看过《复仇者联盟3/4》的小伙伴们相必都会对钢铁侠的纳米战甲印象深刻，这套纳米战甲平时隐藏在西服与反应堆中，需要时会迅速释放覆盖全身，必要时也可在局部集中，形成如“盾牌”，“铁锤”之类的功能器件。正是在这套战甲的助力下，我们的托尼才能和灭霸打得有来有回。
在漫画中，这套马克 50 战甲被称作“血边战甲”，国外大神 Phil Saunder 利用电脑合成技术为我们展现了这套纳米战衣的运作原理。整个战甲的形成可分为四步：
纳米粒子从西服释放，然后迅速包裹全身
形成神经网络（控制系统）
纳米骨架构成
形成仿生肌肉组织结构（这是区别之前战甲的主要特色）
纳米战甲的启动过程 [1]
可见，纳米战甲材料并不完全从中央的弧形反应堆释放，西服的每个部分都会储存一部分纳米材料，需要时会迅速渗出。而为了保证纳米材料的高度定向，该战甲内置了 F.R.I.D.A.Y 操作系统，可实现战甲与西服间的自由切换。
那么，我们如何才能打造一套这样酷炫的战甲呢？
当我们想要将科幻变为现实时，总是需要考虑更多的细节及技术的可行性，然而遗憾的是，钢铁侠战甲所必须的技术：可控核聚变、飞行系统、减震系统等，以目前的科技水平完全达不到电影中的要求。
所以，像钢铁侠一样翱翔天空还是一个梦想，但这并不妨碍我们先 DIY 一个战甲过过瘾！科幻不必完全遵从科学，这才使得我们能够产生天马行空的想法。所以，我们就先假设钢铁侠的战甲技术已经存在且已成熟，而我们要解决的是：
如何实现纳米技术在战甲上的应用
事实上，光纳米技术的应用都够写几十万字的综述了，而想要应用在战甲中，我们需要考虑的是二者如何结合。
首先我们需要了解：何为纳米技术？
纳米技术 (nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在 1 纳米至 100 纳米（1 nm= 10^-9 m）范围内材料的性质和应用的一种技术。
我们肉眼的极限分辨率 0.1 mm，而一根头发丝厚度为 0.003 m，一个原子的大小在 0.1 nm 左右，所以纳米科学是关注极小尺寸的科学。
纳米技术涉及的方向虽然分类方式很多，但大体可分为四类：纳米材料、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学。简而言之，纳米技术是一门复杂的交叉学科，涉及到材料的合成，表征以及应用。
一根头发丝=60000个1 nm的颗粒
当材料接近纳米尺寸时，其多种性质会与宏观材料不同，如铜在宏观下导电，但到了纳米尺度，其导电性能可能就会消失，又如磁性材料，在纳米尺寸时其磁性可能是宏观状态下的上千倍。
而具体到实用，纳米材料存在一个巨大的技术难题：团聚。
根据电影中表现出的战甲性能，纳米金属可以在身体表面自由流动，收缩自如。但如果不直接在基底表面加工或沉积，由于较高的表面活性，纳米颗粒之间会倾向于团聚结合为二次颗粒，这些颗粒尺寸通常都在微米级，已经丧失纳米材料的性质。
所以想保证颗粒的分散性，纳米材料在使用前都需要经过分散工艺。 而就目前的技术，想要把储存的纳米材料迅速分散沉积在基底表面较为困难，等纳米材料均匀的沉积好，我们的钢铁侠已经被灭霸揍趴下领便当了。
奄奄一息的托尼·斯塔克正等待纳米材料
小编倒是想到一个法子，给钢铁侠准备一个装满分散好的纳米粒子的容器，每次作战前，跳进去泡一泡，出来后利用盔甲自身的能量进行热处理，增强纳米涂层的结合力。这种工艺结合了化学合成中的溶胶凝胶法（Sol-Gel）和我国北方澡堂文化，将科学研究与民俗生活有机结合，为保护地球免遭外形侵略做出了杰出贡献。
