第一章 纳米原理与功能研究的新进展
本章阐述美国在纳米原理、纳米性质和纳米结构与功能方面的创新信息。21世纪以来，美国在纳米原理领域的研究，主要集中在揭示纳米材料的形成原理，分析纳米材料的演化机制，直接观察纳米尺度下磁性原子的相互作用，运用纳米原理揭示铁电体“敏感”的原因，分析光电转换材料的内在机理，研究爆炸物的内在机制，并打破黑体辐射定律。美国在纳米性质领域的研究主要集中在纳米量子点性质、纳米管性质、纳米材料的医学性质、电子材料的纳米性质。美国在纳米结构与功能领域的研究主要集中在纳米材料结构、其他材料纳米结构，纳米粒子功能、碳纳米管和石墨烯功能，纳米材料的医学功能等。
第一节 纳米原理研究的新成果
一、纳米材料原理研究的新进展
1．揭示纳米材料形成原理的新成果
（1）破解碳纳米管形成的奥秘。2005年2月10日，由美国佐治亚理工学院教授德黑尔领导，法国和巴西科学家参与的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表论文，称他们发现了碳纳米管，实际上是在玻璃态碳表层下形成的碳晶体。
由于碳纳米管具有一些出众的特性，它已成为纳米技术领域最重要的材料之一，但科学界一直对其形成过程不甚了解。该研究小组表示，最常见的碳纳米管生产方法是碳电弧法，也就是用碳电弧将封闭在氦气舱中的石墨加热到5000℃，在一个电极上获得碳纳米管。研究人员曾发现，这样获得的碳纳米管表层有很多微小的碳珠子。
碳珠子是由液体状态的碳形成的，这让科学家提出疑问：为什么液体状态的碳，没能把内层的碳溶解呢？德黑尔指出，原因在于表层的这些碳急速冷却，碳原子没能来得及排列整齐形成晶体，却变成了玻璃态。进一步研究也证实这些微小的碳珠子具有玻璃态的特征，而其内层的碳纳米管具有晶体特征。
德黑尔等人在论文中说，用碳电弧法生产碳纳米管的时候，电弧把石墨加热成了液态碳，其表层的液态碳因为急剧冷却变成了玻璃态，而内部的碳因为冷却非常缓慢，而变成了超冷液态碳。当超冷液态碳冷却到某一临界温度时，便开始结晶成为碳纳米管，而碳纳米管结晶会逐渐伸长，刺破外面包裹的玻璃态碳，玻璃态碳就如同针上的水珠一样，黏附在碳纳米管纤维的表面。
研究人员说，他们在收集碳纳米管的时候，常常觉得它表面的碳珠子很麻烦，后来才认识到，这可能与碳纳米管的形成过程有关。他们认为，这一成果将有助于更好地理解碳纳米管的特性。
（2）揭开“纳米金刚石”的秘密。2005年9月，有关媒体报道，在新型纳米材料中，有一种是以金刚石作为表面涂层的纳米导管，它是未来世界最具发展潜力之一的新材料，将对未来科技发展产生巨大作用。近日，美国阿贡国家实验室研究员阿曼达·巴纳德领导的一个研究小组对这种新型材料进行了深入研究，并且深入分析了它的制备过程。
巴纳德一直从事纳米材料的研究。这种以金刚石为表面涂层的新型材料是由意大利罗马大学和罗马杜维嘉大学的研究人员在2004年共同发明的。目前，这两所大学的研究人员正与巴纳德一起，对这种新型材料进行深入研究，为将来大规模生产作准备。
这种纳米导管就像一块市面上常见的雪糕，表面包裹着20～100纳米厚的金刚石材料。它已引起社会各界的广泛关注。
这种材料的诱人之处，在于其表面覆盖的一层金刚石粉。它将给普通纳米导管带来许多令人惊讶的物理性质。一般的金属分子可以附着在这层金刚石涂料上面。这层金刚石还具有极好的光散发性能。金刚石是一种绝缘材料，但是它的表面又呈现出很强的负电性。纳米金刚石导管的表面由高纯度的金刚石组成，这就使得纳米金刚石导管及其上级电子元件之间产生导电性，它们之间可以有电流通过。加上纳米金刚石导管具有的良好光散发能力，以及它极低的电压要求，使得这种新型材料可以用来制作高科技平面节能电视。
巴纳德说道：“这种新型材料具有良好的导电性和更有效的光散发能力，这些性质使它可生产更精密、更节能的设备。”目前，世界上许多研究人员都在寻求制造电子显示设备的更好材料，而这种新型材料具有很大的发展潜力，或许就是科学家们要找的材料。
意大利研究人员在研究过程中发现，在某种特定情况下，纳米导管会由于氢原子的作用而改变其表面上的碳原子化学结构，使之转变为一层金刚石。但是他们并不知道纳米导管的表面在特定情况下转变为金刚石涂层的机理。他们为了找出其中的机理，找到了巴纳德，期望纳米材料研究领域的专家巴纳德，能够带领他们更好地研究这种新型材料。
巴纳德在2003年10月发表了第一篇关于纳米金刚石导管的研究论文。她的理论得到意大利研究人员的认可，她于2004年3月受邀请与意大利研究人员共同进行研究。
巴纳德说：“这些研究人员可以制造出这种新型材料，但他们并不清楚这种材料的具体制备过程，以及制备原理。”
巴纳德经过仔细实验，以及计算后得出结论：在通常情况下，氢原子在腐蚀碳纳米导管的过程中，会使导管表面的碳原子相互分散。但是，在某一特定的氢浓度条件时，这种腐蚀则会使得碳纳米导管表面产生金刚石结构。碳纳米导管表面的缺陷可使得金刚石分子之间相互紧密结合，并帮助导管不断延长。
2．分析纳米材料的演化机制
（1）用计算机模型预测纳米管破裂机制。2006年3月，由机械工程学、材料学，以及化学教授鲍里斯·雅科布森领导，由来自莱斯大学和明尼苏达大学材料科学研究人员组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》网络版上发表论文称，他们使用计算机建模的方法，构建了一幅“强度图”，来模拟纳米管破裂的可能性和概率，了解到纳米管破裂是基于四个基本的变量。
从理论上说，碳纳米管的强度要比钢硬100倍。但在实际应用中，科学家们正努力使纳米管达到这一标准。部分原因是因为，目前人们对纳米管到底是如何破裂，以及在什么情况下才会破裂等一系列问题，还不是很清楚。由于纳米管属于单分子结构，约为人类头发丝的八万分之一大小。要使纳米管破裂涉及一系列问题，如对分子间联结、原子动力学，以及复杂量子现象等问题的研究。实际的情况是，纳米管的种类有数百种之多，通常各种纳米管之间的复杂性不同，而且其特性也有很大差异。
雅科布森说：“纳米管破裂有两种形式：要么特别脆，可以一折就断；要么比较有韧性，受力后纳米管变形。这取决于纳米管分子的联结情况。我们发现，引起两种破裂形式的潜在机制，几乎在同时都展现了出来。甚至在个别测试中，任何一种破裂都可能发生，但通过概率统计，我们还是绘制出了其中的一种形式，这是所有的纳米种类在大部分情况下都可能发生的破裂情形的统计。”
碳纳米管属于单个纯碳原子结构。它们是一种长而狭窄的中空圆柱结构，厚度仅有一个原子大小。科学家估计，这种单层碳纳米管与钢材比起来，不仅强度硬100倍，而且重量也只有钢材的六分之一。而目前广泛用于防弹衣的凯夫拉尔纤维，与同等重量的钢相比，强度只比钢材硬5倍。
纳米管的精确直径可以从半纳米以下到3纳米以上。纳米管也可能由于卷曲的角度而有所不同。科学家称这种角位为手性角，一个很好的例子就是礼品包装纸的卷曲。如果将纸十分小心的卷成管状，使两个纸边正好重合，那就不存在突出部分了。然而，如果卷得多了，那么总有一边超出另一边，这一超出的角度就称为手性角。纳米管的手性角可以从0度（两边正好重合）到30度之间变化，于是使得不同手性和直径的纳米管，其本身的物理属性也有很大不同。例如有些是金属性，另一些则不是。
雅科布森研究小组为了改进对纳米管破裂形式的计算机模型，考虑了四种临界值：负荷水平、负荷持续时间、温度，以及手性。原莱斯大学的博士后研究员，现为明尼苏达大学机械工程学助理教授的特雷恩·多米特里加，他同时也是论文的合著者，他说：“个别纳米管的破裂机制，很大程度上取决于其固有的卷曲属性，也就是其手性。然而，温度条件仍然对结果产生影响。我们在计算机模拟的 ‘强度图’中概括了手性依赖的参数，这一方法为材料科学研究提供了一个很好的预测性模拟。”
（2）用动能学解释纳米晶体的“自净化”机制。2006年6月9日，美国得克萨斯大学的古斯塔沃·达尔平和杰姆斯·车里柯斯基在《物理评论快报》杂志上发表文章，声称他们用动能学原理揭示了纳米晶体的“自净化”机制。
半导体纳米晶体的掺杂，将很可能成为纳米技术广泛应用基础。但是微小的纳米晶体趋向于抵制杂质，所以，研究人员必须找到办法，克服纳米晶体的这种“自净化”机制，然后对它们掺杂。
达尔平说：“人们通常认为，纳米晶体因其有限的大小，而具有较少的缺陷。纳米晶体具有很小的体积，且近乎都是表面，缺陷很容易被清除。杂质几次跳跃后，就会跑到纳米晶体的外面。”
2005年，欧文等提出，用晶体的拓扑学和杂质绑定在表面的难度来解释纳米晶体的掺杂很困难。他们发现纳米晶体越小，绑定能量越少，掺杂就越困难。
达尔平和车里柯斯基认为，研究半导体纳米晶体的掺杂，需要了解其动力学、热力学和动能学的特性。他们用纳米晶体中形成杂质所需要的能量来解释纳米晶体的自我净化趋势，希望从而能够找到增强这种材料性能的新方法。
达尔平说：“欧文证明了，在富含阴离子的溶液环境中，可以更多地向纳米晶体中掺杂。他们认为，晶体存在形变使杂质的绑定能量增强。我们认为，纳米晶体的掺杂难度也可以从动能学的角度解释：在富含阴离子的溶液环境中，缺陷的形成能减少了。”他继续说：“在理论上，动能学的观点要好些，因为它更简单。在我们的模型中，假设体系处于热力学平衡中，我们只需要知道缺陷的形成能。”
当一个杂质进入纳米晶体的能量带隙中，会出现一条能级。能级和结构特性一同影响杂质的形成能。达尔平和车里柯斯基发现，缺陷的结构特性不受纳米晶体尺寸影响，而带隙中的能级却随着晶体的减小而降低。较小的纳米晶体含有更低的杂质能级，掺杂时需要更多的能量，从而使缺陷的数量更少。这种解释支持了认为自净化是纳米晶体的一种内在属性，但是也是可以克服的观点。
达尔平同样建议，样本应该在富含阴离子的溶液中生长。因为在富含阴离子的环境中，阳离子不足，杂质更容易占据阳离子的位置。
二、电子材料纳米原理研究的新成果
1．微电子纳米原理研究的新进展
（1）直接观察纳米尺度下磁性原子的相互作用。2006年7月27日，美国爱荷华大学、伊利诺斯大学和普林斯顿大学组成的一个研究小组在《自然》杂志上发表论文称，他们直接观察到半导体芯片上间距小于一纳米的两个磁性原子间的磁相互作用。这项成果使研究人员离实现高级半导体芯片的目标又近了一步。这种芯片将利用电子的自旋性质来处理信息，也就是自旋电子学。
伊利诺斯大学物理与天文学系教授米纤尔·傅莱特说：“根据自旋电子学，一块计算机芯片可以完成处理数据和长时间存储数据的任务，而不用CPU和硬盘来分别实现。而且数据处理过程可以更快，能耗更少。”
大约20年前，IBM的研究人员们发现普通的半导体材料砷化铟，在掺入极少量磁性原子后在低温下显示出磁性。他们掺入的磁性原子是锰，那之后其他的磁性半导体迅速涌现。手机中使用的磁性半导体材料砷化镓掺入锰原子后呈磁性，但是也要在零下88度才有效。为了在未来的计算机芯片中得到应用，像砷化镓锰等磁性半导体材料必须在更高的温度下纯净地实现，而且阻抗要小。
傅莱特说：“在纳米尺度下实现磁相互作用将有利于设计出更好的磁性半导体材料，以及它们在电子工业中的应用。”他与伊利诺斯大学助理研究员唐建明预言了磁相互作用可以通过扫描隧道显微镜成像。
傅莱特与唐建明预言，磁性相互作用强烈地依赖于半导体的晶格结构。一些位置相互作用很强，而另一些地方却很弱。锰原子掺入砷化镓后会出现在很多不同的晶格上。在统计上观察两个相隔不到一纳米的锰原子是很困难的。
