纳米技术的魅力

十年或二十年后人类将进入一个一切皆有可能的新纪元。我们今天的技术将在纳米革命后相形见拙,就像石斧和超级计算机的鲜明对比。至少科学先驱们是这样断言纳米技术的。就像今天每个家庭都拥有微波炉一样,将来每个家庭也会拥有一个“纳米控制器”。通过对分子有目的性的操纵,一只旧鞋子也可以在一两个小时之后变成一块美味多汁的牛排。
nanotechnologie

听起来像科幻小说,但在今天的实验室里已经变得可能:研究者们已经利用扫描隧道显微镜发明了一种纳米未来世界的万能工具。它可以移动每一个指定的原子和分子。二十年前这还是无法想像的事情。“Quarks & Co”(电视科学节目)提出疑问:纳米乌托邦会是什么样子?有没有理由去害怕一个拥有永不停息的纳米机器人的未来?是否未来会有“迷你潜水艇”在人体里巡逻搜寻癌细胞?

 

现代炼丹术士? 纳米技术专家和他们的故事

晚上,纳米技术专家回到家,往纳米控制器内放进一个不明基体,五分钟后出来一个美味多汁的牛排。这种情景当然只出现在科幻片里,但对于前沿纳米技术专家们来说,这也是一个可信的未来预言。
全新世界?

一些纳米技术员相信,在50年或1000年之后,人类完全可以自己生产各种材料和物质:人类可以自定义组装一个个原子,不再有垃圾,不再有环境污染,不用花大钱。

alchemist医学专家如美国的罗伯特.弗雷塔斯(Robert Freitas)今天就已经在梦想未来的纳米医学。一个小型机器人可以通过血液循环杀死病毒,修复细胞并在体内进行一些其他的有用的工作。人工合成的可自行移动的红细胞携带有益的氧气去拯救心肌梗塞患者。其他迷你机器人甚至可以消除基因损伤。

其他科学家相信,人类借助纳米技术可以研制出“比钢还坚硬50倍同时更轻便的新材料”,他们预测说。

电脑会小得多,轻得多,并且性能好得多。拟人机器人减轻了我们不少工作。在智能性上,他们比我们优越得多。
woertchen如果没有如果……

这些预想可以轻松提出,但作者却不一定要提供它们是否能够以及何时能够变为现实的证明。

值得注意的是,今天的纳米技术能创造的可能性与这些预想存在巨大的落差。技术人员还远远不能制造出可以在纳米级范围内工作的微型机器人。 今天的机器人身上最小的部件也是几微米大小,还没有头发丝直径的一半那么大,但对于纳米范围来说却大了一千倍。

至今也还没有实现对原子机械性控制的三维组合(类似乐高积木)。为了实现通过原子组合出物质,需要数以百万计的纳米机器人,那么又如何操控这些机器人并给它们输送能量呢?许多问题尚待解决……

纳米世界的旅行

在一次美国物理学会前瞻性的谈话中,美国物理学家理查德.费曼(Richard Feynman)自问,是否有可能将整个《大英百科全书》写在一个大头针的针头上?经过一系列推算后费曼甚至提出一个论述,即理论上来说,全世界的文学名著都可保存在一个如尘粒大小的三维物质中。他用一句话总结了他的思考:“底部有足够的空间。“这番言论让诺贝尔奖得主费曼成为纳米技术的第一个预想家。

整个纳米技术是关于探索和控制原子和分子世界中的最小结构的科学。一个原子的大小大约是十分之一纳米。比较一下:一米对于一纳米来说,就像地球的直径对于一颗榛子的直径一样。纳米世界的大小范围是从100纳米开始的一个流动的范围。 纳米空间的运行规则和我们宏观世界的规则截然不同。

只有几个纳米大小的微粒被称为纳米微粒。它们也具有独特的特性。相对于它们的体积来说,它们具有巨大的表面。所以由纳米微粒组成的涂层可以特别坚硬防刮。原因是:其他微粒的粘合力和结合力都直接取决于表面的大小。