溶胶凝胶法是一种常用的纳米材料合成方式，通俗的解释，就是把菜品（前驱体）制备成“果冻”，再经过“煲汤”（水热法）或“烤箱”（烧结炉）等热处理工艺得到的美味佳肴（纳米材料）。所以，你可以把我们的钢铁侠当作“涮羊肉”里的羊肉，需要丢到“纳米火锅”里涮一涮。
利用溶胶凝胶法（Sol-Gel）直接制备分散性良好的纳米材料
你将看到，钢铁侠随身携带大铁罐，打架时一言不合就泡澡，必要的话，还可以邀请复仇者联盟的同伴共浴，岂不美哉！画风大概是这样：
身负纳米罐的钢铁侠，Emmmm~~~这个画风
像是走错片场了
如果配上奇异博士的实时传送功能，托尼在复仇者联盟基地建一个纳米澡堂，需要时让博士把自己传到澡堂，这样就能及时补充所需的纳米材料，泡完“纳米澡”又是一条好汉。
真正的（纳米）无限战争
另外一个不得不考虑的问题则是纳米材料的控制，以及到底选用什么纳米材料？
直接浸渍得到的纳米涂层很难实现自由活动，所以，我们只能排除直接储存纳米颗粒的方案（泡澡方案泡汤了
）。
目前比较理想的方案是采用纳米机器人技术。纳米机器人是根据分子水平的生物学原理设计，实现对纳米空间进行操作的功能型纳米器件，由诺贝尔奖得主理论物理学家理查德-费曼率先提出这一概念。
其最典型的应用就是利用纳米机器人进行人体的疾病治疗以及自我修复，如消除体内的肿瘤细胞，进行微创手术等。纳米机器人的定义与真正的机器人有较大的区别，小到一根纳米棒、纳米管，都可以称作纳米机器人，发展到现在，第三代纳米机器人需要实现机器人的操控与迁移，还需要为机器人添加微型芯片以及驱动装置。
纳米机器人构成及用途（来自网络）
目前已知最先进的半导体加工工艺当属 ASML 的 7nm 光刻机了，而纳米机器人尺寸最小可控制在几百纳米，在某一维度可能只有几十纳米，想要将芯片与纳米材料组装，加工难度极大。
纳米机器人攻击肿瘤细胞（来自网络）
驱动纳米机器人有很多方式，电场、磁场以及超声场都已被证明可用于操控机器人。国外甚至有的科学家打起牛“精子”的主意，用碳纳米管套住精细胞头部，留出可自由活动的尾部，利用精细胞较强的活力以及穿透细胞壁的特性，将药物直接运输至肿瘤细胞处释放，有助于癌症等疾病的攻克。小编觉得，“救人一命胜造七级浮屠”，这些精细胞下辈子一定可以得冠军。
利用精细胞驱动的 “纳米机器人” [2]，不得不佩服科学家们的想象力
其实在很多影视作品中，纳米机器人都曾大放异彩。前段时间，《哥斯拉·怪兽之王》让观众们过足了怪兽打架的瘾，明年还将上演哥斯拉大战金刚的戏码，所有人都在好奇我们的 “骷髅岛靓仔” 怎么和哥斯拉对抗，毕竟不可能再 “喂吃树” 解决战斗了。
老版的对决戏中，金刚请哥斯拉“吃树”
早先哥斯拉的相关影视作品中，就将纳米机器人作为对抗哥斯拉的重要武器。动画《哥斯拉·决战机械增殖都市》中，人类被史上最强哥斯拉打得一度逃离地球，在夺回家园的作战中，一种可以完成自我增殖的纳米金属成为了人类战胜哥斯拉的唯一希望，这种纳米金属其实就是一种能够吸收有机生命体的纳米机器人，具备治愈及强化的能力，但同时也会改变宿主的生命体征。
身高 300 米的史上最强哥斯拉 V.S 自我增殖 2 万年的纳米机械都市
回到我们的钢铁侠战衣，使用纳米机器人作为战甲的材料是最合理的选择。而纳米机器人的制备，包括湿法合成、3D 打印、气相沉积都是可选的方案。此外，我们还需要考虑到钢铁侠在战斗中纳米机器人的巨大消耗，在泰坦星单挑时，最后因材料储备不足，连面部都无法及时修复。所以，战甲必须具备实时批量制备纳米材料的功能，可以及时补充损耗。
我们的纳米战甲需要实现：