傅莱特研究小组采取的是一种完全不同的方法来观察磁相互作用。他们一次只在纯净的砷化镓中掺入一个锰原子。普林斯顿大学物理教授阿里·雅兹达尼说：“利用扫描隧道显微镜的探针，我们可以一次只在基底材料上移动一个原子，再用金属原子替代它的位置，这样基底材料就有磁性了。”这是科学家们首次对原子尺度的半导体材料进行操作。
扫描隧道显微镜与普通的光学显微镜不同，它有一个非常精确的点状探针。探针可以在材料表面扫描，通过电场的变化来探测材料表面结构。但是雅兹达尼的实验室发现带电探针可以用来提取单个镓原子，然后用锰原子替代它的位置。
通过掺入锰原子，研究人员们创造出一个原子尺度的实验室，它能对芯片中原子和电子相互作用进行精确成像。该研究小组利用他们的新技术，发现锰原子的最优化排布与傅莱特和唐建明的预言一致。
傅莱特指出，接下来需要把这项新研究的结果用于芯片技术中去，可是利用扫描隧道显微镜制造出大面积的高质量砷化镓锰却并不太现实。但是从锰原子的最优化排布中学到的经验，可以用于其他的磁性半导体材料的生长技术中去。
（2）首次拍下不到1纳米的电子材料单个分子照片。2009年8月，《每日邮报》报道，由IBM公司项目首席科学家利奥·格罗斯领导，格哈德·梅耶等研究人员参与的研究小组，首次拍摄到电子材料单个分子的照片，而一个分子要比一粒沙小百万倍。借助原子力显微镜，研究人员把单个并五苯分子的照片呈现在人们面前。在照片中，并五苯分子看起来像蜂巢一般，呈栅格状。
格罗斯说：“这是首次拍摄下一个分子内所有原子的全家福。”照片显示了并五苯分子的原子连接方式。并五苯常用于太阳能电池制造。它的分子结构呈矩形，是一种有机化合物，由22个碳原子和14个氢原子组成。
在科学家拍摄的并五苯分子照片中，5个六边形碳环结构清晰可见，甚至环绕碳环的氢原子也能看到。事实上，并五苯碳环之间的间隙非常狭小，只有0.14纳米，是一粒沙子直径的百万分之一。
梅耶说：“如同医生利用X射线为患者的内脏和骨骼拍照一样，我们通过原子力显微镜为原子结构拍照，这是组成单个分子的主干。”IBM苏黎世研究中心的研究小组表示，这一科研成果具有重要意义，对纳米科技将会产生深远的影响。
对单个分子观测拍照，除了要用到最为先进的原子力显微镜外，还必须在零下268℃的真空环境中进行。之所以这样做，是为了避免“来回游荡”的空气分子影响到测量和摄像的准确度。
梅耶说：“我们从事这项研究的最终目的，就是希望能在分子电子学上取得突破。这样我们将来就能制造出尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片，甚至制造出能放在针尖上的芯片也不是没有可能。”
2．以纳米原理研究铁电材料的新发现
运用纳米原理研究铁电材料，发现铁电体的“敏感”来自其材料内部的混乱。2008年5月11日，由美国国立标准化与技术研究所（NIST）的彼得·格林牵头，美国布鲁克海文国家实验室徐光勇，以及约翰·霍普金斯大学的研究人员一起参与的一个研究小组，在《自然·材料学》网络版上发表的研究报告称，他们运用纳米原理，为弛豫铁电体材料对机械压力或电压的极度敏感性找到了相应的解释。
研究人员认为，对弛豫铁电体材料敏感度的控制和“裁剪”能力将有助于提升一大批工业设备的性能，比如医学超声波成像仪器、扩音器、声纳，以及计算机硬盘等。
弛豫材料是一类固体压电材料，它们会在端电压存在时改变形状，或者在受到挤压时产生电压。格林解释道：“弛豫材料的敏感度高出其他任何已知的压电材料10倍”。它们可以实现机械能和电能的低损转换，因此极为有用。
格林研究小组利用美国国立标准化与技术研究所的中子散射设备，以纳米原理为基础，研究了弛豫铁电体材料系统内部的原子“声振动”，如何响应外部施加的电压。结果发现，内在混乱状态是造成弛豫材料特殊性质的显著因素。对此次研究而言，这种混乱是由三种带不同电荷的元素——锌、铌和钛的原子晶格，随机交替引起的。
固体中的原子通常都是以完美的晶格排列，它们在这些位置的附近振动并以声波的形式传播能量。在典型的压电材料中，这些声振动持续很长时间，就像石头投入湖中激起的层层波纹。而在弛豫铁电体材料中，情况大不相同：声振动很快就会消失。最新研究发现，弛豫铁电体中特有的极性纳米区（它对铁电体的介电性质起重要作用）会极大地影响材料自身的化学结构。极性纳米区与声子传播也有很强的相互作用。研究小组对比了声子在不同方向的传播形式，并观测到极性纳米区会导致弛豫材料晶格在外电压作用下表现出很大的非对称性。
格林说，“我们认识到，晶格的内在化学混乱影响着该材料的基本组织和行为。”它破坏了声振动，这造成材料结构的不稳定性，以及对压力和电压的极度敏感。
3．光电转换材料纳米原理研究的新进展
（1）发现纳米水晶可以提高光电转换率。2006年6月，有关媒体报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室一个研究小组利用光束照射直径仅为几个纳米的量子点（也称纳米水晶或半导体微片），结果发现，一个光子能够在量子点中产生多个电子。
研究人员在最近完成的试验中采用直径为8纳米的硒化铅量子点取得迄今最好的成绩：在紫外线光波的照射下，每个光子能在硒化铅量子点中产生7个自由电子。
过去几十年中，研究人员发现，虽然许多光子具有足够的能量在半导体材料中产生多个自由电子，但在实际的光电转换中一个光子通常只能对应一个自由电子的产生。其原因在于，在光子作用下产生的自由电子往往会与其周围的原子发生碰撞，结果是导致原子发生振动，产生的热量消耗了电子多余的能量，而没有产生更多的自由电子。
（2）发现可提高光电效能的黄金纳米粒子微观通道。2012年2月，美国莱斯大学化学和电气系副教授斯蒂芬·林克等人组成的研究小组，在《纳米快报》杂志上发表论文称，他们发现黄金纳米粒子的微观通道可通过暗等离子体振子传输电磁能量，或将大幅提升光电设备的效能。
研究小组开发出一种在玻璃上“打印”产生黄金纳米粒子细线的方式。这些纳米粒子线能从一个纳米粒子把信号传给几微米外的另一个纳米粒子。传输间距远高于此前的实验成果，效果与使用黄金纳米线进行传输大致相当。
研究人员利用电子束把微小的通道切割成玻璃基板上的聚合物，以让纳米粒子线成形。黄金纳米粒子通过毛细作用力沉积在通道内，当剩余的聚合物和杂散的纳米粒子被冲走后纳米粒子线形成，粒子则留在距离纳米线几纳米之外。这些粒子都聚集于拥挤不堪的线型链中，较小的粒子间距能产生强劲的电磁耦合，引发低损耗“亚辐射”等离子体振子的形成，这可促进能量传播的距离达数微米。
等离子体振子是一种可在金属表面移动的电子波，就像池塘中的水被干扰时一样。这种干扰可由光等外部的电磁源引起，相邻的纳米粒子将在电磁场互相作用的位置相互耦合，支持信号从一个粒子传输至下一个粒子。而暗等离子体振子没有纯粹的偶极矩，因此其无法与光结合。
为了验证究竟能传输多远，研究小组为15微米长的粒子线涂上了荧光染料，并利用光漂白的方法，来测量由激光所激发的等离子体振子的传输距离。结果显示，等离子体振子的传播能量随距离增加呈指数递减。在传输4微米后，所测的强度值仅为最初的1/3。虽然这样的传输距离仍比传统的光波导短，但在微型电路内只需要覆盖较小的长度尺度。未来或可将放大器应用于系统之中，以增加传输距离。
林克表示，银纳米线具有比黄金更好的等离子体振子波运载功能，传输长度可达15微米。如果未来以银纳米粒子进行实验，则可应用于更复杂的结构，或是利用纳米粒子波导与其他纳米结构部件连接。
三、运用纳米原理拓展的新成果
1．在纳米尺度上研究爆炸物的内在机制
2006年8月29日，《纳米通信》网络版报道，由美国乔治亚工学院机械工程学院威廉·金、德克萨斯工学院化学工程系布兰登·威克斯等专家组成的一个研究小组，利用世界上最小的受控加热器，微原子力显微镜（AFM）悬臂研究纳米尺度的爆炸物内在机制。该技术为我们了解爆炸物在微小尺度上的熔化、蒸发、分解现象提供了新的信息。
爆炸材料广泛应用于建筑、采矿等多种商业领域。但由于其危险性，爆炸材料内在机制的物理属性研究一直是个难题。
威廉·金解释说：“科学家往往想设计有特殊反应的高能材料，比如在特定温度下提供特定的燃烧率。在我们的测量技术出现前没人能在纳米尺度研究这些属性。利用我们的数据，就可以建立关于其性能的物理模型，不必再依赖于利用宏观尺度观察做出的推测。”
研究人员用硅制造悬臂并在上面安装了一个电子反射加热器，它能够产生最高1000℃的高温，控制精度可以接近于1℃。利用原子力显微镜的探针可以对直径只有几微米的圆形区域进行加热，因此研究人员可以对多晶高能材料 [如泰胺（普通爆炸物）薄膜] 进行纳米尺度的热力学分析。研究人员已经对100纳米到几微米的泰胺材料的熔化、蒸发和分解过程进行考察。由于研究的量很小，实验室没有爆炸的危险。威克斯表示，他们研究的用量只是最基本的爆炸所需用量的千分之一。
威克斯说：“我们已经证明，可以在纳米尺度控制高能材料的形态，并且测量其纳米属性。我们的目标是通过对微量材料研究能以一种非常安全的方式测量出它的属性，并外推其更大量时的属性。目前，除了军事用途外，对高能材料的纳米属性研究非常少。”
高能材料晶体间距被认为在快速分解（爆炸）中扮演着重要角色。引爆时，这个间距是爆炸的关键，它会在温度、体积和压力上发生增长，进而发生爆炸。威克斯说，这个间距的形成并不直接受控于材料的合成。但在纳米尺度理解爆炸将使我们更好地控制合成过程，制出更好的爆炸材料。他说：“我们想控制高能材料的纳米属性，从而理解其小尺度的物理行为，使材料更安全。也许我们可以设计泰胺等材料的特性，使它对特定刺激因素敏感。如果缺乏这个刺激因素，这个材料就不再表现为爆炸物。”
研究人员在实验室中利用原子力显微镜研究泰胺薄膜，通过调整悬臂的扫描位置可以把材料加热到不同温度，从而观测其熔化、蒸发和分解比率。
威廉·金说：“通过控制探针扫描路径，我们能使材料由液态返回固态，这时它会具有不同的晶体结构。这使我们可以在纳米功能尺度上控制晶体结构。”高能材料的晶体结构会随时间发生改变，这会改变材料属性，降低爆炸效率。
研究人员表示，该技术还可用于高能材料之外的材料研究。威廉·金说：“利用这一技术，我们能对以前不能测量的材料进行微尺度的热力学属性研究。如果我们在纳米尺度上了解这些材料，我们就能在更大的尺度上设计它。”
2．运用纳米原理首次打破黑体辐射定律
2009年8月，美国麻省理工学院动力工程学华裔教授陈刚领导的一个研究小组，运用纳米科学原理首次打破“黑体辐射定律”的公式，证实物体在极度近距时的热力传导可以比定律公式所预测高一千倍。
德国物理学家普朗克在1900年所创的“黑体辐射定律”，是公认的物体间热力传导基本法则，虽然有物理学家怀疑此定律在两个物体极度接近时不能成立，但始终无法证明和提出实证。
普朗克的“黑体辐射定律”创定在不同温度下，此定律在绝大多数情况下都成立，但如何在极微小的距离中稳定控制物体，达成能量传导的测试有极高的困难度。百多年来，科学家始终无法突破。而普朗克也对此定律在微距物体间是否仍成立持保留态度。
陈刚是知名的纳米热电材料和流体学者。他的研究小组采用方位较易控制的小玻璃珠对着平面物体的方式，取代在纳米距离中根本不可能不碰触的两平行平面体；并采用双金属臂梁原子能动力显微镜去精准地测量两物体间的温度变化。
