纳米技术
纳米技术上的进步通常被称作下一个科学革命的催化剂。纳米技术应用十分广泛,比如医学技术、新制造业、水的纯化等。其中一个潜在的用途是开发生产和储存能源,并且减少全球变暖。微小的伞状纳米粒子被发射到大气层上层空间可以作为硫酸盐粒子的替代物进行太阳辐射的调节。
无论使用什么材料总是会落回到地面。但是经过设计的纳米粒子能在大气层待的时间更长并且能够有效地将太阳光反射回去。但另一方面,一旦这些纳米粒子下沉回到地面将对环境和公众健康造成不利影响。
2014年,美国政府国家纳米技术计划(NNI)的预算是17.02亿美元。最初人们认为纳米技术将带来伦理、法律和社会问题,所以预算中都会分出一部分资金用于专门研究纳米在这些方面带来的影响。
2014年NNI预算中用于研究纳米技术在环境、健康、安全方面的研究、教育和社会层面经费为1.57亿美元。NNI的大部分预算都用于能源研究,1.024亿美元用于研究太阳能收集和转化,另外还有美国能源部的纳米技术计划申请的3.69亿美元预算。这还不能包括美国政府其他项目赞助的资金,以及其他国家、私人企业在能源相关的纳米技术领域开展研究的资金。
纳米材料对于开发生产、获取、储存和分散能源更有效的方式十分关键。比如,采用各种纳米材料多层结构可以使太阳能电池更加有效地将太阳光转化成电能。将微型太阳能电池嵌在柔性材料上将降低成本,更轻的能源收集器可以安装在不平的表面。大容量的电池能够实现快速充电,从而使电动车成为天然气车的可靠替代品。
纳米技术专家的长期目标是能操纵原子和分子使其自我组织成有用的工具或者是极小的分子工厂,生产出满足特定规格的产品。《星际迷航》中的复制机,就能根据需求将原材料加工成任何食物,这也给我们提供了未来纳米工厂的美妙想象。但是,即使纳米机器只是能不停地完美复制同样的计算机芯片,工程人员、公司老板以及投资者也会兴奋不已。
纳米技术科学家从自然过程获取灵感,更为关注的是如何在极其微小的纳米规模下让没有组织的原子和分子听从他们的命令。纳米是1米的十亿分之一,或者说一根头发丝的十万分之一。纳米级就是任何大小在1~100纳米间的物体。原子和最简单的分子就属于纳米级。单个的水分子是0.3纳米。DNA两个分子链之间距离是2.5纳米,红细胞的宽度为7000纳米。
过去10年,纳米成了热门词,因为它能让人联想到太空技术。许多产品比如说雨衣的广告也说是纳米材料制成,虽然其使用的粒子远远大于100纳米。其他领域方面,因为公众已经认识到吸收某些纳米粒子会对身体健康造成长远的不利影响,广告商经常会说某个产品,比如说防晒霜,含有非纳米的氧化锌,意思就是其中的活性剂只会停留在皮肤表面不会被毛孔吸收。
原子规模操纵物质的可能性,在历史上可以追溯到1959年12月29日理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在一篇名为《底部有足够空间》的演讲中所说的:“我想建造10亿个微型工厂,模型相似,同时生产。”
费曼说:“物理学的原则,就我看来,并不排除一个原子一个原子移动东西的可能性。它并不尝试违反任何自然法则,原则上它是能做到的事,现实中我们没有去做,因为我们自己太大了。”
