主讲人：赵丽娜
大家好！
欢迎来到“小粒子 大宇宙”系列课程。这里是中国科学院高能物理研究所。我是赵丽娜。
今天我们一起来了解如何成为纳米小世界里的大侦探。
纳米是什么？纳米材料又有什么神奇的功能？人类利用纳米科技还能实现哪些伟大的梦想？这些问题是不是曾经浮现在你的脑海之中呢！今天我们就一起来揭开纳米世界的神秘面纱，来了解分子原子背后其相互作用的机制，让我们一起来变身纳米小世界的大侦探。
为什么是纳米小世界呢？我们人类定位的地球处于茫茫的大宇宙当中，处于银河系的太阳系里。当我们仰望星空的时候，总是感叹浩渺的大宇宙，同时感叹我们人类的微小。在纳米世界里，这些分子原子看待我们每个个体都像一个大宇宙。你说这个纳米世界小不小！
浩渺大宇宙
纳米小世界
但是，我们可千万不要小看这样微小的世界。因为在这样微小世界当中，分子原子的运动规律直接影响着我们日常的生活。比如，近来肆虐全球的新冠病毒，它就是纳米级的“捣蛋分子”。科学家、医学家都在夜以继日地解析它纳米级的分子结构，这样可以有针对性地开发快速检测的方法、以及靶向药物，这样对于控制疫情、对于挽救人们的生命是至关重要的。由此可见，了解这个微小纳米世界的规律对于人类幸福是多么的重要。
那么让我们先来看看纳米世界到底有多小。纳米是一种计量单位，具体来讲，它是一米的十亿分之一。我们可以想象一下，一根头发直径的万分之一就是纳米尺度了。更形象的，同学们可以想象，一个纳米级的物体如果放在一个乒乓球上，就好像这个乒乓球放在我们整个地球上一样。大家想想这样的纳米尺度有多小呀！
“纳”这个词，来源于希腊文，原意是矮小、侏儒、很小的意思。通常来讲，纳米结构是尺度在100纳米之内的结构。
这么小的纳米结构，我们怎么才能看清它呢？这种情况下，普通的光学显微镜已经无法胜任了。那么科学家们就发明了系列的电子显微镜，这里面就包括了扫描电子显微镜、冷冻电镜、原子力显微镜等等。这些显微镜分辨率的尺度逼近了纳米级别，这样就把纳米世界的真容一览无余了。更进一步，我们还要了解更复杂的、乃至于生物纳米级体系及结构，科学家们又建造出了X射线同步装置以及散裂中子源装置。这样的大装置是占地面积几百亩的庞然大物，这些是名副其实的超级显微镜，它们对于我们了解纳米级结构是非常有力的工具。
左：光学显微镜 中：电子显微镜 右：高能同步辐射光源（设计图）、散裂中子源
那么，在这些超级显微镜下，纳米世界是什么样子的呢？通过我们的观察才发现，原来纳米世界一直就藏在我们的大自然当中。
下面就让我们来看几个例子。
先来看看水稻的叶片吧。同学们，你们有没有注意到在水稻的叶片上，露珠是呈椭球形状的？它为什么不是正正的圆形、正正的球形呢？大家有没有思考过这个问题？我们把水稻叶片放到超级显微镜下面来仔细观察，终于找到了原因。原来水稻叶片经过放大以后是由非常致密的纳米结构构成的。更重要的是，这些纳米结构在横向和纵向两个方向排列的密度是不一样的，正是因为这样的各向异性，才导致在它表面上分布的水珠也是呈这样两个方向不一样分布的水球，成了椭球形，而不是正正的球形。
水稻叶的纳米结构
接下来，再让我们来看看美丽的蝴蝶吧。五彩缤纷、质地精致的蝴蝶翅膀竟然也是由纳米结构构成的。我们来看,这个精致的鳞片上面分布着致密的纳米结构，像不像咱们屋檐上面排列整齐的瓦片呢？左图为在较小放大倍数下看到的鳞片纳米结构，看起来就像是屋檐上的瓦片；右图为在更高的放大倍数下看到的纳米结构。
蝴蝶翅膀鳞片的显微图像
那么纳米结构的功能又是怎样的呢？让我们快来看看壁虎的脚掌吧。经过多级的放大可以看到，在显微镜下面，壁虎的脚掌呈现出精致的纳米结构褶皱，正是这些褶皱非常大地增加了脚掌的吸附能力。通过这样的仿生设计，人们可以来设计出人造壁虎，就能飞檐走壁了。同学们，咱们再来想想，如果利用这样纳米级的褶皱，我们制作一副精致的手套，每个人带上它，是不是都能实现蜘蛛侠的梦想了呢？