麻省理工学院发表公报说，陈刚研究小组的研究成果证实科学家所预言但无法证实的理论，已获得国际间同领域学者的喝彩。
此项发现让人们对基本物理有了进一步的了解，对改良计算机数据储存用的硬盘“记录头”，以及发展储聚能源的新设计等工业应用十分重要。
陈刚说，目前计算机使用的硬盘记录头与硬盘表面，有5～6纳米的距离，“记录头”容易发热，而研究人员一直在寻找控制热力的方法。热力传导和控制是磁力储存领域十分重要的一环，此类应用也将因陈刚研究小组的发现而迅速发展。
新的发现也能帮助开发新一代的能源转换装置。除了实际的应用，陈刚说，此研究还提供对基本物理进一步了解的有用工具。
第二节 纳米性质研究的新成果
一、纳米材料一般性质研究的新进展
1．纳米量子点性质研究的新发现
发现纳米量子点能够互相通信。2006年2月，由俄亥俄大学博士生艾哈迈迪与物理学教授塞尔吉奥·乌略亚共同完成的一项研究成果刊登在《应用物理学通信》上。他们认为，从本质上看，量子点也能互相交流。
量子点很小，直径不过5纳米。作为比较，生物细胞的平均直径约为1000纳米。研究人员相信量子点在开发纳米技术中的作用非常重要，因为它们具有通用性和一致性，这排除了材料可能的变化和瑕疵。
研究人员在最近的研究中，首次使用理论模型来展示如何使用光能照射量子点，并促使它们以连续方式传送能量。他们发现当量子点互相被间隔一定距离时，大于量子点半径在纳米晶体间传播的光波以一致方式进行。在先前的研究中，在能量交换期间，光的波长会发生变化或变得无规律，而导致在量子点中通信崩溃。
最近的实验结果表明，可以通过光波来传输信息，这是研制光量子电脑的基础。在这样的设备中，使用光来代替目前传统电脑中传输信息的电荷。艾哈迈迪表示：“采用这种方法可以让电脑的处理芯片变得更快并更小。”
乌略亚称，新型量子点技术的运用领域还包括医疗成像。可以把量子点注入患者体内，再使用包含更多量子点的设备来显示皮肤下面量子点的位置。目前，这方面的研究已在老鼠身上获得了很大成功。量子点的副作用要小于X射线检查中所使用的化学药剂，最终甚至可能完全代替传统的药剂。
2．纳米管性质研究的新发现
（1）发现纳米管可释放电子。2004年9月，美国波士顿学院和佛罗里达国际大学的科学家观察到生长在粗糙碳布纤维表面的纳米管在低电场的条件下可以释放电子束，而利用此技术可制造出高效率的显示设备。
纳米管是一种由碳原子卷曲而成的管状结构，它的直径小于一个纳米。科学家们发现，当纳米管在粗糙的碳布纤维表面生长时，纳米管就会发生变形，形成很多断裂点，当处于低电场的条件下，电子束可从纳米管的断裂点被释放出来，形成电子流。目前科学家经过测定，在每微米只有0.2伏的条件下，纳米管就可以释放电子。
令科学家兴奋的是，这种破碎的纳米管释放电子的效率高于碳布纤维和纳米管本身的效率，如果采用这种技术让纳米管在粗糙的玻璃表面生长，未来可以制造出发光效率极高的显像设备。
（2）发现“纳米管水”近热力学零度时也不结冰。2005年6月，由美国阿贡国家实验室亚历山大·科列斯尼科夫博士及其同事组成的一个研究小组，发现了水的一种新状态，在这种状态下，即使接近热力学零度时，它也不会结冰。
实验发现，纳米管内的水会形成像某种冰硬的结构，但是又能像液体一样流动，这种结构在性能上与普通的冰或液体不同。在外形上，该结构很像带有水分子与碳壁间隙为0.32纳米碳管内部的环形“垫片”。这种物质在比热力学零度高8℃时仍保持液体的流动性，能沿纳米管流动。
同时查明，所谓的水分子坐标数减少，从正常的3.8减少到1.86，也就是说，氢键的自由度明显减少，由邻近水分子形成不同空间结构的能力也减弱了。
研究人员把水的新状态称为“纳米管水”，对“纳米管水”的研究还将继续。科学家表示，“纳米管水”将在物理学和生物学中得到应用，因为在生物机体里，水也会进入特殊环境中，这时会沿毛细管流动或通过细胞膜。
（3）发现碳纳米管存在独特的“遥感焦耳热效应”。2012年4月，有关媒体报道，由美国马里兰大学卡莫·巴洛奇主持的一个研究小组，发现了一种全新的只在纳米领域才有的“遥感焦耳热效应”：当碳纳米管通电时，其附近物体会发热，而纳米管本身却仍然是冷的。研究人员指出，理解这种现象有望带来一种全新的计算机处理器制造方法，它能以更快速度运行却不会过热。
焦耳效应已广为人知，给一根金属线通电时，其中的自由电子会在原子之间来回反射，使原子振动而发热。研究人员想看看给碳纳米管通电时的焦耳效应。他们利用该校材料科学与工程系副教授约翰·卡明斯实验室开发的电子热显微镜技术，绘制出纳米电设备产生热量的位置，观察碳纳米管的通电效果，看热量是怎样沿着碳纳米管传播到金属接头上去的。结果却发现，热量直接跳到碳纳米管下面的氮化硅底片上，将底片加热了。他们把这种现象称为“遥感焦耳热效应”。
巴洛奇说：“这是我们观察到的一种全新现象，只在纳米尺度才有，完全与我们的直觉相悖。碳纳米管的电子不断地从某种东西上反射，这种东西不是它的原子，然后邻近的氮化硅底片上的原子就振动起来，获得了热量。”
研究人员解释道，这与用微波炉加热食物并不完全相同。他们只是给纳米管通电流，并没有故意产生微波场，这应该会让碳纳米管本身发热，而实际上却没有。碳纳米管的电子怎样从远处振动了底片材料的原子，其原因尚未明确。他们推测，还有一个“第三方”：电场。卡明斯解释说：“我们认为，碳纳米管的电子由于通电而产生电场，底片原子是直接对这些电场起反应，能量的传递是通过中介电场发生的，并非由于碳纳米管电子对底片原子的反射。”
将来，这种“遥感焦耳热效应”能应用于计算机技术。研究人员下一步将确定该效应是否为碳纳米管所独有，如果其他材料也有，那么它们的共性是什么。卡明斯解释说：“氮化硅能以这种方式从通电碳纳米管上吸收能量，我们还想测试其他材料，如半导体和其他绝缘体。真正理解了这种现象的原理，我们就能结合热量管理设计出新一代的纳米电子设备。”
二、纳米材料医学性质研究的新进展
1．纳米材料形状医学特性研究的新发现
通过比较纳米颗粒的不同形状，发现圆柱形纳米颗粒在患者体内运输药物效果优异。
2007年4月，由宾夕法尼亚大学医学院和工程及应用科学学院迪斯凯尔教授等人组成的一个研究小组，发现了一种更好地把药物输送到肿瘤组织去的方法。他们能利用一种圆柱形的纳米颗粒将药物持续地输送到动物肺癌组织，而且持续时间是之前所用的球形颗粒的10倍。这些发现对药物输送有着重要意义，并且也能帮助科学家更好地了解柱形病毒，例如埃博拉，以及H5N1禽流感。
2．研究纳米材料对基因影响的新成果
（1）实验证实二氧化钛纳米粒子具有可遗传毒性。2009年11月，由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校强森综合癌症研究中心，病理学、放射肿瘤学和环境卫生科学教授罗伯特·席斯特尔带领的一个研究小组，在《癌症研究》杂志上发表研究成果称，他们经过综合研究后得出结论，在日常生活中随处可见的二氧化钛纳米粒子会造成小鼠全身性遗传损伤。该发现再次引起人们对纳米粒子安全性的关注。
过去，二氧化钛纳米粒子被视为是无毒的，因为它们不会激起化学反应。但席斯特尔研究小组的研究表明，二氧化钛纳米粒子一旦进入体内会在不同器官中累积，导致单链和双链DNA断裂，并造成染色体损伤，以及炎症，从而增加患上癌症的风险。
研究人员给实验小鼠的饮用水中加入二氧化钛纳米粒子，在饮用这种水后的第五天，小鼠体内便呈现出遗传损伤。
席斯特尔指出，钛本身具有化学惰性，但当粒子变得越来越小后，反过来其表面相应会变得越来越大，粒子表面与环境间相互作用会引发氧化应激反应。这些粒子太小，可以到达身体的任何部位，甚至可以穿过细胞，并干扰亚细胞机制，而身体却没有办法来消除它们。
这是一种新型的毒性机制，亦是一种物理化学反应。席斯特尔说：“可能某些自发性癌症就与暴露在这些粒子之中有关。对于这些纳米粒子，有些人会比其他人更敏感。我认为，人们对这些纳米粒子的毒性研究还不充分。”
席斯特尔称，研究首次显示了纳米粒子具有如此效果。他说：“这是第一个关于二氧化钛纳米粒子引发的遗传毒性的全面研究。这种遗传毒性可能来自于发炎或氧化应激相关的次级机制。目前这些纳米颗粒的应用在逐渐扩大，此类发现引起对于其潜在健康危害的关注。”
接下来，席斯特尔研究小组将继续研究，分析有DNA修复缺陷的老鼠暴露在这种纳米粒子环境下的状况，希望能找到一种方法来预测哪些人会对这类纳米粒子特别敏感。
（2）发现核糖核酸递送纳米粒子系统能关闭特殊基因。2012年9月，由美国麻省理工大学卫生科学与技术教授桑吉塔·巴蒂雅与哈佛大学达纳·法伯研究所癌症基因组发现中心主任哈恩、布罗德研究所研究人员等一起组成的一个研究小组，在《科学·转化医学》网络版上发表研究报告称，他们利用核糖核酸（RNA）介入（RNAi）方法，开发出一种RNA递送纳米粒子系统，能大大加快筛选抗癌药物标靶进程。首个小鼠试验显示，一种以ID4蛋白为标靶的纳米粒子能缩小卵巢肿瘤。
通过对癌细胞基因组进行测序，研究人员发现了大量基因变异或被删除。这对寻找药物标靶来说是个福音，但对测试标靶来说，却几乎成了不可能的任务。巴蒂雅表示，这种纳米粒子系统克服了抗癌药物开发中的瓶颈问题。他说：“我们所做的是努力建设一条管线，在这里你可以测试所有的标靶，然后通过小鼠模型筛选出重要标靶。你可以用RNA介入的方法确定想要进入临床试验的标靶的优先顺序，或者开发抵抗它们的药物。”
自20世纪90年代末发现RNA介入以来，科学家一直在研究怎样利用这一过程来治疗癌症。但要找到一种安全有效地瞄准肿瘤的方法，尤其是让RNA进入肿瘤还有很多困难。
在实验中，研究人员把目标集中在ID4蛋白，因为在约1/3的高侵略性卵巢肿瘤中，这种蛋白都被过度表达。该基因显示出与胚胎发育有关：它在生命早期已经关闭，不知什么原因在卵巢肿瘤中被重新激活。
他们设计了一种以ID4为标靶的RNA递送纳米粒子，能同时瞄准并进入肿瘤，这是以往的RNA介入方法做不到的。其表面标记有一种短链蛋白片断，这让它们能进入肿瘤细胞，这些蛋白片断会被拉向肿瘤细胞中一种特殊蛋白p32。研究人员还发现了许多这类片断，纳米粒子外面有一层膜，内部是RNA链与蛋白质的混合。粒子进入肿瘤细胞后，蛋白质-RNA混合物能穿过膜层进入细胞内部，开始破坏mRNA。经过对卵巢肿瘤小鼠的实验，研究人员发现，通过RNAi纳米粒子治疗能消除大部分的肿瘤。
在潜在标靶中，有许多蛋白无法与传统药物结合，而新粒子能递送RNA短链关闭特殊基因，使科学家能继续“追捕”这些“没有可能”的蛋白。哈恩说：“如果这一方法能在人体内发挥作用，将再打开一类全新的药物标靶。”
该研究小组研究的目标是开发一种“混合与剂量”技术，通过混合不同的RNA递送粒子瞄准特殊基因。目前，研究人员正在用纳米粒子系统测试其他可能的卵巢癌标靶和包括胰腺癌在内的其他类型癌症，并在研究将ID4-标靶粒子开发为一种卵巢癌疗法的可能性。
3．研究纳米材料与蛋白关系的新发现
（1）发现可当医学传感器的纳米级蛋白分子开关。2004年11月，由约翰·霍普金斯大学马克·奥斯特梅耶教授领导的一研究小组，在《化学与生物学》杂志上发表论文称，他们通过对一种早期的模型进行改进，发现了一种用两个不相关的蛋白创造出一个分子开关的新途径。这种分子开关是纳米级的“设备”，其中的一种生化成分控制着另外一个的活性。实验证明，这种新开关是早前模型效率的10倍，并且它是可重复利用的。
