新型納米級材料可將近紅外光轉換成可見綠光，如果把它注入老鼠眼睛，就能讓老鼠利用裸眼看到紅外光。

兩位生物技術研究人員通過向老鼠體內注射花粉粒大小的納米級器件，使老鼠具備了識別近紅外光的能力。長期以來，這種能力一直被認為只有少數動物（包括某些蛇、昆蟲和蝙蝠）以及人類使用特殊設備才具備。其中一名研究者是美國馬薩諸塞大學醫學院（University of Massachusetts Medical School）的生物化學家韓剛教授，他稱這種實驗嚙齒類動物為“超級老鼠”。該研究小組于2019年2月28日在Cell上發表了該研究成果。

老鼠和人類的眼球只能探測到電磁波譜的一小段——波長在400納米到700納米之間。較短或較長的波長（如紫外線和紅外線波段），對這兩種生物來說通常是不可見的。這是由于角膜和晶狀體過濾掉了大部分紫外線，而紅外線太弱，根本無法激活我們眼中的光感受器。中國科學技術大學生命科學教授薛天表示：“這是人類可見光譜的物理極限，但韓教授告訴我他們正在研究這種不尋常的材料。”

薛教授指的是所謂的光子上轉換納米材料（photon up-conversion nanomaterials），這種材料以其可將低能、不可見光（包括紅外光）轉換為高能、可見光的能力而命名。美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）材料科學家Chris Murray表示，實現這種功能的關鍵在于納米材料的組成，Murray并未參與這項研究。Murray說：“這種材料是由一系列稱為稀土金屬的元素構成，該類元素的特性之一就是它具有很長的激發態。”

當典型原子吸收能量時（例如來自碰撞的光子），圍繞原子核旋轉的電子就會以一種不同的、更高能級的模式運動，但時間很短暫。然后電子將迅速回到原來的能級，然后原子將儲存的能量作為另一個光子發射出去。對于大多數元素來說，這個時間是以十億分之一秒為單位的。

Murray解釋道，但對于稀土金屬來說，這種激發態可以持續百萬分之一秒甚至千分之一秒。這就有足夠的時間讓另一個光子撞擊原子并形成更多的能量。他補充道：“這就好像你爬上了滑梯的梯級，稀土金屬又有一點兒‘牽引力’，因此你可以在第二‘梯級’停留足夠長的時間，以等待下一波能量把你帶到更高的‘梯級’。”這使得稀土金屬可以吸收多個低能光子（包含紅外波段光子），并將這些能量以可見光范圍的單個高能光子釋放。

當韓教授告訴薛教授關于利用稀土金屬材料的這種特性時，兩人共同實現了薛教授的設想——所謂“像科幻小說一樣的瘋狂想法”。如果這些金屬能以納米材料的形式集成到動物的眼球中，科學家們或許能將不可見的紅外光轉換成可見光，從而將紅外視覺信息直接傳遞到視網膜，進而有效地創造出電子眼。薛說：“起初我們懷疑這種想法的可行性，但嘗試后發現效果還不錯。”

韓教授和薛教授利用兩種稀土金屬（鉺和鐿）和一種名為ConA的蛋白質，構建了他們的納米粒子。韓教授解釋道：“鐿吸收紅外光，然后將其能量轉移到附近的鉺原子上，而后鉺原子就會發出綠光。”具體來說，該納米材料吸收980納米的近紅外光（該波段紅外光相對接近可見光光譜的紅色邊緣）。ConA蛋白附著在微粒上，幫助引導納米粒子進入眼中的感光細胞或光感受器。當納米顆粒進入眼睛時，該蛋白質會使納米顆粒像藤壺一樣附著在光感受器的表面。

韓教授說，從理論上講，當納米材料發射出可與眼睛的自然光感受器相互作用的綠光光子時（約有一半時間），眼睛就可以將紅外光看成為綠光。為了測試該材料能否真正讓老鼠在近紅外光下看見東西，韓與薛完成了他們能想到的所有測試。他們證實，這種經過改進的光感受器在與紅外光相互作用時，會向大腦發出電信號。他們將紅外光照射到改良過的老鼠眼睛里，來觀察老鼠的瞳孔是否會收縮，結果顯示老鼠的瞳孔的確收縮了。相比較，未經改良的老鼠對這些測試沒有類似反應。未參與這項研究的美國西北大學（Northwestern University）生物醫學工程師John Rogers感慨道：“該研究非常巧妙。最有力的證據就是這一系列行為測試。”

該研究的一項實驗中，韓和薛把他們改造過的老鼠一個接一個地放進水池里，如果老鼠找不到經過隱蔽的平臺，它們肯定會淹死。這些老鼠已被訓練得學會識別放置在該隱蔽平臺上的、顯示出圖案或形狀的LED指示牌。薛說：“老鼠想要抵達平臺保證自身安全，因此它們會直接游到LED指示牌處。”所以薛使用隱形的近紅外LED代替了可見光LED。結果發現，沒有注射納米粒子的老鼠會在水池里漫無目的地游蕩；但注射過納米粒子的老鼠立即找到了平臺。薛感慨，這個現象讓他不寒而栗，他說：“我們自己甚至都看不到近紅外LED指示牌，但改良的老鼠每次都會游向正確的近紅外LED指示牌，這太可怕了！”

該實驗意味著老鼠不僅可以利用近紅外視覺來辨別周圍世界的形狀和圖案，而且還能有效利用它來增強自身能力。環境紅外光一直存在于地球表面，在可見光不足的夜間，它對人類卻很有用。韓說：“這就是人類發明夜視鏡的原因。”這些夜視設備可將周圍的紅外光轉換成顯示屏上的可見光，讓人們在黑暗中看見。韓希望其研究團隊的新技術有一天也能達到類似的目的。韓說：“我們的納米器件是在眼睛里，因此沒人知道你有它，這樣你可以成為超人。”

然而，Murray指出，這個夢想離現實還有很長的路要走。Murray說：“這‘科幻’元素可以賦予生物體更強的能力，是個令人著迷的想法。”但他補充道：“這有些不現實，這些材料還沒有那么高效。”首先，夜間沒有足夠的環境紅外光讓這些納米粒子產生真正相干的圖像。其次，薛和韓的納米顆粒還需經過美國食品和藥物監督管理局（U.S. Food and Drug Administration）漫長的審批程序，才能用于人類的商業用途。這期間還將包括在非人靈長類動物身上進行試驗，以及一系列安全測試，完成所有程序可能需要經過數年。

但是Murray發現了其他潛在的應用。他說：“紅外光可以探入身體深處，讓我們完成想做的事情。”因此他推測，在可見光無法輕易到達的地方，這些納米顆粒可被用來幫助激活某些光敏藥物或治療方法。或者它們也可用來研究可見光是如何與我們身體內部器官相互作用的。Murray說：“我們還不能完全理解體內光線對人體的影響，因為體內沒有正常的光感受器。這種紅外深穿透激發是目前此類材料的研究熱點。”