壁虎脚掌显微镜图像以及仿生纳米“蜘蛛侠”
了解到这么多大自然当中的纳米结构，聪明的人类也开始仿造大自然中的结构来制造一些新的纳米材料，来实现一些优异的功能。在超级显微镜下，我们来观测这些新奇的纳米材料，发现竟然有自然风光的踪影，那么就让我们来一览这些美丽的“风光”吧！
这是多层石墨烯膜，它如同大海碧波荡漾、海上扬帆、心旷神怡！
海上扬帆：多层石墨烯膜，如同大海
再让我们来看看二硫化钼的纳米纤维。看它丝丝缕缕，真的很像柳条，不禁让我们想起“不知细叶谁裁出，二月春风似剪刀”这样的千古名句。
春风：MoS2纤维
再来看看碳纳米管的阵列，犹如风吹麦浪般的壮观。还有这石墨烯的褶皱，好如凤凰涅槃、浴火重生。
碳纳米管阵列
石墨烯褶皱
石墨烯薄膜成了冲浪者的乐园。碰裂的硅片，形状非常像飞碟，好似天外来客。
石墨烯
碰裂的硅片
来看这边的硫化银纳米颗粒呈现了史前长颈龙的轮廓。
硫化银纳米颗粒
我们饱览了这么多绮丽的纳米风光，构成这些美丽风景的纳米材料又是怎样定义的呢？
下面让我们来看看纳米材料的定义。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度或者是以这一维为重复单元的材料。通过维度的定义纳米材料分为哪三种呢？
首先是零维材料，是指在三个方向上都控制在纳米级别的材料。其次是一维材料，是指在两个方向上能够控制在纳米级别的材料。然后二维材料是在一个方向上能够控制在纳米级别的材料。
似乎有点抽象，接下来就以碳纳米材料为例进行讲解。
碳纳米材料当中的零维材料便是C60，也就是著名的富勒烯。富勒烯是1985年克罗托、科尔和斯莫利共同发现的，他们三位在1996年一同获得了诺贝尔化学奖。
克罗托与富勒烯（零维）
一维的碳纳米材料便是碳纳米管，碳纳米管是1991年饭岛澄男发现的。
碳纳米管（一维）
二维的碳纳米材料是石墨烯。2006年由盖姆和诺沃谢夫共同开展了石墨烯的开拓性研究，他们两位因此贡献一起在2010年获得了诺贝尔化学奖。
石墨烯（二维）
同学们，以碳基纳米材料为例，我们展示的模型是典型的球棍模型。可以看到，模型当中黑色的小球代表碳原子，白色的小棍代表碳碳之间形成的碳碳键。通过球棍模型我们能够把分子结构精细地呈现出来。
以碳纳米材料为例的球棍模型
通过上述的具体分子结构，我们怎样能够推演出其相应的性质、相应的神奇功能呢？这就是我们大侦探要登场的时候了。在超级显微术的基础上，我们可以剖析出纳米材料的结构信息。在此基础上，可以采用多尺度的分子模拟的方法，来把材料的性质揭示出来，这样我们就可以变身为纳米小世界的大侦探了。
那么，多尺度的分子模拟方法有什么优势呢？具备这样三方面的优点：第一，它能够突破空间的极限，可以非常精细地给出纳米结构的分子细节；第二，它可以突破时间的极限，可以把快速、飞速进行的动力学过程捕捉下来；第三，从定性到定量，也就是说整个的分子模拟方法能够把纳米过程的变化检测出来，并且到底变化了多少也能非常准确的把它标定出来，进而揭示纳米材料特性的分子机制。
现在请大家戴好侦探帽，我们要出发咯！一起来探究多尺度分子模拟的计算方法。具体来讲，分子模拟方法是把理论的方法和计算的技术有机地结合起来，揭示低维的、微小的分子原子相互作用行为规律。这类方法不但可以模拟包括碳纳米材料在内的纳米材料之间的相互作用，还能够模拟这些纳米材料甚至于生物体系等复杂体系相互作用的机制。我们来看看这三位大侦探爷爷：卡普拉斯、莱维特和瓦歇勒，因为对多尺度分子模拟方法的贡献，他们一同获得了2013年的诺贝尔化学奖。
卡普拉斯、莱维特和瓦谢勒因多尺度模拟方法贡献，一同获得2013年诺贝尔化学奖
现在具体地介绍两种最常用的分子模拟方法，可以让我们大侦探掌握必备技能，这样能够驰骋纳米世界。