该研究小组在此前的一项研究中，证明创造出一种融合蛋白是有可能的，并且这种融合蛋白中的其中一个成分能够控制另外一个成分去执行任务。
他们在较早的实验中把两个通常不会反应的蛋白：β-内酰胺酶和麦芽糖结合蛋白连接在一起。因为每个蛋白都有自己明确的活性，因此很容易监测。研究人员通过一个“剪切与粘贴”过程把β-内酰胺酶插入到麦芽糖结合蛋白的不同位点上。在改进的新方法中，研究组把β-内酰胺酶链的两个天然末端连接起来创造出一个连续的分子环。然后，他们在β-内酰胺酶插入麦芽糖结合蛋白之前，随机剪断这个带状物。这种称作随机环状排列的技术增加了两种将要融合的蛋白能够互相交流的可能性。因此，其中一种成分更有可能传递给另外的分子一个强大的信号。
新发表的文章显示，该研究小组用这种技术制造出大约27000个不同的融合蛋白。在这些蛋白中，他们分离出了一种分子开关。他们还证明这种开关能够被关闭。奥斯特梅耶相信，这种分子开关技术还能够用于制造检测癌细胞和给药的医学设备和传感器。研究小组正在尝试创造出一种荧光分子开关。
（2）发现使纳米粒子形成牙釉质的关键蛋白。2011年8月，美国《国家科学院学报》网站发表了匹兹堡大学牙科医学院一项有关牙齿釉质研究的成果。文章称，牙齿釉质是生物体中含矿物质最多的组织，硬度高且再生能力强。研究人员正在探索牙齿釉质的形成过程，希望以此开发出功能更强的生物性纳米新材料。
研究人员指出，牙齿釉质通过生物矿化作用形成，它们具有高硬度和复原能力，这是因为它们拥有一种类似复杂的陶瓷微纤维的独特结构。研究者说，当牙齿生长成形后，釉质就开始生长，微小的矿物晶体悬浮着。他们实验中再现了釉质形成的早期阶段。在此过程中，有一种名为釉原蛋白的蛋白质发挥了关键作用。
研究小组发现，釉原蛋白分子的自行组装是逐级进行的，先形成一种较小的低聚材料，再由这些低聚材料组成更复杂的高级材料。它们先将微小的磷酸钙粒子稳定地连在一起，就像把一系列小点连成线，这个过程是牙齿和骨骼形成釉质的主要矿化阶段，然后再把线排成平行阵列，排列完毕后，纳米粒子就会融合在一起形成结晶，成为高度矿化的釉质结构。
研究人员指出，釉原蛋白的自行组装能力在指导纳米粒子点连接的过程中发挥了关键作用，纳米粒子点再连成复杂的高度有序化的结构。研究并模拟这一过程能帮助我们用生物分子构建纳米级的矿物材料，为牙科领域和其他应用带来新的纳米技术和生物纳米材料。
4．研究纳米材料对细胞影响的新发现
（1）发现纳米二氧化钛可能损害脑细胞。2006年6月，美国环境保护局的一个研究小组发现，颗粒极其微细的纳米二氧化钛粒子有可能使脑细胞产生有害的自由基。这意味着，人们必须深入研究纳米材料对生物组织的影响，评估其对环境和健康的威胁。
纳米二氧化钛有着抗菌、光催化、抗紫外线等特性，广泛用于制造抗菌材料和防晒化妆品等多种产品，但它对生物组织有何影响，此前人们还知之甚少。
研究人员把小鼠脑部的小胶质细胞浸在含有微量纳米二氧化钛的溶液里，小胶质细胞是保护脑部免受病毒或外来化学物质侵害的细胞。实验发现，小胶质细胞吸收了二氧化钛微粒，并连续两小时释放出含氧活性分子。这些分子并未损害小胶质细胞，但长期接触这类分子将使神经受损。
专家认为，这项结果提醒人们必须认真对待纳米材料可能带来的健康损害，进行更多的研究及防范。
（2）发现纳米粒子可伪装成血细胞对抗细菌感染。2013年4月，由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程教授张良方领导的一个研究小组，在《自然·纳米技术》上发表论文称，他们发现，包覆红细胞膜的纳米粒子可去除体内毒素，能够用于对抗细菌感染。
张良方指出，研究结果表明，这种纳米粒子可用以中和包括耐抗生素菌在内的许多细菌产生的毒素，并能消解毒蛇或毒蝎攻击中的毒液毒性。
这种“纳米海绵”以消除造孔毒素为目标。所谓造孔毒素，是指通过在细胞中挖孔来杀死细胞。它是自然界中最常见的一种蛋白质毒素，可由包括金黄色葡萄球菌在内的众多细菌分泌。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有耐药性，每年在全世界范围造成数万人死亡。它们也出现在许多类型的动物毒液中。
现有的一系列治疗方法都以造孔毒素的分子结构为目标，使其失去杀死细胞的能力。但是该疗法必须根据不同的疾病和病情进行定制，而这些有害蛋白家族已知有80多个，每一个均有不同的结构，所以一个个消除困难很大。张良方研究小组采用新的纳米海绵疗法可中和每一种蛋白，而不用管其分子结构。
该研究小组把真实的红细胞膜包裹在生物相容性的聚合物纳米粒子周围。单个血红细胞可提供足够的膜材料，生产出超过3000个纳米海绵，每个直径大约为85纳米。因为血红细胞是造孔毒素的主要目标，纳米海绵一旦进入血液，将担任诱饵角色，吸收破坏性蛋白并中和其毒性。纳米海绵由于尺寸极小，它在系统中的数量将大大超过真正的血红细胞。这意味着，纳米海绵有更高的机会与毒素作用并吸收，从而将毒素带离其天然目标。
动物实验表明，在给小鼠注射致命剂量的最强造孔毒素后，新疗法可大大增加小鼠的存活率。注射后数天进行肝活检，结果显示没有发现损伤，这表明纳米海绵连同积累在肝脏中的毒素已被安全消化掉。
张良方表示，如果该药物能获得监管机构批准，将主要用以治疗细菌感染，尤其是耐抗生素细菌。中和细菌产生的毒素不仅可保护身体，还可削弱细菌对免疫系统的侵害，因为细菌将不再依赖毒素来保护自己。
三、电子材料纳米性质研究的新成果
1．铁电材料纳米性质研究的新进展
（1）发现铁电纳米盘和纳米棒记忆存储新特性。2004年12月9日，由阿肯色大学物理学专家组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们发现微小的纳米盘和纳米棒存在一种新特性：具备增加1000多倍记忆存储能力的潜质。
研究人员说，这种状态的相关技术以前闻所未闻，它的成因可能是盘片的尺寸不允许顺序的错乱。他们研究的铁电物质属于纳米层级的，而且铁电物质天然就具有双极性，使得它们在医用超声波和海军声纳系统中可以呈现出图像，并且可以将信号转换为手机中的声音或其他音频形式。但铁电物质在纳米层级上有什么特性，一直以来不为人所知。
此次，研究人员得出了惊人的结论，当温度降低时，在纳米层级上这种双极性可以形成一种新的形态。研究人员使用计算机仿真技术模拟这种状态下纳米棒和纳米盘所具有的特性。结果发现，这种新的状态不再呈双极性。他们称为“环形运动”，呈现出类似于漩涡或龙卷风那样的环形转动的样式。在这种状态下，可以朝着某个方向或者相反的方向转动，形成一种双稳定的状态，可以像处在极性状态下那样存储信息。
但这种环形运动的排序有所不同，它区别于极性状态：可以存在于微小纳米粒子中，可以使每一个单独的粒子存储一个字节的信息，这有助于提高存储器的密度。同时，这种新状态下产生的漩涡并不会产生粒子之间强烈的相互影响。这意味着，它们可以被压缩在很小的空间内。
研究人员称，这一新发现的原理可以增加我们使用纳米粒子进行存储的能力，但现在还不知道要经过多长的时间才能把这项技术应用到实际中，但是它为我们指明了努力的方向。
（2）揭示铁电纳米材料亚原子结构及性质。2012年7月8日，由美国能源部布鲁克海文国家实验室物理学家朱毅梅、韩永建等研究人员与劳伦斯伯克利国家实验室等研究人员组成的研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们利用电子全息摄影技术拍下铁电纳米材料亚原子结构，并揭示了它的性质。研究人员指出，这是迄今拍下铁电亚原子结构的最小尺度，有助于理解铁电材料的性质，扩大其研发和应用，进而研发新一代先进电子设备。
这种电子全息摄影术能以皮米（10-12）精确度，拍下材料原子位移所产生的电场图像。朱毅梅说：“这是我们第一次看到原子的确切位置，并把它和纳米粒子的铁电现象联系起来。这种基础突破不仅是技术上的里程碑，也为工程应用带来了可能。”
铁磁材料日常生活中随处可见，这种材料本身有磁偶极矩，指向北极或南极。这些偶极矩自身趋向于排列整齐，由此产生了吸引和排斥的磁化作用。通过外加磁场翻转磁化作用，就能操控这些材料。
铁电材料与铁磁材料同族，它们在分子尺度也有偶极矩，但是正、负电极而不是磁极，通过外加电场也能翻转这种电极。这种关键特征来自材料内部亚原子层面的不对称和排列现象。在新研究中，研究人员首次通过透射电子显微镜将这种现象拍摄下来。
目前的磁性存储设备，如大部分计算机中的硬盘，是通过翻转内部磁矩（对应于计算机二进制代码1或0），将信息“写入”铁磁材料。而铁电存储是通过电场把材料的两种电极状态结合起来转化为代码，在计算机上写入和读出数据信息。而最终在效率上，铁电材料有望胜过铁磁材料。铁电材料把信息存储在更小的空间，几乎是从微米下降到纳米。在纳米级别每个粒子都是一个比特。但要扩展到应用设备上必须知道怎样压缩它们才不会牺牲内部电极，理论上这是非常困难的，研究人员解释说，实验所演示的电子全息摄影术能确定各种情况下的所需参数。
该研究揭示了单个铁电粒子能保持电极的稳定性，这意味着每个纳米粒子能作为一个数据比特。但由于它们存在边缘场，还需要一些活动空间（约5个纳米）才能有效操作，否则可能在扩展到计算机存储中时，不能保持代码完整性而破坏信息。韩永建说：“铁电材料能提高存储密度，每平方英寸铁电材料制成的电子设备存储的信息达到兆兆字节，新技术让我们离设计制造这种设备更进一步。”
2．其他电子材料纳米性质研究的新成果
（1）发现纳米催化剂电荷转移的证据。2005年1月，由美国乔治亚科学院计算材料中心主任伍茨·兰德曼领导，曼屈科技大学研究人员参与的一个研究小组，在《科学》杂志发表论文称，他们通过对氧化镁表面纳米金层的研究，发现了在纳米催化剂作用下电荷转移的证据。这一发现将有利于提高化学反应的速度。
兰德曼说：“大部分合成材料在制作时都需要使用催化剂来加速其反应过程。制造出对特定化学反应高效、高选择性和高特异性的催化剂，能大幅度削减制造成本。理解纳米催化剂的原理是开发高效催化剂的关键。”
研究人员表示，金块化学性质稳定不容易发生化学反应。但催化剂的关键不在于其成分而在于其原子和原子之间的构成方式。1999年有学者发现，把金加工成8～24层原子的纳米金层后，金层将形成特殊的三维结构，变成非常高效的催化剂。计算机模拟的以8原子的纳米金作为催化剂，并用氧化镁作为催化剂基质来催化一氧化碳和氧分子化合为二氧化碳的反应过程。计算机模拟的预测结果为：当氧化镁基质有缺失氧原子的瑕疵时，以上反应得以进行；当氧化镁基质无瑕疵时，上述反应无法进行。这是因为金原子只能锚定在基质的缺陷部位获得电子而带负电荷。带负电荷的金原子把电子转移给进行反应的分子，削弱反应物化学键的稳定性。化学键被打断后就发生了化学反应。
兰德曼说：“我们的实验证实了当氧化镁基质有瑕疵时，比之没有瑕疵时，一氧化碳分子振动频率有更大幅度的下降。我们的实验结果和以前的计算机预测结果非常吻合。在通常情况下，化学反应需要有催化剂存在并且需要高温高压环境，创造这些条件使制造成本上升。而我们的研究都是在常温下进行的，它证实了改变催化剂基质的特性可提高催化剂的催化效率，这有助于开发新型高效的常温催化剂。我们知道了催化剂的原子数目和催化剂基质的瑕疵非常重要，也了解了其中的机理。机理就是瑕疵导致电子移动。希望这能指导开发出新型纳米催化剂，使化学反应在常温常压下进行，减少加工成本。”
