十、材料科學
113．水變“油”仍有希望
不合定律的想法
石油原油以及石油加工的一係列衍生物，可以說已經滲透到我們生活的方方麵麵了。世界經濟大發展的當代，石油更是工業必不可少的基本能源。而水就被認識到是“萬物之源”。能源危機之下，許多人就開始夢想有“水變油”的奇術。
但現代科學無情地告訴人們，根據元素守恒定律（化學反應前後元素的種類不會改變），這一轉化幾無可能。因為水含有氫、氧兩種元素，而油的主要成分是碳氫化合物，一些成分較為複雜的原油還含有磷、硫、鉀、鈉等元素。
新型納米管把水變成“油”
最近提出將水變成燃料這一新技術的是美國的一個工程學教授及他的同事。盡管在他之前，已經有科學家提出了用二氧化鈦納米顆粒催化反應，但由於催化效果不明顯，科學家普遍認為這一研究沒有任何價值，盡管如此，兩人還是選擇迎難而上。經過無數次的失敗嚐試，他們發現當水蒸氣和二氧化碳通過二氧化鈦納米管，同時引入氮氣，另外在納米管的表麵負載了銅和鉑的納米顆粒，生成碳氫化學物的速度比以前快了20倍左右。
終於在經過一年半的艱辛努力，他們成功地將原本隻會在科幻片中出現的“水變油”技術變成現實。幫助他們完成這一轉化的正是小小的二氧化鈦納米管。他們用這種納米管催化水蒸氣和二氧化碳，結果得到了甲烷（一種碳氫化合物，是天然氣、沼氣、煤氣等的主要成分）。
從化學原理上講，這一反應絕沒有違背元素守恒定律。反應物是二氧化碳與水蒸氣，最後生成了甲烷和水，反應物和生成物都含有碳、氫、氧元素，催化劑不參與反應。
但關於整個反應過程還沒完全弄清楚。科學家們現在隻知道，當可見光照射在納米管上時，納米管釋放出高能量的電荷載體，使得水分子分解為氫氧自由基和氫離子。科學家猜測，二氧化碳可能分解成氧氣和一氧化碳，在催化劑作用下與氣態氫反應生成甲烷和水。
離拯救人類還有距離
但是，這項新技術並不能把人類從資源枯竭的恐懼中拯救出來。
從反應條件來看，格蘭姆斯的新技術離大規模工業生產還有很大距離。雖然是在可見光下，但反應所需的納米管和催化劑很昂貴，反應速度遠不能達到高轉化率、高產出量，還不能實現工業化連續生產。格蘭姆斯說，目前催化劑的效率很低，“目前為止，我們還不具備拯救人類的能力。”
不過，格蘭姆斯對未來的研究很樂觀。他向媒體講述了他的３步計劃：第一步是給納米管安裝感應器，讓它更好地起到光導作用；第二步，在納米管的表麵更平均地沉澱銅納米顆粒；第三，使用實惠的太陽能光電板，這樣一來，可以更長時間地照明。結合其他一些改進，轉化效率能成倍提高。這個結果還是基礎性研究，目前的主要任務是提高生產效率，實現規模化生產尚需時日。
能源新希望
自然界在成千上萬年裏積聚的“老本”（如石油等各種礦產資源），正在一點點走向枯竭，人類必須積極尋找出路。
從當前來看，新的能源技術給一些地區取得了極大的成功，如某些發達國家的核能發電量已占到了總用電需求的50％以上。
盡管代價頗高，盡管隻是前進路上的“一小步”，但格蘭姆斯及其團隊水變“油”的嚐試，還是讓人類看到了解決資源困境的希望。
114．納米人工骨幫助斷骨再生
難解的骨損傷問題
許過骨損傷患者都夢想有一天骨頭能像身體的其他組織一樣，在受損後進行自我修複。長期以來，許多醫生也致力於修複創傷、腫瘤、感染造成的大範圍的骨缺損，以恢複肢體功能。然而現如今臨床上對大範圍骨缺損的醫治仍是世界難題：采用自體骨移植難以滿足大段骨移植的要求；異體骨移植產生的疾病傳播和排斥反應又令人擔憂；臨床上廣泛使用的各種以金屬、陶瓷或高分子製造的人工骨在生物相容性、生物活性、生物可降解性及與被植入者原有骨的力學匹配性等方麵都有各自的缺點。
於是，設計製造新型骨替代材料成為了解決這一問題的關鍵。
納米材料的引用
骨是最複雜的生物礦化組織，在微米尺度和納米尺度的觀察下，它的結構都是不同的。納米骨仿照人類骨的生成機理，采用自組裝方法製備納米晶羥基磷灰石／膠原複合的生物硬組織修複材料，使複合材料的微結構具有天然骨分級結構，並且具有和天然骨類似的多孔結構，人體對它完全沒有排異反應等副作用。
這種由納米尺度級別材料構成的人工骨還可以根據不同部位骨生長的需要製成不同的硬度，並且植入人體硬組織缺損處降解速率和新骨生成速率基本匹配，修複效果接近植入自體骨。
而且，與原有傳統人工骨材料相比，納米人工骨修複後的骨頭和人體骨完全一樣，不會在體內留下植入物。綜合這些優點來看，納米材料無疑是修複大段骨缺損的理想材料。
實驗的檢驗
納米骨的移植手術已經在我國成功實驗了。一位頸椎損壞十幾年的老人，術前走路都成問題，納米人工骨移植手術之後，他的腿不疼了，腦子也不漲了，術後三天就能走路了。
