纳米材料形状对细胞毒性的影响：既能降低大气二氧化碳
纳米材料形状对细胞毒性的影响：既能降低大气二氧化碳在1959年12月29日给美国物理学会的演讲中，主题为“底部有足够的空间”，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼建议科学家应对小规模“操纵和控制事物”的挑战。他问：“为什么我们不能在大头针上写下《不列颠百科全书》的全部24卷？”早在公元前5世纪，希腊哲学家就推测，物质是由看不见的颗粒组成。哲学家称它们为“原子”，希腊语为“不可切割”或“坚不可摧”。尽管18世纪初期的化学家和物理学家通过实验证明了这一观点，直到1959年，一位科学家才公开宣布对单个原子和分子进行分割是可行的。当物体很小时，物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由宏观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，因此可以有许多重要的是应用，也可以制造许多有趣的材质。
纳米技术是一门应用科学，研究物质在纳米级状态时的特性。
纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点的集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等宏观效应则小得可以被忽略掉。
随着物质尺寸的减小，一系列的物理现象显现出来。这其中包括统计力学效应和量子力学效应。并且，同宏观系统相比，纳米级的许多物理性质会改变。广义上讲，纳米技术是科学和技术在理解和制造新材料新器械方向上的推演和应用，这些新材料和技术大体上就是物理性质在微尺度上的应用。
当物体很小时，物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由宏观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。
纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，因此可以有许多重要的是应用，也可以制造许多有趣的材质。
早在公元前5世纪，希腊哲学家就推测，物质是由看不见的颗粒组成。哲学家称它们为“原子”，希腊语为“不可切割”或“坚不可摧”。尽管18世纪初期的化学家和物理学家通过实验证明了这一观点，直到1959年，一位科学家才公开宣布对单个原子和分子进行分割是可行的。
在1959年12月29日给美国物理学会的演讲中，主题为“底部有足够的空间”，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼建议科学家应对小规模“操纵和控制事物”的挑战。他问：“为什么我们不能在大头针上写下《不列颠百科全书》的全部24卷？”
费曼对听众说：“下面是一个非常小的世界。”当时人们对这个微小的世界还没有任何概念。
尚不清楚费曼的演讲是否真的激发了科学家研究，但他是第一个向那些将要从事所谓纳米技术工作的人们提出明确挑战的人。费曼演讲时说自己要制造出可以从外部控制的旋转电动机，而且不计入引入线，只有1/64英寸的立方体，这是一个很小的体积。
过了半个多世纪，2014年，德克萨斯大学的研究人员宣布，他们制造了一种小到足以容纳人体细胞的电动机。这种比人的细胞还要小的电动机远远比费曼预言的小得多。
1981年IBM研究人员Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜，这让科学家可以观察到原子的模样，是纳米技术取得突破的重要里程碑。
扫描隧道显微镜可以观察物体表面的3D图像，显示其各个原子。
传统显微镜中的光学透镜对于观察小于400到700纳米的光波长的物体是无用的。但是扫描隧道显微镜使用锋利的金属尖端向物体表面发射电流以进行观查。然后测量电流的变化以生成表面的3D原子级图像。
当Binnig和Rohrer在金晶体上测试该设备时，所得图像显示出整齐排列的原子行。Binnig在1986年因这项发明获得诺贝尔奖。扫描隧道显微镜给这个世界带来了光明。
1985年，莱斯大学的一个研究小组使用激光来蒸发碳，这是对原子的首次直接操纵，从而创建了纳米材料。此过程产生了少量的“布基球”，因为碳分子的结构类似于Fuller的测地线圆顶。
