顯微鏡圖像以及仿生納米「蜘蛛俠」
了解到這麼多大自然當中的納米結構，聰明的人類也開始仿造大自然中的結構來製造一些新的納米材料，來實現一些優異的功能。在超級顯微鏡下，我們來觀測這些新奇的納米材料，發現竟然有自然風光的蹤影，那麼就讓我們來一覽這些美麗的「風光」吧！
這是多層石墨烯膜，它如同大海碧波蕩漾、海上揚帆、心曠神怡！
海上揚帆：多層石墨烯膜，如同大海
再讓我們來看看二硫化鉬的納米纖維。看它絲絲縷縷，真的很像柳條，不禁讓我們想起「不知細葉誰裁出，二月春風似剪刀」這樣的千古名句。
春風：MoS2纖維
再來看看碳納米管的陣列，猶如風吹麥浪般的壯觀。還有這石墨烯的褶皺，好如鳳凰涅槃、浴火重生。
石墨烯褶皺
石墨烯薄膜成了衝浪者的樂園。碰裂的矽片，形狀非常像飛碟，好似天外來客。
碰裂的矽片
來看這邊的硫化銀納米顆粒呈現了史前長頸龍的輪廓。
硫化銀納米顆粒
我們飽覽了這麼多綺麗的納米風光，構成這些美麗風景的納米材料又是怎樣定義的呢？
下面讓我們來看看納米材料的定義。納米材料是指在三維空間中至少有一維處於納米尺度或者是以這一維為重複單元的材料。通過維度的定義納米材料分為哪三種呢？
首先是零維材料，是指在三個方向上都控制在納米級別的材料。其次是一維材料，是指在兩個方向上能夠控制在納米級別的材料。然後二維材料是在一個方向上能夠控制在納米級別的材料。
似乎有點抽象，接下來就以碳納米材料為例進行講解。
碳納米材料當中的零維材料便是C60，也就是著名的富勒烯。富勒烯是1985年克羅託、科爾和斯莫利共同發現的，他們三位在1996年一同獲得了諾貝爾化學獎。
克羅託與富勒烯（零維）
一維的碳納米材料便是碳納米管，碳納米管是1991年飯島澄男發現的。
碳納米管（一維）
二維的碳納米材料是石墨烯。2006年由蓋姆和諾沃謝夫共同開展了石墨烯的開拓性研究，他們兩位因此貢獻一起在2010年獲得了諾貝爾化學獎。
石墨烯（二維）
同學們，以碳基納米材料為例，我們展示的模型是典型的球棍模型。可以看到，模型當中黑色的小球代表碳原子，白色的小棍代表碳碳之間形成的碳碳鍵。通過球棍模型我們能夠把分子結構精細地呈現出來。
以碳納米材料為例的球棍模型
通過上述的具體分子結構，我們怎樣能夠推演出其相應的性質、相應的神奇功能呢？這就是我們大偵探要登場的時候了。在超級顯微術的基礎上，我們可以剖析出納米材料的結構信息。在此基礎上，可以採用多尺度的分子模擬的方法，來把材料的性質揭示出來，這樣我們就可以變身為納米小世界的大偵探了。
那麼，多尺度的分子模擬方法有什麼優勢呢？具備這樣三方面的優點：第一，它能夠突破空間的極限，可以非常精細地給出納米結構的分子細節；第二，它可以突破時間的極限，可以把快速、飛速進行的動力學過程捕捉下來；第三，從定性到定量，也就是說整個的分子模擬方法能夠把納米過程的變化檢測出來，並且到底變化了多少也能非常準確的把它標定出來，進而揭示納米材料特性的分子機制。
現在請大家戴好偵探帽，我們要出發咯！一起來探究多尺度分子模擬的計算方法。具體來講，分子模擬方法是把理論的方法和計算的技術有機地結合起來，揭示低維的、微小的分子原子相互作用行為規律。這類方法不但可以模擬包括碳納米材料在內的納米材料之間的相互作用，還能夠模擬這些納米材料甚至於生物體系等複雜體系相互作用的機制。我們來看看這三位大偵探爺爺：卡普拉斯、萊維特和瓦歇勒，因為對多尺度分子模擬方法的貢獻，他們一同獲得了2013年的諾貝爾化學獎。
卡普拉斯、萊維特和瓦謝勒因多尺度模擬方法貢獻，一同獲得2013年諾貝爾化學獎
現在具體地介紹兩種最常用的分子模擬方法，可以讓我們大偵探掌握必備技能，這樣能夠馳騁納米世界。