瑞士纳米刀

1981年,两名IBM计算机公司的研究人员利用一台极其简陋的机器做到了一件别人都认为是不可能的事情:他们观测到了单个的原子。实际上这位德国人格尔德.宾尼希(Gerd Binnig)和瑞士人海因里希.沃尔(Heinrich Rohrer)只是想以尽可能小的尺度观察物品表面。人们由此发明一种专门观察原子的显微镜:扫描隧道显微镜。原理是:让一根极细的针慢慢接近试验样品。当针尖与物品表面的间隙小于一纳米时,就会有电流产生。这种非接触电流是纳米世界的特性,被称为隧道电流。针尖会被逐行从试验样品上方带离,以保证隧道电流一直存在。针应一直与试验样品保持相同的距离。计算机会记录下这些用以保持相同距离的升降运动,以此得到物品表面的精确的高度图。

扫描隧道显微镜得到飞速的发展。一个显微镜家族由此产生。这时的显微镜不仅可以帮助创建高度精确的表面图,而且还可以在原子水平上考察其他材料特性,如导电性、磁性以及弹性。宾尼希和沃尔因这一天才的发明而获得1986年的诺贝尔物理学奖。
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扫描隧道显微镜在1989年由显微镜一跃成为一种工具。美国人多恩.艾格勒(Don Eigle)注意到,他在使用显微镜时,显微镜的针尖移动了一些物品表面的原子。通过一些练习后他便可以有的放矢地操纵原子了。今天,这种技术也成为了标准,即使它被一些科学家视为无意义的小游戏。

自我组织—未来的设计方法?

在所有对纳米技术的未来的想像和赞美中,有一个重要的问题充其量只得到一个模棱两可的回答:到底要如何生产纳米组件呢?

computerchips传统:蚀刻、切割、拉锯

至今生产小物件都遵循一个简单的原则:对一个大物块进行加工,锯、切割、蚀刻直至得到想要的形状。这种被专家称为“自上而下”的方法在过去一直很成功。电脑芯片就是这样生产的 。但这种方法有种限制:即使用尽技术上的所有技巧和方法,也无法生产出小于50纳米的工件来,至少不能大量生产。因此人们开始想到另一种方法:他们想通过排列原子来组建纳米产品。

atome自下而上:排列原子

自从格尔德.宾尼希1981年发明扫描隧道显微镜后人们便有了用来操纵原子和分子的合适的工具。最近柏林大学的研究人员甚至利用扫描隧道显微镜成功拆散单个的化学键并进行了重组。但是这个方法具有一个明显的缺点:太慢。即使是一个纳米微粒也常常包含几十个甚至几百个原子。对这些原子进行重组需要耗费大量时间。

plastikmolekule绝妙方法:自我组织

出路可能是一个绝妙的方法:自我组织。原理是:将零件全部凌乱地放入一个盆里,这些零件会自动进行自我组装。这个方法只有在作为元件的原子和分子得到充分准备的条件下才可以实现。马克思-普朗克研究所的研究聚合物的科学家们在美因兹尝试以此生产具有特殊性能的人工塑料分子。如果它们的两端都充好电并具备化学反应性,那么它们会自己组成有规则的晶格,这是成为纳米细丝的第一步。
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柏林技术大学的毕姆贝格教授(Prof. Bimberg)的研究团队尝试了另一条道路:他们在一个底板上蒸腾气化原子。几秒之后这些原子就自动重组成5纳米高的绝对规整的棱锥体,并且每立方厘米有几百万个。这个效果是基于被蒸腾的原子和底板间的相互作用。这些棱锥体是一个全新高效激光器的组成部分。

而最佳自我组织者非大自然莫属:植物、人类、动物等等的产生毕竟没有依靠任何设计或工具。