布基球之所以特别有趣，是因为它们像富勒的测地线圆顶一样坚固。1991年，日本电子公司NEC的科学家饭岛住男成功地生产了长管形的布基球，现在称为纳米管，是当今市场上最常见的纳米材料之一。纳米管可用于从飞机机身到网球拍的各种产品。
德雷克斯勒在1981年发表了一篇论文，概述了分子工程学的基本原理，并提出了发展“纳米技术”的途径。
德雷克斯勒预测了像微型工具一样起作用的分子大小设备的发展，这些设备将原子和分子排列成微型机器。由蛋白质分子制造的这类设备“将为复杂的原子规格的设备制造开辟道路，从而避开了传统微技术所面临的障碍。这条道路将涉及构建能够将反应基团定位到原子精度的分子机械，计算设备和操纵生物材料的能力会取得重大进步。
1986年，德雷克斯勒出版了《创造的引擎：纳米技术的时代》，这是一本面向大众的书，普及了“纳米技术”一词。在书中，德雷克斯勒提出了他的纳米制造思想，并提出了创建纳米级“组装者”的建议。它不仅可以用来复制其自身，还可以用来构建更复杂的项目，从电器到汽车。如果复制的汇编程序失去控制并开始将有机材料转换成更多的汇编程序，也是纳米技术的领域。
美国国家纳米技术计划到1990年代中期，美国政府机构开始协调发展纳米技术。1996年11月，几个机构的工作人员组成了一个工作组，并于1998年9月被任命为纳米技术机构间工作组。
该小组于1999年8月完成了一项有关纳米技术的联邦倡议计划草案，该草案已发送给总统科学技术顾问委员会和白宫科学技术政策办公室。作为回应，克林顿政府在其2001年向国会提出的“国家纳米技术计划”预算中申请了5亿美元。
国会随后通过了《 21世纪纳米技术研究与发展法案》，该法案正式建立了国家纳米技术计划。表现出美国对纳米技术的重视。
纳米技术有益也有害和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题，比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等。
纳米材料本身并不是一种危害，只有它的一些方面具有危害性，特别是它们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。
要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：
- 纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。
- “自由”纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存在还是直接使用单独的纳米粒子。
这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物。
目前，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最紧迫关心的。
因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。
更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。
一些专家警告说，纳米技术产品数量的日益增长已经超出了监管机构对其进行监控的能力。
美国国家职业安全与健康研究所副所长查尔斯•格拉西说：“我们总是有很多工作要做，希望早日完成，而不是晚些。” 他说，市场上已经存在的纳米材料对工作人员的监控产生了很大挑战，下一代纳米材料或纳米材料的变种将是什么？其中一些正在迅速进入大规模商业应用状态。这对质检单位产生了巨大的工作压力。
消费品安全委员会举办的研讨会的与会专家警告说，监管机构可用的工具无法确保实验室外产品的安全。
根据研讨会的报告，评估方法和工具的需求已经超出了原始商品，纳米材料需要更新颖的检测工具。
社区无法一次评估一种工程材料，有必要开发一种方法来快速估计和预测纳米材料的暴露量，并能够就产品中纳米材料的安全和可持续设计与使用做出及时的决定。
尽管监管机构和研究人员正在研究如何确定纳米粒子的安全性，但安全倡导者认为，政府应采取更积极的方法，直到确定纳米产品的安全性后才允许其进入市场。
