纳米技术

这是一个划时代的技术:纳米技术带领我们走进一个用光学仪器无法达到的世界,因为它们的结构小于可见光的波长。无形世界就在眼前,欢迎来到纳米世界。

您一定还记得,当您小时候把洋葱皮、花瓣或头发丝放在显微镜下观察时看到的那些图像,在光的折射作用下,闪闪出现于目镜中,充满了不寻常的魅力。相比研究实验室,光学显微镜更多用于学校。虽然它对某些研究工作还是有些用处,很多科学家还是努力将他们的视野扩展到显微世界之外。

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那里是一个全新的、尚且陌生 的世界。这个世界用光学仪器基本无法观察到,因为它的结构小于可见光的波长。因为我们将其大小和距离用纳米(百万分之一毫米)表示,所以我们将这个不可见的王国称为纳米世界。大体上说,纳米世界的物质比原子大,但比细胞小。这是一个从微小的链状分子(如葡萄糖)到相对较大的活细胞链状分子比如蛋白质和核酸的分子级的世界。

我们应该学会微观思考,因为至少有三个原因推动我们去探索纳米世界:小即效率(电路的微型化),小即具体(分子是独立个体),小即智能。单分子,比如一个DNA链,可以携带大量信息。上亿相同的DNA链所携带的信息却并不比单个分子多——但我们至今仍需要上亿的分子来读取信息。一旦我们破译了单个分子,我们也就能够在微乎其微的体积上处理上亿不同的DNA序列,从而有可能操作一台高效的DNA计算机。

这些以及其他类似的思考激励了科学家们开发规格最小的新技术,微小却还可以可靠地存储和加工信息并执行机械功能、化学功能以及电子功能。这种最小的规格也就是分子级规格,是许多应用领域尤其是数据加工的最佳选择。这就是纳米世界。

这个最小的规格也是细胞进行一切力学、化学和信息处理的规格。生物化学花费了几乎整整一个20世纪的时间才大体上查明活细胞的运行原理,其原因之一就是因为纳米世界根本无法通过肉眼观测。结构学家们在过去五十年里不遗余力地使用许多间接方法,才使细胞的分子结构清晰地呈现在我们眼前。这些分子结构由一系列纳米杰作汇聚而成,精彩多元,它们的运行原理往往和人类工程师们在有形世界研发出来的机器原理截然不同。

所以,试图掌握纳米世界的研究者们常常从借鉴细胞内的所有物开始研究。虽然至今的进程耗费巨大而且效率低下,并且为获得新功能而扭曲了许多原有的结构,但我们仍然可以从“自然界的纳米技术”中学到一些知识。这些原理看似简单,但却在过去的35亿年中成功成为这个世界赖以生存的基础。

 

“小"世界的低调魅力

当"纳米技术"这个词语在上世纪80年代风行时,与其相关的猜测都尤其受到埃里克.德雷克斯勒(Eric Drexlers)的著作中决定论的影响。在这些著作里,单个原子的定位被称作是新技术的核心。自然界本不接受单个原子的独立存在。理论上只由两个碳原子相互连接的简单化学反应(用以最终生成糖分和其他碳水化合物),实则是发生在细胞的复杂网络里的一系列耦合反应,在这些耦合反应中,每个参与者至少具有三个碳原子。

这些分子比原子更易操作,它们的化学反应活性可能以微妙的方式彼此不同,而且它们可以以高特异性辨识出自然催化剂即溶酶体,并区别于其他类似的分子。今天,大多数研究者们都一致认为,纳米技术的新纪元将是分子技术而非原子技术。
分子建设
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在分子结构里,每个原子都必有自己的位置。只要是小分子(如葡萄糖),合成化学家们就可以通过将单个原子逐一连接在一起而对其进行组合。但这种操作方式并不能生成如蛋白质一样复杂的大分子。相反,细胞会分几步进行。它将原子编排成为分子的基石,如氨基酸。第二步,它将这些氨基酸连接成为一条长长的链状分子, 这个链状分子可伸展为一个三维结构,而这个结构又可与其他蛋白质分子一起组装成高级复杂的机器。通过这种模块设计原理,细胞就可达到一个我们的技术无法触及的复杂程度。
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通过自然方式形成复杂分子结构的前两个步骤包含了传统化学。碳原子间的共价键实现了氨基酸和多肽链的生成。然而当这些链接进行折叠和聚拢时,大自然却使用了几十年前才打开化学之门的方法。是许多微弱的相互作用,而非共价键的作用,使蛋白质的这个三维结构得以保持。大自然并未使用外部作用力来生成这些连接,而是让这些生物聚合物自己完成使命。蛋白质分子会随时折叠,即使是最复杂的细胞分子,如带有多于50个大分子结构的核糖体都能自行随时聚拢。

 

通往纳米世界的道路

既然我们已经知道活细胞在纳米尺度内的运行规则,那么我们也应该能创造出类似的机制,至少可以作出最简单的水平。但我们最好如何开始呢?

基本上可以有两个方法:一个是“自上而下”,即从微观世界出发,利用现有的先进的微型化技术继续挺进纳米空间;而另一个是相反的“自下而上”,即利用化学及生物化学方法从小分子中构建出复杂的分子结构。

自上而下的方法比较简单,但实际操作起来却会在挺进纳米空间的道路上越来越难。这条道路要归功于持续几十年的计算机革命。因为集成电路的功能单元越来越小,标准芯片的性能在过去的二十年里每18个月就翻倍一次。这个现象首先被因特尔的创始人戈登.摩尔发现,所以被称为摩尔定律。

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因为芯片生产商已经不再使用可见光规格范围,为制造出更小的结构,他们不得不使用紫外线辐射,将来甚至会使用操作起来困难得多的X射线辐射。这样一来,结构减小每进一步,他们就会面临更大的挑战,但摩尔定律至今有效,也很可能还会在以后的几年里继续有效。
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虽然电脑制造商是纳米规格产品的最大客户,也是持续推进趋势强劲的微型化改革的最重要的动力,但其他行业也可以受益于同样的生产方式。按照芯片制造方法生产的小型机械化运动元件被称为MEMS(微型机电系统),在不久的将来可能会被称为NEMS,并以此探入纳米空间。

MEMS的成功史

MEMS领域的经典成功案例是汽车的安全气囊传感器。建立在MEMS基础上的加速计不仅被证实更小更好,还比传统的前身产品更便宜。所以它在短短几个月内就占领了世界市场。药物芯片也属于将来可能具有相似革命性影响的MEMS产品。该芯片在手术时被植入,用以给病人在手术后持续提供必要的药物。

MEMS也能在传感行业带来决定性的变革。不久前科学家们利用微加工技术研制出了一个“人工鼻”,这个人工鼻可以以前所未有的灵敏度从复杂的混合物中辨识出挥发性物质,如葡萄酒的气味。在传感行业,这两条道路(自下而上,自上而下)最终甚至有可能会产生竞争——-毕竟我们的味觉和嗅觉器官也同时具有高灵敏度的分子传感器。
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自下而上的方法则严格以大自然的纳米技术为导向,从小分子开始,利用模块设计原理,弱相互作用以及自组装来建立复杂的系统。在这个方法中有许多不同的策略,取决于人们从大自然学到了多少。