（2）证实纳米超导体线圈能经受住强磁场。2005年2月4日，由美国伊利诺依大学物理学教授别兹里亚金等人组成的一个研究小组，在《物理评论通信》上发表论文称，他们通过实验证实，纳米级的超导线圈能经受住强磁场，这为超导技术的应用开辟了广阔前景。
根据超导理论，超导体中自旋电子配对形成“库伯对”是超导性的来源。所谓“库伯对”，是指美国科学家库伯发现，在晶体中众多可以自由运动的电子总会有一些因适当的晶格形变而束缚在一起，形成相对稳定的一对电子。但科学家早就发现，当超导体放置于强磁场中时，电子“库伯对”会被磁场破坏，电子的自旋也受影响，超导性会被抑制甚至彻底消失。
该研究小组指出，当超导体的尺寸缩小时，磁场的破坏作用也随之变小，当超导体的尺寸达到纳米尺度时，磁场就已经不能破坏“库伯对”了。研究人员把单层碳纳米管安放在硅晶圆上蚀刻出来的约100纳米宽的“沟”里，然后在碳纳米管表面涂上一层钼-锗超导材料，将其温度降到临界温度以下，并观察这一纳米级超导材料在强磁场中的反应。结果发现，强磁场对纳米级超导材料的影响明显减弱。研究人员猜测，由于超导线的直径非常微小（只有10纳米左右），电子“库伯对”之间会互相影响，抵消了磁场对超导性的影响。
纳米级材料这一特性将使超导的应用前景更为广阔。比如，原先超导线圈不能输送强电流，因为电流产生的磁场可能削弱或破坏线圈的超导性，而如果在普通超导线圈中掺入纳米级的超导细丝，输送强电流就不是难题了。此外，纳米级的超导材料还可用于核磁共振成像等领域。
别兹里亚金声称，纳米级超导材料的尺寸也不能无限缩小，否则电子“库伯对”之间会互相干扰，也会削弱其超导性。此外，纳米级超导材料与大尺寸超导材料类似，不能完全实现零电阻，而且材料尺寸越小，其本身的电阻就越大。
（3）首次证实微生物纳米线具有导电性。2011年8月7日，由美国马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学家德里克·洛维利、物理学家马克·托米勒等人组成的一个研究小组，在《自然·纳米技术》网络版上撰文称，他们首次发现硫还原泥土杆菌体内的微生物纳米线（菌丝网）能长距离地传导电子。这项新发现有望彻底改变纳米技术和生物电子学，让研究人员研制出更便宜且无毒的纳米材料，以便制造出生物传感器和能与生物系统相互作用的固体电子设备。
研究人员称，这是他们首次观察到电荷沿着蛋白微丝传导，以前科学家们认为，这样的传导需要细胞色素蛋白质的参与，细胞色素让电子进行短距离“旅行”。而最新研究证明，即便没有细胞色素，电子也能进行“长途旅行”，这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样。
洛维利表示：“蛋白微丝能采用这种方式导电是生物学领域的一次‘范式改变’。它对于我们理解自然的微生物过程，以及其对环境治理和可再生能源的研发非常重要。”
2005年，该研究小组在《自然》杂志撰文指出，硫还原泥土杆菌的纳米线可能代表生物学领域一个基本的新特性，它能通过纳米线把电子运送到体内的氧化铁，但他们尚不清楚它具体的运作机制。现在，在实验室中，研究人员用电极取代氧化铁，结果发现该细菌产生了厚的、带电的导电生物膜。研究人员使用不同的菌株进行研究后发现，生物膜内的导电性可能归功于贯穿于生物膜的纳米线网络。
托米勒指出，人造纳米线的属性可以通过改变其周围的环境来改变，而这种细菌采用的天然方法使科学家能通过简单地改变温度或调制基因表达，制造新菌株来操纵导电性。引入第三个电极能使生物膜像生物晶体管一样，通过施加电压使它关闭或打开，它或许能填补固态电子学和生物系统之间的鸿沟，让研究人员制造出新的生物兼容材料。
研究人员指出，这项发现有望启发人们找到更多天然无毒的新导电纳米材料，它比人造材料更容易制造，而且成本更低。未来，人们甚至可以制造出在水中和潮湿环境中使用的电子设备。
第三节 纳米结构与功能研究的新成果
一、纳米结构研究的新进展
1．纳米材料结构研究的新成果
（1）发现高分子纳米复合材料的三维分子结构。2005年5月26日，由美国能源部布鲁克海文国家实验室物理学家汤姆·沃格特、中密歇根大学瓦列里·佩特科夫、密歇根州立大学科学家默库莱鸥·卡纳兹蒂斯等人组成的一个研究小组，在《美国化学学会期刊》的网络版上发表论文称，他们发现了一种纳米材料的三维分子结构，认为这种纳米材料拥有广阔的实际应用前景，其中包括更加有效的太阳能电池、生物传感器，以及更加轻薄的电视和电脑显示设备。
据悉，这种材料是一种高分子纳米复合材料。它由独特的有机聚合物与尺寸为1纳米的无机部分自然形成。当该材料分子聚集到一起时，这些基本的单元就形成了这种纳米复合材料。
沃格特说：“高分子纳米复合材料长期以来一直受到人们的关注，因为它具有可以促进许多科技领域进步的极大潜力。这种聚合材料拥有独特的机械特性，如能够弯曲、延伸等性质，而两种成分都是电的优良导体。”
研究人员表示，这次研究用的聚合物成分是一种被称作聚苯胺的材料。把它和诸如氧化金属等多种无机化合物结合，能够制造出多种高分子纳米复合材料。在这次研究中，无机化合物的成分是由水分子隔离开的氧化钒。
在之前的研究中，科学家一直不太了解这种纳米复合材料的结构，这主要是因为它的内在组织并不是规律而整齐地排列。因此，研究小组无法依靠传统的X射线结构分析法，因为它需要极为有序的晶状样本结构。
在传统的X射线衍射过程中，X射线会从样本的原子上“反弹”或衍射开，最终形成清晰的光束。只要对这些光束加以分析，就能够轻易地得到有关样本中原子的位置与类型的详细信息。但是当X射线从纳米复合材料中散射开来的话，光束就会被“抹去”，从而使研究人员无法得到有关结构的信息。
因此，研究小组采用了一种非常规的数学算法来破解这些X射线散射的数据。起初使用这一方法来单独分析聚苯胺聚合物的散射数据，然后再单独分析氧化钒，最后集中分析这种高分子纳米复合材料的散射数据。
研究人员利用这些单独分析所得出的信息，制作出一个三维立体模型来反映聚苯胺和氧化钒如何在原子级混合并形成高分子纳米复合体。这一模型还能够描述在上、下两层氧化钒之间夹着一层水平的聚苯胺原子链，形成一个“三明治”结构。
佩特科夫说：“我们的研究结果展示了如何把普遍应用的X射线分析技术与非常规的实验性方法结合，来分析纳米复合材料结构的详细信息。这将有助于提高我们对这些物质性质的了解。我们希望这项成果可以促进人们对这种纳米复合材料进行更多的研究。”
此外，这一项目还包括卡纳兹蒂斯所进行的研究，他和自己的研究小组率先开发出了一种方法来合成这些纳米复合材料。
（2）合成类似碳六十纳米结构的金原子“空心笼子”。2006年5月，由美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）首席科学家、华盛顿州立大学物理教授汪赖生领导的研究小组，成功地合成类似碳六十纳米结构的“空心笼子”。
在过去的十年中，汪赖生和理查德·斯马利实验室的研究人员一直在尝试寻找金属中类似碳六十的纳米结构。但是因为金属团簇更容易挤压或抹平，所以这个实验非常困难。
汪赖生把注意力转移到小于20个金原子的团簇，光谱和理论计算发现，小于15个金原子的团簇是平坦的。所以，可能形成“空心笼子”结构的只可能是16、17或18个金原子，而19个金原子的团簇就又堆积成类似金字塔的结构了。汪赖生说：“金十六是能够看到的最小的金原子‘笼子’，把金二十的四个角上的原子拿掉，再把剩下的原子间的距离拉开一些就得到了金十六。”
金原子“笼子”可以在室温下稳定存在，它可以自由存在，即不与其他物体接触。但是一旦它接触到其他表面，结构就可能改变。汪赖生和同事们认为，金原子“笼子”可以用来束缚其他原子，这个过程称为掺杂。掺杂后的“笼子”可以在其他表面稳定存在。所以这种方法可以在小于纳米的尺度上掺杂，从而影响材料的物理或化学性质。
（3）发现纳米材料结构塑性形变的新现象。2006年8月，由伯克利实验室材料科学部门的安得烈·米耐领导，普渡大学能源系，以及海西特隆公司等研究人员组成的一个研究小组，使用美国电子显微国家中心的JEOL 3010原位透射电子显微镜，对纳米材料进行高分辨的负载与位移测量，观察纳米体积的铝在一个钻石“纳米硬度计”的压力下产生的结构形变，结果有了新发现。
一直以来，研究人员都假设晶体需要无缺陷才能承受其理论极限的力。超过了这个力晶体结构就会出现断层，从而出现塑性形变。但是，米耐研究小组发现情况并不是这样。
米耐说：“尽管人们都假设要达到理论极限的力，材料结晶必须完美，但是我们的结果证明这并不总是对的。真正的情况是很复杂的。我们发现，许多缺陷在初始生长点积累。更令人惊奇的是，即使材料具有很高的缺陷密度，它还是能够承受接近理论极限的剪切力。”
以往，研究人员都是通过间接证据来研究纳米材料的硬度。人们只能在纳米硬度实验后，根据测得的力再对结果进行推测，这种事后的研究有其固有的局限性。
现在，这个研究组设计的独特设备可以显示整个实验过程。使用这台设备，研究人员第一次能够用两种方式清楚地观察纳米硬度测量过程中的塑性形变的出现，并且能够同时显示力学参数和拍摄形变过程的录像。
米耐说：“以前多数研究工作有力的位移曲线而没有录像。在曲线上，一个很大的峰代表 ‘pop-in’事件，即通常认为的塑性形变的开始。而在录像中，一般认为缺陷和位移的出现代表了 ‘pop-in’事件。我们发现，这两个事件并不一定一致。事实上在许多纳米硬度测量实验数据中，实际的 ‘pop-in’事件前常常有些微弱信号，但是这些信号一般都被认为是噪声而未被重视。”
当使用这个新设备进行纳米硬度测量时，先用一个钻石探头接近铝单晶颗粒，探头将晶体所加的力和探头的位移记录下来。同时，对应的晶体变化也被录像记录下来。
在力的位移曲线中有两个小的瞬变过程，对应于录像中结构断层的突然出现。第一个是本来纯净的晶体突然出现了缺陷；第二个是缺陷突然转移。这些变化代表断层断裂、滑行到其他段、相互作用然后达到结构新平衡的过程。
值得注意的是，尽管出现了结构断层，晶体仍旧能够承受接近理论极限的剪切力，Pop-in仍没有出现，而当出现时，曲线和录像上都有相应的反应。
这项研究成果对传统的晶体初始变形理论是个挑战。而且这项研究中，人们第一次能够对弹性模量、力等基本参量进行直接研究，打开了纳米力学研究的新领域。
（4）制成金纳米粒子和蛋白质的复合结构。2007年7月2日，由美国能源部布鲁克海文国家实验室的胡明辉等人组成的一个研究小组在德国《应用化学》杂志上发表论文称，他们成功地把金纳米粒子附着于蛋白质，形成蛋白质与金纳米粒子均匀排列的薄层结构。研究人员认为，这种由纳米粒子和蛋白质组成的复合结构将能帮助人们了解蛋白质结构，确定蛋白质功能成分和组合新的蛋白质复合结构。
在整个研究工作中，最大的挑战是合成涂上有机分子的可控尺寸纳米粒子。纳米粒子表面的有机分子用于同特定的蛋白质部位发生反应。胡明辉在解释金纳米粒子和蛋白质复合结构合成步骤时说，首先，通过在金纳米粒子表层涂上有机分子的方法，让金纳米粒子与蛋白质产生独特的相互作用。其次，把转基因缩氨酸片段安插在蛋白质分子上，其作用如同金纳米粒子的结合点。最后，把表面带有有机分子的金纳米粒子置入蛋白质溶液中，让纳米粒子和蛋白质结合。