在這之前，專家們采用納米人工骨完成了在兔子和狗身上進行的長骨、顱骨、頜骨、脊椎骨的大量修複實驗，實驗證明了納米生物材料作為修複材料具有安全有效性，並達到大尺度（４０毫米）的長骨缺損修複。
一位資深骨科醫生說：“對於骨愈合我們需要觀察半年時間，目前來看病人對納米人工骨沒有任何排斥反應。納米人工骨已用於多種骨病的治療，預期可以在全國各大醫院應用。”對於廣大飽受折磨的骨科患者來說，這絕對是一大福音。
幫助人骨複原
人體植入納米骨後，就好像藤會沿著支架不斷生長一樣，人體的骨細胞就會慢慢爬進多孔的生物材料內部，破骨細胞一邊“吃掉”納米骨，成骨細胞一邊鞏固陣地，在納米骨的內部生長起來。隨著時間的推移，骨細胞在納米骨的內部聚集得越來越多，納米骨的材料逐漸被人體吸收，直到最後納米骨完全被人體自身的骨細胞所代替。
專家介紹說，納米人工骨比較輕，如果納米人工骨能正式投入臨床使用，１－２克納米人工骨移植術需要收費一千到兩千元錢，與其他種類的產品價格相近。而且根據不同的需要，現在的納米人工骨可以加工成顆粒狀、柱狀、塊狀等多種形狀，目前專門用於治療骨質疏鬆的可注射的納米人工骨針劑正在研發中。
在我國，每年因為骨腫瘤切除手術後需要進行骨修複的病例就有２５萬例左右。毫無疑問，這種納米人工骨將會改變千千萬萬個因為骨缺損造成傷殘的人的命運。
115．植物產金科學帶你見證奇跡
科學成就“點金術”
數不清的實例告訴我們，在科學家眼裏，什麼都是寶貝，沒有他們辦不到的事情。
可是如果有人告訴你：小麥或玉米裏含有黃金，或者說，作物的禾稈可以變成黃金，你一定還是不敢相信，會認為這是天方夜譚。
可事實擺在眼前，讓你不得不信。近期，美國得克薩斯大學的兩位研究人員就在做從植物裏提取黃金的研究和開發工作。這種“淘金”法不僅真的淘出了金子，還能幫助人們清除環境汙染。
植物居然能產金
美國兩位科學家經過潛心研究，找到了從小麥、紫花苜蓿特別是從燕麥裏提取黃金的方法。他們隻用一種簡單的溶劑就能把人工栽培的作物變成寶貴金屬的來源。
這兩位科學家的“淘金”方法是基於植物具有吸收金屬的能力這一原理。他們認為，這種方法不失為一種從土壤裏開采黃金的廉價辦法：讓生長在土壤裏的植物為正在迅速興起的納米技術提供所需要使用的那種形式的黃金。
據估計，這項技術有可能形成一種全新產業，其產值在未來3年內可達到2．14億到3．70億美元。不過，這兩位科學家奉勸人們，千萬別以為這樣可以發大財，用這種方法“開采”，獲得的黃金數量非常微小，而且這種黃金既不是我們所能看到的金錠，也不是金塊，而是一種黃金粒子，其直徑隻有數十億分之一米。如果你放棄了目前的工作，轉而大規模種植紫花苜蓿，弄不好你會虧本的。
經濟又環保
在當今生物學研究中，黃金粒子被用來作為研究細胞生物過程的一種標識物；在納米技術中，它還被作為納米級電子電路的電觸點（electrical contacts）。可是目前製造黃金納米粒子的方法不但投資巨大，而且製造過程會產生化學汙染，對環境保護極為不利。
這次是第一次有報道的研究人員從活的植物能夠形成這種微型金塊，無疑為製造納米粒子開辟了一條“嶄新的令人鼓舞的途徑”。如果從植物中提取出這種黃金粒子的技術能夠得以推廣，那將“既經濟又有利於保護環境”。
植物不為人知的一麵
事實上，科學家早就知道植物能夠從土壤裏吸收金屬。植物能吸收各種有毒化合物的這一性能，還使得人們把植物當作一種生物吸塵器，用來清除受到砷、TNT和鋅以及具有放射性的銫等汙染的場地。
據一位化學工程教授介紹，從紫花苜蓿裏提取黃金的方法是人們在治理墨西哥城汙染的努力中發現和形成的。他們對植物進行分析後驚奇地發現，金屬在植物裏並不是像人們所想象的那樣處於分散狀態，而是以納米粒子團的形式沉積在植物裏，就像電子工業中的量子點那樣，於是這兩位科學家和他們的同事們很快就從清除汙染研究的項目轉移到了納米技術研究的領域。
植物身上黃金點多多
植物的貢獻遠不止此，它還能用於勘探黃金。研究人員在熱帶地區發現，植物裏含金量的多少，可以作為在土壤裏尋找新的黃金的一種直接標記。特別是當土壤被火山爆發後的塵埃和灰燼覆蓋後，不能對土壤進行直接取樣測試時，依靠植物勘探黃金就顯得特別有用。
科學家利用紫花苜蓿進行了有關實驗，他們讓這種植物的種子在富含黃金的人工生長介質裏生長發芽。依靠 X射線和電子顯微鏡，他們不但在這種植物的幼芽裏觀察到了黃金，還欣喜地發現，這些黃金還形成為了納米粒子黃金
這些科學家還對從植物裏提取其他金屬進行了試驗。他們利用植物“製造”了銀、銪、鈀和鐵的納米粒子。現在他們正在“製造”用於磁記錄的鉑離子。他們認為，要達到批量生產規模，可以通過在室內富含金的土壤裏或者在廢棄的金礦場地上種植植物的方法獲得納米粒子。他們還利用小麥和燕麥進行了對比試驗，結果表明，燕麥是最理想的“淘金”植物。