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纳米缓慢“撬动世界”
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纳米技术到底有何应用潜力
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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。
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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。
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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。
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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。
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新材料改写电池历史
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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？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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%。
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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）。
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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]。
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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]
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助力海水淡化
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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。
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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]。
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变革电子装置
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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。
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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。
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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。
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