第一種方法是經典分子動力學方法，它是以牛頓力學為基礎。牛頓和蘋果的故事大家都了解吧？受到樹上掉落蘋果的啟發，牛頓提出經典力學的運動方程F=ma。經典分子動力學方法就是利用牛頓的經典動力學方程來描述分子原子體系。這樣的分子原子體系化身為一堆小球，我們可以想像它們就是一堆海洋球，不過這些小球之間的相互作用是通過經典力學連接起來的。
經典的分子動力學，通過左邊展示的流程圖，可以編寫程序進行迭代計算，把整個複雜體系精確描述出來，並且利用程序在計算機上來做動態的實驗。我們可以看到右邊便是這樣的納米體系，它的相互作用動力學過程好像我們現在正在錄製的課程一樣，把納米事件發生的過程也錄製成視頻，供我們進一步地研究其中的物理過程，從而來揭示其中的新原理、新機制。
我們剛才講到的經典分子動力學，大家可以這樣理解：它是不同分子之間的相互作用，也就是分子間的相互作用。我為什麼一直在強調這點呢？是因為它不能考慮分子之間的化學反應，也就是成鍵和斷鍵的過程。在我們的研究中，如果涉及到成斷鍵怎麼辦呢？也就是說，當發生了化學反應，整個體系發生了一些結構上的變化，這種情況我們用什麼方法描述呢？這便需要用到以量子力學為基本原理的密度泛函理論。密度泛函理論是以核外電子為計算單元的，同學們可以想像一下地球以及在外太空一定軌道上運轉的衛星，這樣的圖像像極了原子核和原子核外的電子繞原子核旋轉這樣的物理圖像。在密度泛函理論當中，不但是以電子為計算單元，而且還將電子密度作為整個計算的未知數來求解，這樣極大地簡化了計算量。這裡其實用到了同學們熟知的等量代換方法。密度泛函理論不但能夠給出分子的結構，因為它考慮電子，所以還能給出電子結構信息，恰恰電子結構的信息決定了材料的物理性質以及化學性質，所以該方法是適用於研究包括爆炸、燃燒在內的劇烈的化學反應以及緩和的化學反應，還有非常重要的催化反應等等在內的一系列反應。這種方法在研究過程中，為人們開發新材料提供有力幫助。
好的，同學們，通過學習這兩種最常用的分子模擬方法，我們就構造了一個分子模擬的「法寶」套裝，現在大偵探們具備了這套套裝，就可以執行任務嘍！這裡我們以金銀銅鐵在內的貴金屬材料以及剛才說到的碳基材料為例，來研究這些納米材料與生物結構之間的相互作用。
可以看到，通過我們的學習和研究已經積累了大量的成功案例，我們的大偵探們有了這些成功的經驗，了解了這背後分子、原子相互作用的機制，那我們其實就可以主動的進行設計、進行改造。
大偵探完全可以變身為藥物學家。來看看藥學家做了什麼樣的事情呢？利用納米顆粒進行腫瘤殺傷或成像，這樣就開發出了抗癌納米藥物。
大偵探也可以變身為發明家。這裡可以看到，王中林院士發明了世界上最小的發電機--納米發電機。人們也製造出了納米溫度計，它是世界上最小的溫度計，突破了金氏世界紀錄。
納米溫度計和金氏世界紀錄（2002年）
各位大偵探有沒有想過，通過結合新的方法、新的技術，讓我們升級為超級大偵探呢？現在人工智慧技術能夠有效地自動提取特徵，挖掘數據背後的相關性，結合人工智慧能夠讓我們的算法更「聰明」。除了這樣的新方法，還有其他什麼新技術嗎？同學們，這就要靠你們在知識、科學的海洋裡去探索發現了。這些新方法、新技術將給大偵探插上飛翔的翅膀，同時對於納米科技來說也是如虎添翼，能夠蓬勃發展。
早在1959年，著名物理學家費曼就在《底部還有很大空間》的演講中，提出人類操縱分子原子可能發生的奇蹟，這可以說是對納米技術的最早動意和夢想。我國著名的科學家錢學森預言，納米和納米以下的結構是下一階段科技發展的一個重點，會是一次技術革命，從而將是21世紀又一次產業革命。
同學們，21世紀可是你們大展宏圖的世紀呀！現在，科學的海天已經在大家的面前展現。海闊憑魚躍，天高任鳥飛！奮鬥吧，少年！
謝謝大家！