据悉，这项研究的经费来自布鲁克海文实验室管理研究和开发项目、美国能源部科学办公室环境和生物研究办及国家卫生研究院大众医学科学所。布鲁克海文实验室中其他部门的研究人员也参与了金纳米粒子和蛋白质复合结构的研究。
（5）研制出带有“树枝”结构的晶体纳米棒。2008年7月17日，美国伦斯乐多科理工学院公布了一项研究成果：由该校未来能源系统中心主任、材料科学和工程教授拉曼纳斯主持，博士后阿罗普·泊卡亚斯萨等人参与的一个研究小组，开发出一种带有树枝结构的生长晶体纳米棒，并能采用生物分子表面活化剂来控制纳米棒的形状。利用该技术有望获得更小更有效的散热泵和其他利用热能发电的装置。
研究人员介绍说，利用新技术生成的纳米棒由碲化铋和单晶硫化铋两种单晶材料组成，碲化铋形成的纳米棒核镶嵌在硫化铋形成的中空圆柱壳内。此外，在合成晶体的过程中，通过细心控制温度、时间和生物分子表面活化剂的用量，他们获得了带有“树枝”结构的纳米棒。
拉曼纳斯表示，过去人们成功地实现了独立生成“树枝”状纳米结构，以及核-壳状（内核和外壳）纳米结构的纳米晶体材料。现在利用生物分子表面活化剂，他们首次合成含有“枝杈”的复合纳米棒。
由于核-壳纳米棒具有引人注目的特性，因此人们希望今后能利用核-壳纳米棒，为发电开发新的纳米级热生电装置，以及纳米电子设备中散热点所需的纳米级散热泵。拉曼纳斯表示，新技术生成的纳米棒能帮助实现散热和热生电两个十分重要的属性。纳米棒的核-壳结构有助于将电器产生的热能带走或利用热能发电，“树枝”结构则有可能组装出用于纳米导线散热的微小导管。
研究人员发现，在高温或低量生物分子表面活化剂的条件下，新的合成方法能够获得极规则的“树枝”状纳米棒结构；而在低温或高量表面活化剂的条件下，只能收获没有“树枝”的纳米棒。
（6）开发出高度控制金属纳米结构的方法。2012年4月，由美国康奈尔大学材料科学和工程系教授乌利希·威斯纳、西北大学研究员斯科特·沃伦等人组成的一个研究小组，在《自然·材料》杂志网络版上发表研究报告指出，为了获得燃料电池中的催化剂和普通电池中的电极，工程师希望能制成多孔的金属薄膜，争取获得更大的表面面积以进行化学反应，并保有较高的导电性，而提高导电性的研究多以失败告终。现在，他们开发出一种新方法，可使多孔金属薄膜的导电性提高1000倍。这一技术同时为制成多种可应用于工程和医学领域的金属纳米结构开启了大门。
威斯纳称，他们已经借助混合加热方法，实现对于所产生材料的构成成分、纳米结构和导电性等功能的高水平控制。新方法基于学界所熟悉的溶胶-凝胶法，将一定的硅化合物和溶剂混合，可自组装出含纳米级蜂窝孔洞的二氧化硅结构。研究人员所面临的挑战就是添加金属，以创造出导电的多孔结构。
沃伦解释，在此前的实验中，他们发现添加少量金属将破坏溶液形成凝胶的过程。而由于氨基酸分子的一端对硅具有吸引力，另一端对金属具有吸引力，研究人员萌生了利用氨基酸将金属原子和硅原子相连的想法，这可避免由相位分离引发的金属薄膜自组装过程中断。
基于上述途径能制造出更多的金属、硅碳纳米结构，并大幅提高其导电性。硅和碳可被移除，只留下金属多孔结构。但硅-金属结构即使在高温下也能保持自己的形态，这对于制造燃料电池十分有益。沃伦同时表示，仅移除硅，留下碳-金属络合物，则提供了其他可能性，包括可形成较大的孔洞等。
实验报告显示，新方法能被用于制造对构成成分和结构具有高度控制水平的多种材料。研究小组几乎为元素周期表中的每种金属都制造出一种结构，配合其他化学过程，孔洞的尺寸可达到10纳米至500纳米。他们同样制造了填充金属的硅纳米粒子，小到可被人类所摄入和吸收，这有望应用于生物医学领域。此外，威斯纳研究小组还以制造出“康奈尔点”而闻名，它可把染料封装在硅纳米粒子中。因此，溶胶-凝胶工艺或许也可应用于构建包含光敏染料的太阳能电池中。
（7）发现氢可调控氧化石墨烯的化学结构和特性。2012年5月，由美国佐治亚理工学院物理系副教授伊莉莎·瑞多领导的一个研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们发现氢在决定氧化石墨烯的化学特性和结构组成方面发挥着重要作用。研究人员表示，了解氧化石墨烯的特性，以及如何控制它们，对实现这种材料在纳米电子设备、纳米机电系统、传感、复合材料、光学、催化和能量储存等领域的潜在应用十分重要。
伊莉莎·瑞多表示，氧化石墨烯材料十分有趣，需通过化学和热过程将两个含氧的官能团，即环氧基团和羟基（氢氧基）团，加入构成石墨烯的碳原子晶格中而成形，因此可通过热处理或化学处理来改变氧化石墨烯的结构。
研究小组在此次研究中，使用了位于碳化硅晶片上的多层外延石墨烯，这一样本平均包含10层石墨烯。观测结果显示，35天后，环氧基团的数量有所下降，羟基团的数目则略有增加。直至3个月后，两组官能团的比例才基本实现了平衡。
为解析为什么室温条件下会发生此种变化，研究人员认为，氢和氧将在官能团内生成水，这将减少环氧基团的数量，并略微增加羟基的数目。经过实验测量和理论计算，研究人员提出，或许有氢参与其中。而这一猜想随后被研究小组和来自德克萨斯大学达拉斯分校的研究小组共同证实。实验样本的结构和化学性质在样本制成后还将演变达1个多月之久，正是它与氢不断发生化学反应的结果。
（8）用DNA“砖块”搭出上百种三维纳米结构。2012年11月30日，由美国哈佛大学维斯生物工程研究院尹鹏、维斯铸造学院主管登·英格博等人组成的一研究小组，在《科学》杂志上发表研究报告称，他们用DNA“砖块”造出100多种三维纳米结构。
DNA“砖块”是指构成DNA双螺旋链的4种碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）, A只能和T配对，C只能和G配对。它们就像“乐高”玩具，可以搭建出各种结构。这种纳米制造技术称为“DNA-砖块自组装”，用人造的DNA短链像乐高砖块那样搭扣拼装。它充分利用了DNA编程的能力，将DNA碱基对组合搭配成各式“菜谱”，来组成预先设计好的形状。
2012年年初，研究小组在《自然》杂志上报告称，他们用每块长42个碱基折叠成矩形的DNA“砖块”，构造出二维平面，包括所有罗马字母、标点符号、数字等107个图案，但构建三维结构需要新的“折叠”方法。
新方法用的DNA砖块更小，其长度为32个碱基对。他们把每个碱基对砖块转了90度，再把每两个砖块并成立体状，就可以向“上”、向“外”两个方向添砖加瓦了。每8个碱基对（约2.5纳米）构成一个“三维像素”，这是它的最小结构单位，1000个这样的像素构成一个模块，这些模块就成为制作三维建筑的DNA分子“原料块”。研究人员用这些“原料块”制作了102种复杂的三维结构，包括字母、符号、汉字等，不仅表面精巧，还有着复杂的内部洞穴和孔道。另一种叫作“DNA折叠术”的方法，能构建更稳定、更复杂的三维结构。但这种技术要依赖一条较长的DNA链做“支架”，并需要几百个短链DNA做“钉扣”把它折叠起来，而且每种新形状都需要一种新“支架”及相应折叠法、新的“钉扣”。尹鹏介绍说，相比之下，DNA“砖块”的方法不再需要支架链，由此可以形成一种模块化的结构，每块砖都能独立地加上或减去。这种方法简单、稳定，而且用途更广。
新方法的下一个目标是把这种DNA纳米技术用在更尖端领域，比如“智能”医疗设备，能把标靶药物选择性地递送到病灶部位；可编程的成像探测仪器；下一代计算机线路制造，能精确排列无机物质的模板等。
英格博说，设计出更多、更有效的方法，来利用那些具有生物兼容性DNA分子，将其作为纳米技术中的结构建材，这将带来巨大的医疗价值，以及非医疗方面的应用。我们在这方面的能力正闪电般地增长。
（9）用“电喷”打印制作三维超精细纳米结构。2013年9月，由美国伊利诺斯大学香槟分校博士后瑟达·昂塞斯牵头，芝加哥大学分子工程研究所的保罗·尼莱，以及韩国汉阳大学研究人员等组成的一个研究小组，在《自然·纳米技术》上发表论文称，他们开发出一种制作纳米结构的新方法，将“从上到下”的喷墨打印和“从下到上”的自组装技术结合在一起，以一种“电喷”打印方式，自动形成三维的超精细结构，所制备的纳米材料，可用在半导体和磁存储工业中。
用聚合物、DNA、蛋白质及其他“软”材料制造纳米结构，在新型电子工业、诊断设备和化学传感器中有很大潜力。但这些材料大部分都与光刻平印类的技术不相容，平印是集成电路的传统工艺。研究小组利用一种自组装材料——嵌段共聚物，并且改进了传统光照平印工艺，使它也能用于“软”材料领域。
研究小组在比利时的微电子研究中心制作出一种拓扑兼化学的花纹，分辨率达到100到200纳米。然后返回伊利诺斯大学，以化学花纹为模板在上面沉积嵌段共聚物。共聚物就在模板的引导下自行组装，形成了比模板花纹分辨率更高的花纹。
这种局部沉积嵌段共聚物的喷墨打印技术称为电流动态打印或电喷打印，操作起来更像办公室用的喷墨打印机。昂塞斯说，电喷打印能很自然地控制液体墨水，因此也能很好地控制纳米管、纳米晶体、纳米线及其他纳米材料的悬浮液花纹。“它不仅是一种特殊的高分辨率喷墨打印机，其理念是从喷嘴喷出原料流，打印几百纳米的花纹结构。”
尼莱补充说：“这一过程是利用喷墨打印技术在基底上以高分辨率沉积不同的嵌段共聚物胶膜，因此非常适合用于设备的设计与制造，能在一层上造出不同的维度结构。各维度的花纹可以相同，也可以不同，由各范围里的模板引导精确组装。”
研究人员指出，打印出的纳米结构的分辨率还能进一步提高到15纳米。伊利诺斯大学材料科学与工程教授约翰·罗杰斯称，新技术可以用来制作纳米材料的图案结构，并与现实设备结合起来。
2．其他材料纳米结构研究的新发现
（1）发现珠母贝的纳米级复杂结构。2005年9月，由美国麻省理工学院材料科学与工程系教授奥迪兹领导，纳米技术研究所研究人员参与的一个研究小组，在《材料研究杂志》上发表研究成果称，他们观察到珠母贝令人惊奇的纳米级复杂结构，这种结构有可能是构成材料刚性的首要因素。
研究人员表示，他们正在研究一种叫珠母贝的软体动物，吸引他们的是珠母贝贝壳坚硬内层的结构及力学性质。他们在研究成果中惊叹，珠母贝不愧为纳米技术专家。
珠母贝其实是由两种相对较弱的材料组成的，其中95%是易碎的陶瓷碳酸钙，另外5%是一种柔韧性很好的生物高聚物。在珠母贝中，研究人员发现，这两种材料以“砖泥”结构形式结合在一起，数百万个尺寸在几千纳米的碳酸钙陶瓷盘就像钱币一样相互堆叠在一起，而每一层陶瓷盘之间有一层很薄的生物高聚物将它们黏合在一起。
研究小组把注意力集中在这些碳酸钙陶瓷盘很小的纳米区域。他们使用原子力显微镜，把剪切的海蜗牛珠母贝小陶瓷盘成像后发现，每一个陶瓷盘都有自己复杂的纳米结构。他们用一个只有几百纳米的钻石探针尖刺进陶瓷盘表面，发现这种尺寸的陶瓷盘小片刚性和强度都特别出色，在巨大的外力作用下，小片也没有易碎裂纹的形成和传播现象。
奥迪兹表示，大自然使用纳米级结构设计原理，构造出高性能的力学材料。随着纳米技术的深入研究，制造出人工珠母贝材料作为高性能装甲材料将不会是梦想。