快速实时合成纳米材料
将纳米材料快速运输至身体的各个部位组装
当机器人损失量过大时可实时进行补充
由于战甲的纳米材料需要在各种极端环境下运作，所以利用 “小蝌蚪” 进行输送的方案也被排除了。一个可行的技术方案便是选用芯片控制，将成品芯片组装在纳米材料之中，通过钢铁侠战甲的控制系统输送至西装的各个部分存储，需要时释放。或者，将纳米材料运输至芯片处进行组装。
而要实现纳米机器人的实时组装，选用湿法合成不太现实，额外的液体存储会增加人体负担；比较理想的方式是使用气相沉积包覆的制备方式，可直接利用空气，不需增加额外重量。
气相沉积又分为物理与化学两种方式，化学法的优势在于可调控性更强，但缺点是速度慢，同时在战甲内储存各种各样的化学试剂对于使用者本人也有安全隐患，另外所有的前驱体试剂需要通过加热蒸发后进行反应，这也无形之中增加了隐患。
化学气相沉积（CVD）的工艺示意图
相比之下，物理法虽然调控性不强，但效率更高，制备方法更简单，更容易集成。常见的物理气相沉积（PVD）方法包括：热蒸发、磁控溅射及电弧等各类气体放电法。钢铁侠的电弧反应堆正好可以为气体放电提供需要的能量，气体放电可在真空或常压条件下实现，能满足钢铁侠上天入地的作战需求。
磁控溅射技术原理
使用物理法只需将材料熔炼成靶材，利用不同的激发方式将宏观材料转变成原子，再由原子之间的碰撞凝并形成更大的颗粒，最终转变为我们需要的纳米材料。
不同尺寸规格的靶材
当我们使用 PVD 的方法得到纳米粒子后，通过 3D 打印的方式可将材料打印在芯片外层进行包覆并输送至身体的各个部位。但问题在于，传统的 PVD 技术多用来薄膜沉积，且多在低真空环境下进行，粒子从产生到沉积这段过程的可控性差。由于控制芯片尺寸较小，想得到包覆均匀的纳米机器人，技术实现难度较高。ALD（原子层沉积）可以实现较为均匀的包覆，但由于要储存大量的前驱体试剂，所以也不在我们的考虑范围之中。
那么如何实现物理法制备的芯片均匀包覆以及在线运输呢？
这需要较高的集成化加工工艺。荷兰一家叫 VSParticle 的公司将在线制备纳米粒子与 3D 打印技术结合，或许是现在唯一可行的方案。所有芯片事先通过 F.R.I.D.A.Y 系统导航至战衣的各个位置，后续产生的纳米粒子则利用气体运输至芯片所在处进行包覆组装甚至打印。
这种方法利用火花放电技术，两根靶材电极在常压条件下便能实现纳米粒子的制备，而纳米粒子分散在气体中形成气溶胶，可任意输送至任意位置。这种方法可以通过战甲直接利用空气，也解决了粒子的输送难题。
火花放电产生纳米粒子的原理
巧合的是，这种气体放电的反应室正好可以集成在钢铁侠胸前的电弧反应堆中。根据电影设定，这种新型反应堆全称 “等离子弧反应堆”，其原型为一种 Tokama 核聚变装置，利用通电产生的强磁场产生的高温等离子体引发核聚变反应，而火花放电利用的是低温等离子体对靶材进行加热。所以，两种技术具备较好的兼容性。
在《钢铁侠2》中，钢铁侠差点就因为钯中毒一命呜呼，就是因为高温等离子体烧蚀靶材时产生了较多的纳米钯，无处排放最终进入血液。
老式反应堆和新反应堆
所以，由于核聚变反应堆不需要金属烧蚀，这部分消耗的靶材可以通过气体运输成为纳米机器人的材料来源。毕竟，贵金属靶材对于钢铁侠来说根本不算钱。
火花放电与钢铁侠还挺搭
完成纳米材料的制备后，用气体将材料输送至芯片表面进行包覆或直接打印图案。随着技术的发展，3D 打印技术已实现多喷嘴工作，对复杂图案的加工技术也日臻成熟。
利用气溶胶打印将纳米材料输送至芯片所在处组装