第一种方法是经典分子动力学方法，它是以牛顿力学为基础。牛顿和苹果的故事大家都了解吧？受到树上掉落苹果的启发，牛顿提出经典力学的运动方程F=ma。经典分子动力学方法就是利用牛顿的经典动力学方程来描述分子原子体系。这样的分子原子体系化身为一堆小球，我们可以想象它们就是一堆海洋球，不过这些小球之间的相互作用是通过经典力学连接起来的。
经典的分子动力学，通过左边展示的流程图，可以编写程序进行迭代计算，把整个复杂体系精确描述出来，并且利用程序在计算机上来做动态的实验。我们可以看到右边便是这样的纳米体系，它的相互作用动力学过程好像我们现在正在录制的课程一样，把纳米事件发生的过程也录制成视频，供我们进一步地研究其中的物理过程，从而来揭示其中的新原理、新机制。
我们刚才讲到的经典分子动力学，大家可以这样理解：它是不同分子之间的相互作用，也就是分子间的相互作用。我为什么一直在强调这点呢？是因为它不能考虑分子之间的化学反应，也就是成键和断键的过程。在我们的研究中，如果涉及到成断键怎么办呢？也就是说，当发生了化学反应，整个体系发生了一些结构上的变化，这种情况我们用什么方法描述呢？这便需要用到以量子力学为基本原理的密度泛函理论。密度泛函理论是以核外电子为计算单元的，同学们可以想象一下地球以及在外太空一定轨道上运转的卫星，这样的图像像极了原子核和原子核外的电子绕原子核旋转这样的物理图像。
在密度泛函理论当中，不但是以电子为计算单元，而且还将电子密度作为整个计算的未知数来求解，这样极大地简化了计算量。这里其实用到了同学们熟知的等量代换方法。密度泛函理论不但能够给出分子的结构，因为它考虑电子，所以还能给出电子结构信息，恰恰电子结构的信息决定了材料的物理性质以及化学性质，所以该方法是适用于研究包括爆炸、燃烧在内的剧烈的化学反应以及缓和的化学反应，还有非常重要的催化反应等等在内的一系列反应。这种方法在研究过程中，为人们开发新材料提供有力帮助。
好的，同学们，通过学习这两种最常用的分子模拟方法，我们就构造了一个分子模拟的“法宝”套装，现在大侦探们具备了这套套装，就可以执行任务喽！这里我们以金银铜铁在内的贵金属材料以及刚才说到的碳基材料为例，来研究这些纳米材料与生物结构之间的相互作用。
可以看到，通过我们的学习和研究已经积累了大量的成功案例，我们的大侦探们有了这些成功的经验，了解了这背后分子、原子相互作用的机制，那我们其实就可以主动的进行设计、进行改造。
大侦探完全可以变身为药物学家。来看看药学家做了什么样的事情呢？利用纳米颗粒进行肿瘤杀伤或成像，这样就开发出了抗癌纳米药物。
大侦探也可以变身为发明家。这里可以看到，王中林院士发明了世界上最小的发电机--纳米发电机。人们也制造出了纳米温度计，它是世界上最小的温度计，突破了吉尼斯世界纪录。
纳米发电机
纳米温度计和吉尼斯世界纪录（2002年）
各位大侦探有没有想过，通过结合新的方法、新的技术，让我们升级为超级大侦探呢？现在人工智能技术能够有效地自动提取特征，挖掘数据背后的相关性，结合人工智能能够让我们的算法更“聪明”。除了这样的新方法，还有其他什么新技术吗？同学们，这就要靠你们在知识、科学的海洋里去探索发现了。这些新方法、新技术将给大侦探插上飞翔的翅膀，同时对于纳米科技来说也是如虎添翼，能够蓬勃发展。
早在1959年，著名物理学家费曼就在《底部还有很大空间》的演讲中，提出人类操纵分子原子可能发生的奇迹，这可以说是对纳米技术的最早动意和梦想。我国著名的科学家钱学森预言，纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。
同学们，21世纪可是你们大展宏图的世纪呀！现在，科学的海天已经在大家的面前展现。海阔凭鱼跃，天高任鸟飞！奋斗吧，少年！
谢谢大家！