（2）分析液态金硅合金纳米尺度的表面结构。2006年8月，由美国能源部阿尔贡纳米材料中心博士后欧莱葛·夏彼尔克领导，斯里耶尔、布鲁戈尔斯米、葛莱格里夫，以及哈佛大学泊衫教授、以色列巴尔伊兰大学杜维奇教授、布鲁克汉恩国家实验室奥克和芝加哥大学美纶、琳斌华等人参与的一个研究小组，对液态金硅共晶合金纳米尺度的表面结构作了深入分析，并将研究结果发表在《科学》杂志上。
研究人员表示，这种液态金硅共晶合金由82%的金和18%的硅所组成。共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下，所有成分的融合。在大多数例子中，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差100℃；金硅共晶合金在360℃时即开始溶化，这个温度比组成物金属的熔点低了大约1000℃。
但这并不是金硅共晶合金唯一一个与众不同的特性。在一般固态晶体中，原子都是按照周期有序的方式排列，而在液态中，原子的排列则变得混乱。所以，十多年人们一直认为，很多液态金属的表面都会呈现2～3个清晰的原子层，并且通常这些原子层中没有结晶态存在。然而，夏彼尔克研究小组却发现，在液态金硅共晶合金的表面存在7～8个原子层。为了弄清这个意外的事件，他们同时也在其表面原子层中找到与通常只出现在固态物质中的组织相类似的结晶态结构。
理解这种异常单分子表面凝固层的特性，对正在成长中的，以十亿分之一米为基本单位的纳米科技有着非常重要的意义。
夏彼尔克说：“当你把一个物体或设备的尺寸减小到一纳米时，事实上所有的一切就只是表面与内表面。我们需要了解，在物理学和化学领域，调控这些表面结构的新定律是什么。”
研究人员表示，对金和硅金属的理解显得尤为重要。因为它们广泛应用于计算机技术中。金这种抗氧化的“惰性”金属便于成型制造计算机互联芯片，而硅则是大部分半导体设备的主要组成金属。
夏彼尔克说：“你可以想象一下，金和硅金属的结合几乎出现在每一个电子设备中。”
夏彼尔克在哈佛大学的博士生阶段开始这项研究，并最终在阿尔贡纳米材料中心完成该研究。他利用阿尔贡中西半球最强的X射线高级光子源对材料进行了几项测定：X射线镜面反射率，用来提供垂直于表面的金属结构信息；X射线临界衍射，用来提供平面结构的内部信息；X漫散射，用来提供表面波动及其他动力学信息；而X射线晶体端面标尺，则用来测量表层结晶结构的厚度。
二、纳米材料功能研究的新发现
1．纳米粒子功能研究的新发现
（1）发现金纳米粒子可作为微小的加热器。2006年3月，由美国俄亥俄大学化学教授休米·理查德森、理论物理教授莎莎·戈沃罗夫牵头，扎卡里·希克曼、艾丽莎·托马斯、张伟和匡德施等人组成一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果称，他们发现金的纳米粒子可以在生物医学中当作微小的、精确的、功能强大的加热器。
研究小组利用一束频率合适的激光激发一小团金属纳米粒子（例如金），使它们可为比自身大1000倍的面积加热。他们在用来模拟生物系统的冰、水和聚合物壳中发现纳米金的这种加热性质。当只用低亮度的激光加热冰块时，冰块不会溶化；但是把金纳米粒子嵌入冰块后，再用相同的激光束加热，冰块就能溶化。
这个加热过程不仅能在比纳米粒子本身大很多的面积上产生相当可观的热量，而且还能非常精确地控制加热范围。利用一种生物连接器，纳米粒子可以被设计得只对特定的目标加热。生物连接器是用来连接特定类型的细胞的特殊的黏性分子。在生物医学的应用中，少量的金纳米粒子就能用来加热，影响单个的大尺度物体，如癌细胞。
（2）发现金纳米粒子层可改善太阳能电池转换效率。2011年8月，由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所纳米可再生能源中心主任杨阳领导，中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室的张兴旺和日本山形大学科学和工程研究生院的洪子若等人参加的一个研究小组，在《纳米》杂志上发表论文称，他们把金纳米粒子层植入一个串联的高分子太阳能电池的两个光吸收区中，形成特殊三明治结构的电池，从而吸收到更宽太阳光谱的光能。
在太阳能领域，有机光电太阳能电池具有广泛的潜在应用，不过它们至今仍被认为处于起步阶段。这些用有机高分子或小分子作为半导体的碳基电池，虽然比利用无机硅片制作的常规太阳能电池更薄，且生产成本更低，但是它们将光能转换成电能的效率却并不理想。有关报道称，杨阳研究小组正是针对这一难题展开研究，通过把金纳米粒子用于有机光电太阳能电池，助其增强了光吸收的能力，极大地提高了电池的光电转化率。
该研究小组发现，通过金纳米粒子层的相互连接，可以大幅度提高光电太阳能电池的光电转化率。金纳米粒子通过等离子效应能够在薄薄的有机光电层中产生强电磁场，其结果是聚集光能，使其更多地被电池中的光吸收区捕获。
研究人员表示，尽管把金属纳米结构融入光电太阳能电池结构中存在不少困难，但他们化解了这些难题，并首次宣布成功地研制出等离子增强高分子串联太阳能电池。杨阳表示，通过简单地把金纳米粒子层植入电池两个光吸收区中，他们便获得了高效等离子高分子串联太阳能电池。出现在连接层中间的等离子效应能够同时改善上、下两层光吸收区的工作状态，把串联太阳能电池的转化率，从以前的5.22%提高到6.24%，增比达20%。
实验和理论结果都显示，太阳能光电电池效率的提高得益于金纳米粒子近区的增强，也表明等离子效应对未来高分子太阳能电池的开发具有极大的潜力。研究小组认为，夹层结构作为开放平台，能够应用于多种高分子材料，为获得高效多层串联太阳能电池创造了机会。
（3）发现纳米粒子可在晶体生长中充当“人造原子”。2012年5月，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部门研究人员组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究报告称，他们利用透射电子显微镜和先进的液体池处理技术，对由铂、铁纳米粒子构成的纳米棒的生长轨迹进行了实时观测。成像分辨率可达半埃（光谱线波长单位），比单个氢原子的直径还要短。观测结果显示，纳米粒子在晶体生长中充当“人造原子”角色，成为构建复杂分子结构的基础。
在观测中，纳米粒子会由定向附着开始，在溶液中形成弯曲的多晶链，并逐渐排列起来，首尾相连形成能延展至单个晶体纳米棒的细长纳米线，其长度/厚度比可达40 ∶ 1。由此可见，在纳米晶体的生成过程中，纳米粒子链和纳米粒子为构建纳米棒提供了基本的建筑模块，整个流程十分巧妙而高效。此前，类似的观测通常只限于晶体生长的前几分钟，而新研究能够有效延长这一时间达数小时，可谓在纳米粒子生长轨迹观测方面取得的重大进展。
研究人员表示，之所以选择铂、铁纳米棒作为研究对象，是因为电催化材料，有望应用于下一代的能量转换和存储设备。研究具有不同形状、结构的胶状纳米晶体生长的关键，在于长久保持观察窗内的液态环境，以使反应能够完全发生。他们在有机溶剂中溶解铂、铁的分子前体，利用毛细管压，促使生长溶液进入氮化硅液体池中，并利用环氧树脂胶密封。研究人员强调，液体池的密封十分重要，可使池内的液体不至于变黏。一旦液体黏滞，就将阻碍纳米粒子的相互作用，从而抑制晶体的生长。而在之前的研究中，这一情况时有发生。
根据研究人员的观测，单个纳米粒子只会存在于晶体生长的初始阶段，随后其将被短链的纳米粒子所取代，并最终形成长链的纳米粒子。这在单个分子和分层的纳米结构之间搭设了桥梁，也为合理设计出具有可控特性的纳米材料铺平了道路。
（4）发现磷化镍纳米粒子可为制氢反应提速。2013年6月，由美国宾夕法尼亚州立大学化学教授雷蒙德·萨克领导的一个研究小组，在《美国化学会志》上发表论文称，他们发现，由储量丰富且廉价的磷和镍构成的磷化镍纳米粒子，可以成为制氢反应的催化剂，为该反应提速。这项研究将让更廉价的清洁能源技术成为可能。
研究小组为了制造出磷化镍纳米粒子，使用经济上可行的金属盐进行试验。他们让这些金属盐在溶剂中溶解，并朝其中添加了另外一些化学元素，然后加热溶液，最终得到了一种准球形的纳米粒子，它并非完美的球形，因为拥有一些平的暴露的边角。萨克解释道：“纳米粒子个头小，但表面积很大，而且，暴露的边缘上有大量的点可以为制氢反应提速。”
接下来，由加州理工学院化学系教授内森·刘易斯领导的研究小组对这种纳米粒子在反应中的催化表现进行了测试。研究人员首先把该纳米粒子放在一块钛金属薄片上，并把薄片没入硫酸溶液中，随后施加电压，并对生成的电流进行测试。结果表明，化学反应不仅按照他们所希望的那样发生了，效率也非常高。
萨克解释称，磷化镍纳米粒子的主要作用是帮助人们从水中制造出氢气，这一反应对很多能源生产技术，包括燃料电池和太阳能电池来说都很重要。水是一种理想的燃料，因为它廉价且丰富，但我们需要把氢气从中提取出来。氢气的能量密度很高，且是很好的载能体，但产生氢气会耗费能量。
研究人员一直在寻找廉价的催化剂，以便让水制氢反应更加实用且高效。萨克表示：“铂可以很好地完成这件事，但铂昂贵且稀少。我们一直在寻找替代铂的材料。此前有科学家预测，磷化镍会是好的 ‘替身’，我们的研究结果也表明，在制氢反应中，磷化镍纳米粒子的表现的确可以和目前铂的效果相媲美。”
2．碳纳米管和石墨烯功能研究的新发现
（1）发现碳纳米管能发光。2005年11月，由IBM公司研究中心陈加等人组成的一个研究小组，在《科学》杂志发表研究报告称，他们已经发现碳纳米管能够发光，而且其亮度是发光二极管的1000倍。
陈加表示，这个发现可以让人们更好地理解半导体物质中电子与“空穴”之间的交互作用。他指出，碳纳米管光还能够用于单个分子水平上的光学探测工作。
IBM公司研究中心一直重视开发光电传输方面的技术。一般来说，半导体物质上的光和电很难做到兼容，但碳纳米管被证明可以很好地运载这两种信息。
据悉，IBM公司已经发明了把电信号转化为光信号的核心处理流程，也就是把电子转化为光子。过去，研究人员用同时轰击电子及空穴的方法来制造光子，这是一种效率不高的方法。
（2）发现石墨烯可成为防金属腐蚀的理想涂层。2012年2月，由美国某大学化学专家迪拉吉·帕拉赛和同事组成的一个研究小组，在美国化学学会的期刊《纳米》上发表研究成果称，他们发现石墨烯真是一种神奇材料，除了是目前已知的最坚硬材料外，还是目前最纤薄的涂层，能够保护铜、镍等金属不被腐蚀。
在最新研究中，研究小组指出，金属生锈和腐蚀是一个非常严重的全球性问题，科学家们都在殚精竭虑地寻找减慢或防止其生锈或腐蚀的方式。腐蚀源于金属的表面同空气、水或其他物质发生了接触。目前，普遍采用的防腐蚀方法，是用某些材料包裹金属，从而把它表面隐藏起来，但这些包裹材料都有其自身限制。
石墨烯只有一层碳原子的厚度，是目前世界上最薄的材料。科学家们发现，在石墨烯内，碳原子像一个细铁丝网围栏一样排列成一层，该层非常纤薄，使得其看起来就是透明的，而且，一盎司（28.350克）石墨烯足以覆盖28个足球场。
研究小组研究发现，不管是把石墨烯直接放在铜、镍表面上，还是通过其他方法转换到其他金属表面都能让金属免遭腐蚀。在实验中，他们让单层石墨烯通过化学气相沉积在铜上生长从而包裹住铜，结果表明，其腐蚀速度比光秃秃的铜慢7倍。通过让多层石墨烯在镍上生长从而包裹住镍，其腐蚀速度比光秃秃的镍慢20多倍。另外，令人惊奇的是，单层石墨烯与传统有机涂层的抗腐蚀能力一样，但有机涂层的厚度是石墨烯的5倍。