纳米技术任务组的帕特里为纳米技术辩护，长期以来一直在处理纳米材料。他说：“ 政府机构已经批准了数百种在临床上使用的纳米材料的产品。我们只是之前没有称它们为'纳米'。我们称它们为“聚合物”，称其为“脂质体”，称其为“乳液”。但是现在，由于它们的大小和独特的属性，我们称它们为“纳米”。因此，从这个角度来看，机构在评估安全性，有效性和制造质量属性方面拥有丰富的经验和临床经验。”
一些科学家和环境团体说，纳米技术对人类健康和环境带来未知的风险。
科学家梅纳德将纳米颗粒与石棉的危害进行了比较，石棉是一种天然存在的纤维材料，在建筑中广泛使用，直到1989年才被禁止使用。石棉是一种天然的纳米级材料，由于其物理结构，会造成非常严重的危害，因为石棉纤维很长很细，而且很难溶解，当石棉进入我们的肺部时，它会撕裂我们的肺部。
纳米粒子的微小尺寸使它们能够穿过人体组织进入单个细胞，在细胞中造成的损害从化学成分上看不出来。根据环保组织“地球之友”发布的一份报告称，工程纳米材料已进入商用婴儿配方食品。
地球之友测试过六个婴儿配方食品中的纳米材料，奶粉的成分之一是纳米羟基磷灰石，这种纳米材料被欧盟消费者安全科学委员会标记为不安全的化妆品，这无疑引起了人们对食品和婴儿配方奶粉的担忧。
纳米颗粒已在食品中用作营养添加剂和抗菌成分，用于调味和着色。纳米颗粒还可以在某些品牌的牙膏中找到，它们将其用作蛀牙填充剂，牙齿增白剂和抗菌剂。如果这些纳米颗粒进入人的肺部和细胞里，会出现什么后果仍不可想象。
许多专家认为，纳米技术也有望帮助环境从污染中恢复过来，甚至可以降低大气中二氧化碳的含量。此外，这些专家说，使用纳米材料的太阳能电池有可能更有效地将阳光转化为电能，从而有助于减少对化石燃料和二氧化碳排放的依赖。
另一种可能性是开发一种廉价，有效的供水方法。丹麦科学家展示了一种处理水的方法，该方法是使水通过带有铁纳米颗粒的管，以去除痕量农药和工业化学品。
专家说，从长远来看，纳米技术将使各国能够消除对环境的现有破坏。这种技术可以提供新的功能，以捕获和隔离地下水和土壤中的有毒物质，纳米技术还具有直接从大气中去除二氧化碳的潜力。
然而，即便纳米技术具有改善环境的潜力，人们也不愿意让纳米技术破坏人体细胞。
新研究阶段美国仍然是纳米技术研究领域的全球领导者，但其领先地位正在下降。其它国家，特别是中国，韩国，伊朗和日本，正在增加对纳米技术研究的投资，并开始追赶美国。
另一方面，美国国家纳米技术计划已经开始研究纳米制造和纳米电子学，目的是制造出原子单位精确度的物质。
科学研究的发展遵循自然而然的过程，我们不能直接从基础转到创新，科学部分与投机部分不同，重要的是要拥有开发复杂系统的基础。
这些基础现在已经奠定，美国现在已经在制造纳米机器。但是，基于可靠的科学研究来制造机器，的确，学术实验室的最新研究显示科学家出对纳米制造和纳米电子学的巨大希望。
几年前，斯坦福大学的研究人员宣布，他们使用纳米线而不是传统的电线来转移太阳能电池收集的电荷，大大提高了太阳能电池的效率。传统的导线会阻挡5％至10％的光照射到太阳能电池板上，而纳米线实际上是不可见的，几乎没有任何阻挡。
得克萨斯大学的研究人员于2014年5月展示了一种三组分纳米电机，其体积比人体细胞还要小500倍。电机可以旋转15小时，并以每分钟18000转的速度旋转。研究人员在电动机的转子上涂了生化物质，发现转动转子的速度越快，生化物质的输送就越快。这项研究对于医学发展有重要意义，标志人类可以用纳米技术操纵人体细胞内化学物质的运输。
IBM的研究人员也造出来由平行的几排碳纳米管制成纳米级晶体管，这种纳米晶体管可以让处理器中各元素之间的连接缩小到28个原子单位，从而使制造商可以制造更小，更快的计算机处理器。
2016年4月，瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员宣布他们已经生产出了单原子磁体，这一突破将使人们能够创建纳米级数据存储设备。
纳米技术也要放在规矩中由于纳米材料具有异常且通常具有动态特性，因此现有法规不一定能有效降低风险或平衡安全性和利益。
这个难题的核心是基于纳米技术产品的两个关键特征。与风险相关的特性可能在一批材料之间和批次之间以及产品之间变化。纳米技术产品的属性会根据产品的使用方式，使用位置以及使用方式随时间而变化。基于纳米技术的产品有关的大多数法规对这些特性均无响应，这使其有效性令人怀疑。
要确保纳米技术产品在其整个生命周期中都是安全的，而又不会不必要地妨碍有益的使用，则需要加强现有法规。同时需要对产品和特定领域的法规进行评估，以确保由纳米技术产生的新材料和产品尽可能安全，同时又尽可能有益。