当我们的纳米机器人完成组装后，在控制系统的控制下，纳米材料就可以表现出不同的性质。在这一领域，我国的研究者们已经走在了世界前列，浙江大学的课题组利用原位透射研究了纳米颗粒在不同的气体氛围及温度下的形态变化，这对评估纳米催化剂在真实条件下的反应有重要参考作用。气体小分子的吸附对颗粒表面的结构有较为明显的影响，或许有朝一日我们真的能见到电影中的纳米修复及纳米护盾技术。
钯铜纳米合晶在氢气氛围下的变化 [3]
国外团队使用金属镍在氦氧氢的混合气氛中的原位实验 [4]，你的肉眼可看不到纳米颗粒在线蹦迪哦
同样，纳米金属颗粒在sub-10nm时也会表现出液体的性质。东南大学的团队利用原位电镜研究了银纳米颗粒的液相性质，在具备流动性的同时保持了高度的结晶性，简而言之我们的纳米颗粒就像你家的猫一样，是“液体”做的。
同时，该团队利用电子束辐照实现了二维纳米材料 Bi2Te3 的自我修复，为纳米材料修复提供了更多的思路。
银纳米颗粒介于液相与固相之间的性质[5]
纳米银和猫一样，都是“液体”
电子束辐照下的二维纳米材料修复 [6]
综上所述，制造一套钢铁侠战衣几乎动用了现在所有的前沿科学技术，需要各学科的交叉研究与支持。怪不得钢铁侠本人拥有物理学及工程学博士学位及多个硕士学学位，同时，最重要的，你还要有钱！！
这是一句玩笑话，不过也许钢铁侠的技术离我们还很遥远，但至少我们看到，仍有那么多的科研工作者在为此奋斗着，为我们社会的发展做出了重大的贡献。每一位科研工作者，都是值得尊敬的钢铁侠！更是我们的超级英雄！
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参考文献
[1] https://ironman.fandom.com/wiki/Mark_L
[2]Magdanz,V., Sanchez, S., & Schmidt, O. G. (2013). Development of a sperm-flagelladriven micro‐bio‐robot. Advanced Materials, 25(45), 6581-6588.
[3] Jiang Y, Li H, Wu Z, et al. In SituObservation of Hydrogen‐Induced Surface Faceting for Palladium–Copper Nanocrystalsat Atmospheric Pressure[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2016,55(40): 12427-12430.
[4] Dr. Marc Willinger & Dr. RamziFarra, Fritz-Haber-Institute fur der Max-Planck-Gesellschaft, Germany.
[5] Sun J , He L , Lo Y C , et al. Liquid-like pseudoelasticity of sub-10-nm crystalline silver particles[J]. Nature Materials, 2014, 13(11):1007-1012.
[6] Shen Y , Xu T , Tan X , et al. In Situ Repair of 2D Chalcogenides under Electron Beam Irradiation[J]. Advanced Materials, 2018:1705954.