在发表此次演讲之时,费曼已经是一位世界知名人物。他年轻的时候参与过制造原子弹的“曼哈顿计划”。1965年他因为量子电动力学上的成就和别人一起获得了诺贝尔奖。后来,他通过出版畅销的自传成了名人。作为航天飞机挑战者号事故调查委员会专家,他在一次电视直播中,戏剧般地拿出了一个O型环,扔到一杯冰水里,证明它遇冷会脆化。他还颇具幽默感,时不时说出经典言论,比如:“物理学如同性爱,可能会有些实际作用,但这并非我们去做这件事的原因。”
许多物理学家都在读费曼的操纵原子导引的文稿,20年已经过去,工程师艾瑞克·德雷西勒(Eric Drexler)扩展了费曼的理论,他在1986年发行的畅销书《创造引擎:即将带来的纳米技术时代》中根据纳米机器的理念,激发一代科学家去开创一个理想未来:纳米机器人可以清理堵塞的血管,环境清理人员可以清除空气中的污染物,国会图书馆的所有书籍副本都可以存储在不到方糖大小的芯片上。他也吓唬了很多读者,编造了一个灰色的噩梦,在其中,可以自我繁殖的纳米机器人吃光了地球上所有的有机物质。
不久之后,政治家们也开始谈起了纳米技术的可能性。比尔·克林顿在2000年的一次演讲中说可能需要20年或更多时间实现这一想法。2003年,小布什签署了《21世纪纳米技术研发法案》。2001年—2004年,美国政府投入了200亿美元用于纳米技术研究。
随着大量资金涌向纳米技术研究,NNI以及其他国家的类似项目很快对材料学十分着迷,材料学长期致力于创造新的金属合金、塑料以及其他物质等。微型化工艺,比如光刻和蚀刻技术能够制造出用于硅的微细半导体,并且很快接近了纳米级。
纳米研究在创造成千种新材料方面非常成功,但是分子自我组成有用的物体或是建造微型纳米机器方面仍只是设想而已。决定单个原子行为的定律与主导大型材料的定律不同。这一领域的科学家必须首先了解纳米材料的特性,并充分利用其特性开展具体的活动。比如,以煤或石墨形式存在的碳元素结块不带电或光学性质,但是微型碳纳米管具有这些特性。碳纳米管的这些独特性质对于增强轻型自行车零部件的特性非常有用。但是,目前尚不清楚工程师对于更加精确地操作不同元素的单个原子所能取得多大程度的成功。
NNI的资金投入收到了成效:已经批准了2000~3000种人造纳米材料用于新产品。但是蜂拥而上寻找纳米技术的新用途时,我们是否忽视了其中存在的风险?许多分析人士怀疑其中有些纳米材料可能具有毒性,但是这些材料并没有经过严格测试,比如美国联邦药品管理局(FDA)要求药品在出售之前必须获得许可证。
FDA对于新药测试的规定是世界上最严格的。一种新药开发和获得批准需要7~10年时间,花费达5亿美元。对于每一种纳米材料也作相似的规定可能会减缓甚至中断大部分的纳米技术研究。只有一小部分开发出来的纳米材料有足够大的市场能承担得住如此巨大的测试费用。
FDA的确要求纳米技术必须经过基本的毒性分析。是否我们应当更为谨慎地采取更多预防性措施,并要求对纳米材料对健康的影响进行更多的测试。还是说纳米技术的潜在好处需要我们加速这一领域的研究?
如果我们不等上20~30年看看到底会产生怎样的影响,又怎么能知道如何解决潜在的风险?要有多少例的癌症、肺病以及精神疾病才能证明目前对纳米材料的健康风险所进行的测试是不够的?