研究人员表示，石墨烯涂层可能是理想的抗腐蚀涂层，可以应用于很多方面，尤其是需要纤薄涂层的领域，例如，用来包裹连接设备和航空航天设备，以及用于移植设备中的微电子元件等。
三、纳米材料医学功能研究的新发现
1．纳米材料治癌功能的新发现
（1）发现纳米级铁镍合金磁盘可杀死癌细胞。2009年11月29日，由美国阿尔贡国家实验室的埃琳娜·罗兹科娃带领的一个研究小组，在英国《自然·材料学》杂志网络版上刊载研究报告指出，由磁性铁镍合金制成的纳米级磁盘可有效杀死癌细胞。
研究小组利用铁镍合金制成超微、超薄的纳米级磁盘，其中所有的原子磁化形成一个平面“磁涡旋”。当引入一个交互磁场时，该纳米磁盘会发生振动。实验结果表明，振动频率在几十赫兹的低水平时，经过10分钟就足以破坏90%癌细胞的细胞膜，使大部分癌细胞死亡。
英国基尔大学研究人员乔恩·多布森声称，在临床实验中，可以把该纳米磁盘引入恶性肿瘤。他说：“这一研究结果为治疗恶性肿瘤提供了一项精准、快速的技术，与化疗等传统手段相比，避免了副作用的产生。”
（2）发现可同时使用纳米粒子和核糖核酸干扰机制治癌。2010年3月，由美国加州理工学院化学工程系教授马克·戴维斯领导的一个研究小组，在《自然》杂志网络版上发表研究成果称，他们首次提出证据证明，用作实验治疗并直接注入患者血液中的靶向纳米粒子可传输进入肿瘤中释放出双链小干扰RNA（siRNAs），并利用RNA干扰（RNAi）机制关闭一个重要的癌症基因。此外，该研究小组提供的证据也首次证明，这种血液注入的新型疗法为剂量依赖性人类肿瘤治疗开辟了新的道路，亦即输入体内的大量纳米粒子也会出现在肿瘤细胞中。
该研究成果表明，在患者身上同时使用纳米粒子和基于RNA干扰的疗法是可行的。戴维斯表示，该方法为未来在基因水平上抗击癌症和其他疾病打开了大门。
研究小组利用加州理工学院新开发的技术在受试者肿瘤活检细胞中检测到了纳米粒子并进行成像。此外，戴维斯研究小组发现，给予患者的纳米粒子剂量越高，在肿瘤细胞中发现的纳米粒子数量也越高。这也成为利用靶向纳米粒子的剂量依赖性反应的首个例子。
奇妙的是，证据显示小干扰RNA完成了其工作使命。在研究人员分析的肿瘤细胞中，信使RNA编码的细胞生长蛋白——核糖核苷酸还原酶已经退化，退化反过来又导致了蛋白的损失。
而更重要的是，如果信使RNA在目标点被小干扰RNA裂解，就会发现信使RNA片段具有其应有的确切长度和序列。研究人员表示，这是首次发现来自患者细胞的RNA片段经由RNA干扰机制被合适地剪切。该事实证明，RNA干扰机制也可通过使用小干扰RNA发生在人体中。
有关专家表示，通过使用小干扰RNA，很多癌症目标均可在实验室中被有效锁定，但在临床上阻断这些目标尚难以实现。这是因为许多目标并不受制于传统抗癌药物。该项研究提供的证据表明，使用靶向纳米粒子传递小干扰RNA在未来将有助于患者疾病的治疗，也使科学家开始考虑，可将似乎不太可能的目标作为新的靶标。临床试验得到的数据也证实把核糖核苷酸还原酶作为靶标的、基于基因的癌症新疗法是大有可为的。
（3）发现磁性纳米粒子和交变磁场可“联手”治癌。2012年3月，由美国佐治亚大学富兰克林艺术学院物理系助理教授赵群主持的一个研究小组，在《治疗诊断学》杂志上发表研究报告称，他们发现利用纳米粒子和交变磁场，可在半小时内杀死位于小鼠头部和颈部的癌变肿瘤细胞，而不损害健康的细胞和组织。
赵群称，他们能利用少量的浓缩磁性氧化铁纳米粒子杀死癌细胞。这种治疗方式能轻易破坏上皮组织的癌变肿瘤细胞，这标志着研究人员首次可基于实验室小鼠利用磁性氧化铁纳米粒子诱导高温、高热进行相关的癌症治疗。
世界各地的研究人员都在探索利用加热的纳米粒子作为潜在的癌症治疗手段。此前的研究也证明，将磁性氧化铁纳米粒子和强劲的交变电流结合可产生足以杀死肿瘤细胞的高温。赵群表示，对此次的研究结果持乐观态度，但他也表示，未来在考虑进行人体临床试验之前，还需要完成针对较大型动物的测试。
在实验过程中，研究人员向肿瘤所在位置加入了0.5毫升左右的磁性氧化铁纳米粒子溶液。随着小鼠在麻醉下逐渐放松，他们把它放入外部包裹有线圈的塑料管。这一装置能生成交替方向每秒可达10万次的磁场。磁场将只加热癌变肿瘤内的浓缩纳米粒子，而不使周围的健康细胞和组织受到损害。
磁性氧化铁纳米粒子能够有效提高肿瘤所在位置的磁共振成像对比度，这意味着，即使物理学家无法通过磁共振成像扫描肉眼辨识出癌症，纳米粒子也能帮助其探测到癌变。研究人员希望，未来能使用单一试剂或媒介进行诊断和治疗，这也是他们对使用磁性纳米粒子极具兴趣的原因所在。
赵群称，当癌细胞经历了高温环境也会表现得对药物更加敏感。这一研究将为其他旨在利用磁性氧化铁等可生物降解的纳米粒子材料抗击癌症的研究铺平道路，例如，携带和传输抗癌药物直达肿瘤部位等。
（4）发现能留驻脑部肿瘤的黄金纳米粒子。2012年4月15日，美国斯坦福大学医学院的一个研究小组，在《自然·医学》杂志网络版上发表研究报告称，他们发现一种黄金纳米粒子能进入并留驻在脑部肿瘤内，同时通过3种不同的成像方式观察都可见到精确显示肿瘤的轮廓，这使脑瘤的移除提升至前所未有的精度。
研究人员表示，因为其要尽可能地保留患者大脑的正常部分，即使是技艺最精湛的外科医生也无法保证脑瘤切除后不会遗留癌细胞。这在恶性胶质瘤的移除上表现得尤其明显，该癌细胞可沿血管和神经束轻易扩散，使健康组织发生病变。此外，源自原发肿瘤的微转移也可在周围健康组织生根发芽，而这都是外科医生无法用肉眼识别的。
在小鼠的实验中，新技术能借助包裹了成像试剂的黄金纳米粒子突出小鼠的恶性胶质瘤组织，使手术更易进行。粒子的尺寸约为人类红血球大小的1/60。研究人员推测，这些粒子由小鼠尾部静脉注射后会优先在肿瘤内留驻。纳米粒子可沿血管抵达周围的肿瘤组织，粒子的黄金核心涂覆了含有钆的特殊涂层，可使粒子适用于3种不同的成像方式，即磁共振成像（MRI）、光声成像和拉曼成像，每种都能有效提升手术效果。
MRI可在手术前较好地显示肿瘤的边缘及位置，却不能在手术过程中大脑处于动态时完整地描述肿瘤的侵略性增长。纳米粒子的黄金核心能吸收光声成像的光脉冲，并随着粒子微微升温生成可检测到的超声信号，并从中计算出三维的肿瘤图像。由于这种成像方式可深度贯穿，并对黄金粒子的存在十分敏感，它能保证在手术过程中对肿瘤边缘的实时、准确描述，引导医生移除大部分肿瘤，提升移除精准度。
但上述两种方法都不能分辨出健康组织和癌变组织的区别，拉曼成像可促使纳米粒子的某一外涂层放射出波长不同的难以探测的光，黄金核心的表面能放大这些微弱的拉曼信号，并能被特殊的显微镜捕捉到。由于这些信号只会从藏身于肿瘤之中的纳米粒子发出，因此科研人员可轻易分辨出每一点残留的癌变组织，使肿瘤的彻底清除更加容易。
研究人员表示，该技术有望在未来协助对致命性脑癌的预报，并可延伸至其他的肿瘤类型。
2．纳米材料抗艾滋病病毒功能的新发现
2005年10月，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校与墨西哥大学研究人员联合组成的一个研究小组，在《纳米技术》杂志上发表论文称，首项研究纳米金属微粒与艾滋病病毒HIV-1相互关系的实验结果显示，附着在HIV-1病毒上的大小1～10纳米的金属银微粒，能够阻止病毒与寄主细胞相结合。
研究人员在实验中把纳米银微粒与泡沫碳、聚乙烯吡咯烷酮，以及牛血清白蛋白等3种不同的试剂混合，这样可以避免出现较大的结晶颗粒。
通过透射电子显微镜可观察到，泡沫碳中的纳米银微粒相互结合在一起，利用超声波将其表面的水去除后，研究人员得到了大量银微粒，大小在16.19（±8.69）纳米左右，有二十面体、十面体或者形状拉长等各种不同的外形。聚乙烯吡咯烷酮中的纳米银微粒则使用甘油作为消溶剂，得到的微粒大小为6.53（±2.41）纳米。而牛血清白蛋白试剂中的纳米银微粒在硫磺、氧、氮等化学物质作用下形成的稳定银微粒，大小约为3.12（±2.00）纳米。
研究人员表示，三组微粒的形状是通过不同的吸收光谱来分别确定的，而大小则利用可见紫外光光谱曲线图来描画。
随后，研究人员把三组纳米银微粒与HIV-1细胞分别放入试管，在37℃环境中培养。3小时后，以及24小时后观察结果均显示样本中HIV-1细胞无一存活。
研究人员发现，纳米银微粒浓度超过25ug/mL时，对HIV-1细胞的抑制作用更为明显。此外，相比之下泡沫碳比其他两种试剂的效果更好，同时银微粒的大小也不能超过10纳米。研究人员认为，纳米银微粒穿过HIV-1细胞中的糖蛋白，并借助糖蛋白上的硫磺残留物附着在细胞上，糖蛋白之间的空隙约为22纳米，正好可以容纳银微粒。
尽管实验结果表明，纳米银微粒能够抑制HIV-1细胞，但研究人员表示，还需要进一步实验来观察其长期效果，同时人体试验也在计划中。由于前期实验证实，纳米银微粒能够有效地附着在其他微生物有机体上，因此研究人员也将开展有关银微粒抗其他病毒的实验。
3．纳米材料其他医学功能的新发现
2006年12月，由美国麻省理工学院脑与认知科学系专家埃利斯·本克主持的一个研究小组，在《纳米医学》杂志上发表研究成果称，他们与香港大学医学院研究人员在合作研究中发现纳米肽蛋白纤维液体能够迅速止血。有关人士认为，这项发现不但会改变外科手术的过程，同时也会对人类的医学发展起到至关重要的作用。
研究人员声称，外科医生在手术台上的一半时间都用在了止血上。血流不止就会在短时间内夺走人的性命。尽管现行的止血方法很多，如止血钳、烧灼伤口、药物收缩血管等，但它们都有不尽如人意之处。
研究人员表示，纳米肽蛋白纤维原本只是用来为仓鼠的脑细胞做修复，但他们在实验过程中发现了它神奇的止血功效。纳米肽蛋白纤维液体主要由缩氨酸组成，接触到伤口以后会自行聚合成保护性的透明凝胶，像一道屏障封闭伤口，从而达到止血的效果。
目前，研究小组已经在一系列哺乳动物身上展开试验，从老鼠到猪所试验的器官组织包括：大脑、皮肤、肝脏、脊髓、腿骨动脉等部位。本克说：“它的疗效非常快，即使这些动物服用了稀释血液的药物，这种液体仍然能够在15秒以内止住血液的流失。”同时，由于这种纳米肽蛋白纤维凝结物在伤口上是透明的，所以在手术中无须将它移除，避免了伤口受到污染的可能，这给其将来在无菌环境下进行手术中的运用提供了必要条件。
另外，纳米肽蛋白纤维几周后在生物体内会自动降解为普通的氨基酸，被周边的细胞吸收，无毒无副作用，也不会引起体内通常会有的排异反应。相比目前军事上常用的止血剂，这种液体的优点在于，无论伤口多深或者形状多么奇怪，都不会影响它的效果。
然而，让研究人员困惑的是他们现在还无从知晓，这种物质在生物体内是如何发挥神奇作用的。因为止血最基本的原理就是使伤口的血液凝结成块，但是纳米肽蛋白纤维液体却并不是这样。因此，埃利斯·本克保守预计这种液体真正运用于临床医治患者至少需要3年的时间，并且首先会被用在战场和交通事故的急救中。
尽管这种止血方法还没有在临床中使用，但很多外科医生却已经对此表示了浓厚的兴趣。美国贝斯以色列女执事医疗中心的肠胃病主任医生瑞姆·查太尼就十分看好纳米肽蛋白纤维在救治肠胃出血患者时的应用前景，他激动地说：“这真是令人兴奋的发现，也将是我们能使用的最简单的止血新方法。”