对纳米材料进行更为严格的测试很困难,因为难以确定这种材料会加工成食物还是药物,还是不会用来吃的东西,人一旦吃下去,到底有没有害。比如说,FDA一直很担心几十年来一些产品被标榜为食物补充品,从而不用像药品一样需要成本很高的测试,但是这些产品可能也是有害的。
可以假设的是,如果防水织物的涂层是有毒的纳米材料,随着衣物的老化涂层可能会气化,从而可能被人体吸入。此外,有些材料在转化为纳米粒子时会改变性质,就像水在不同温度下可能会变成晶体、液体或蒸汽。再比如,如果你摄入了一点银,它会经过身体的系统不会造成伤害。在印度,银箔用来装饰甜点,可以当作食物服用,但是在美国不允许将银作为食物,因为银盐,以及与其他分子在一起的含银化合物是有毒的。
使问题更加复杂化的是,其他的银盐以及银纳米粒子是反微生物的,经常用于作为医疗装置的涂层,比如伤口敷料,甚至用在洗衣机中以阻止致病微生物的生长。随着越来越多的致病性疾病演变为对抗生素免疫,银纳米粒子的抗菌特征将变得更加重要。但多数人无法清楚是否或者是在什么条件下,银纳米粒子可能与其他分子结合形成有毒的化合物。
太阳能电池或电池中采用的纳米材料是不可摄入的,但重点应当是在装置的使用寿命结束后废物的产生和废物处理问题。生命周期分析是用于确定一个大型项目的影响或新材料应用的指标之一。
对于风险分析和环境影响分析非常认真的执行者,会努力控制偏见对其研究结果客观性造成的不利影响。一篇好的报告应当注意那些目前仍不知道的,要么是因为没有或不能开展必要的研究,要么是因为各种行动造成的结果太复杂,无法进行分析。
在最好的情况下,在决策过程中考虑的各个问题可以通过风险分析和成本效益分析进行说明。在具备很多具体条件约束的背景下,认真的分析可以相当准确地反映实际情况。报告将充满表明客观性的数字和图表。当然,环境影响报告和风险分析也可以包含许多价值判断,什么更重要、什么不那么重要,以及导致研究结果产生偏见的其他主观因素。
引入新的材料、设备和工艺将带来环境、健康和安全方面的关注并不是什么新鲜事。但美国几乎所有主要的环境法都是1969年—1976年之间制定的。1976年,美国政府颁布了《有毒物质控制法》(TSCA),要求对危险或者潜在的致癌物质进行测试。急性毒性试验是指将有可能被食用的某种新食物或物质的一部分剂量注射到试验动物体内。为了让TSCA获得立法机关通过,超过6万种先前存在的化学物质被免除测试。
考虑到纳米技术产品带来的新挑战,目前TSCA的修订还无法实现。
监管机构的资金和人手严重不足,因此无法有效地应对新出现的挑战。换言之,以为公众受到充分保护免于受到危险物质的侵害的想法只是一种错觉。未来如果发生了一场灾难,也许可以刺激公众对此关注,采取补救措施,并制定一连串的新法规。即使到那时,现有产品也可能会抵制检测,从而免于受到监管——这是建立更严格的安全体制的政治代价。
在加速发展和长期风险之间进行权衡,往往加速发展会获胜。特别是在风险尚不确定,预计的利益巨大的情况下尤为如此。公众健康和环境风险加大是其中的权衡取舍之一。在产生和储存能量的纳米技术创新发展过程中,仍然有很多机会成本。
全球气候变化和对清洁能源的迫切需求都是紧急事项,政府有必要对市场效益低的工业产品的发展提供补贴。政策制定者格外注重潜在的好处,希望通过创新和规模化生产,将最终使太阳能和风力发电成本与其他非可再生的能源相比具有竞争力。尚无证据表明能很快实现这一目标。
清洁能源的成本会下降,但是下降的速度可能在未来几十年里不会低于煤电的成本。同时,机会会失之交臂,因为额外的钱都花在了资助清洁能源,本来这笔钱可以用来资助其他的社会发展需要。政策制定者对于因为全球变暖应当放缓发展的观点持不同的态度。因此,我们并没有有效的方法对各种能源选择做出综合的权衡。
清洁能源的倡导者认为对各种能源进行成本比较是一种误导。煤、石油和天然气的生产商和供应商并不为他们的产品造成的环境和公众健康损失负责。他们提出对煤炭和化石燃料征收碳税,以弥补社会成本,实现公平竞争。但到目前为止,政客们对于如何应对碳排放税实施可能遭到的抵制并没有多少兴趣。对于很多政客而言,特别是那些所代表的选区拥有很强的石油工业,抵制碳税是否认全球气候变化的主要理由。
当然,购买价格并不一定能反映产品的成本。计算机的成本并没有考虑到过期后部件维修和回收利用的费用。塑料袋生产厂商并不为垃圾填埋场或受污染的水域买单。
确定市场价格与实际成本之间的差价并非易事。不过,学者们正忙于找到比较不同能源相关费用的方法。但即使他们最终成功,也会在对公共政策产生重大影响之前,遭到大量的政治因素干涉。
本书评论