话题四

于细微处见神奇的纳米技术

纳米是一个非常小的长度单位，也称毫微米，即10 ^-9 米，大致为几十个原子排列起来的长度。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0.1～100纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，实际上就是用单个原子、分子制造物质的科学技术。当物质小至纳米尺度以后，性能有可能会发生意想不到的变化。这种具有特殊性质的材料被称为纳米材料。目前，纳米技术已成为当今社会最有前途的决定性技术，研究范围十分广泛，包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等。

细菌的致命陷阱

INTRODUCTION

细菌通常带负电，如果遇到带正电的有机导体多聚物，一定会黏附上去。美国科学家利用这一原理制成的有机导体多聚物空心胶囊，只需一小时便可杀死近95％的细菌。

有机导体多聚物可以被制成空心胶囊，从而成为细菌的陷阱。微生物普遍带有负电，当遇到从带正电的笼子表面伸出的薄片或细丝时，就会黏附上去。胶囊遇光会生成一种活性极高的氧分子，这种分子对细菌有毒性，只需一小时便可杀死近95％的细菌。这种胶囊是美国佛罗里达大学和新墨西哥大学的科学家发明的，可用作医疗仪器等多种设备的表面材料。研究成果于2008年11月24日发表于美国化学学会的《应用材料与界面》（Applied Materials & Interfaces）杂志上。

细胞受体磁控制

INTRODUCTION

细胞的种种行为，如分泌激素或破坏病原体等，都是由细胞表面的受体蛋白引发的。美国科学家用直径30纳米的氧化铁小珠使受体聚集并活化，从而实现了受体活化的人为控制。

细胞依靠散布于表面的受体蛋白来感受周围环境。这些受体锁定特定分子，引发一系列生化事件，进而引起种种细胞行为，如分泌激素或破坏病原体等。要想激活受体，往往要让受体先彼此结合。美国哈佛大学的唐纳德·英格伯（Donald Ingber）及其同事向人们展示，将氧化铁小珠通过二硝基苯（DNP）结合到产组胺肥大细胞（histamine-producing mast cell）表面的受体上，这种受体的活化便可人为控制。在外加磁场的情况下，这些直径30纳米的小珠会彼此相吸，从而使受体聚集并活化。在此过程中，研究人员检测到细胞内出现了一个钙离子峰，这是分泌组胺的第一步。此项技术可以使用来检测病原体的生物传感器变得更加轻便、节能，体内药物运输技术也会由此受到启发。2008年1月的《自然－纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志对这项研究进行了报道。

单分子马达

INTRODUCTION

美国研究人员制造出了世界上最小的马达——只有一个分子那么大。这种马达是一个丁基甲基硫醚分子，由电子流驱动。如果能让它在人类的控制下运作，就能利用它做很多事。

多年来，世界上最小的马达的直径为200纳米。它确实很小，只有一个红细胞的1/40。但美国塔夫茨大学的查尔斯·塞克斯（Charles Sykes）及其团队目前已经打破了这个纪录，他们所制造的马达是直径仅有1纳米的单个分子。与其他较大的马达不同，这种马达不是由化学反应或光能驱动的，而是用电子流来驱动。荷兰代尔夫特理工大学的约翰尼斯·塞尔登豪斯（Johannes Seldenthuis）说：“其实已经有很多人设计过这类分子马达，但能真正运作的，这还是第一个。”

现在，让我们看看塞克斯及其团队是如何制造这种马达的。这种马达是一个放在铜块表面的丁基甲基硫醚（butyl methyl sulfide，BuSMe）分子。BuSMe分子的一端是一个硫原子与四个碳原子，另一端则是一个碳原子。研究人员调低扫描电子显微镜，使它贴近铜块表面。电子显微镜释放出电子流，激发BuSMe分子内部的电子，使之来回旋转。由于这种分子是不对称的（该分子以硫原子为转轴，一个转臂为四个碳原子的丁基，另一个转臂为一个碳原子的甲基。当它旋转时，就会在显微镜下呈现出下图中齿轮状的样子），它的旋转会倾向于同一方向。渐渐地，受激分子就会沿着平面移动。

虽然这听起来并不像是马达，但它与人体内的分子马达却十分相似。塞克斯说：“如果你见过生物马达就会知道，它们只是在那里晃来晃去，看上去似乎根本没发挥什么作用。”实际上，我们身体里有很多这样的结构。例如，细胞膜中就分布着许多将离子导进导出的分子泵。另外，还有一些细胞马达，会将物质从细胞中的一个区域运载到另一个区域。

这就是单分子马达的重要意义所在。塞克斯说：“如果你能让它们在你的控制下运作，你就能利用它们做很多事。”如果研究人员能真正复制出细胞膜中的那种分子泵，那他们就可以用这些分子马达做一些非常高效的实验——把实验设备搬到微小的芯片上能减少每次实验所需的空间、费用和时间。

在铜块表面旋转的单分子马达。

分子密码锁

INTRODUCTION

以色列科学家研制出了一种单分子级密码锁，只有遇到正确的化学和光序列时才会被激活。例如：遇到碱性分子，随后是紫外光时，密码锁会发出蓝光；而如果先遇到酸性分子，然后是碱性分子，最后是紫外光时，密码锁会发出绿光。

以色列的化学家发明了一种分子，可以用来制作密码锁，用起来就像在家用安全系统的小键盘上输入密码一样。这种分子很像细菌分泌的一种含铁化合物，当一组紫外线和两个化学信号激活它的荧光分子时，分子锁就被“打开”。接下来，发光分子携带的信息就可以对使用者进行认证，或者触发另外一套程序。这种分子“密码键盘”依赖于荧光，因此，即使只有一个分子，也同样可以发挥作用。另外，当对密码的尝试多于一次时，分子就会堆积，从而造成分子锁的堵塞，并阻止进一步的尝试。研究者建议，该装置可以和现有的基于分子的密码系统一道，用于保护高度机密的信息。一个未经认证的人即使知道锁的位置和解锁密码，数据也依然是安全的。该成果发表于2007年1月17日的《美国化学学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）上。

用阳光来制造氢气

INTRODUCTION

近年来，利用二氧化钛光催化剂分解水制备氢气作为一项大有希望的研究课题在世界范围内被广泛研究，但是还存在氢气转换率低的问题。最近，美国科学家利用6微米长的二氧化钛纳米管将氢气的转化效率提高了12％以上。

通往氢经济（hydrogen economy）的道路正在变得更加“光明”。现在，分解水分子释放氢气的纳米管可以更加有效地工作，而且它们很快就能利用阳光中的可见光部分了。

在工程上，利用阳光来分解水有三种方式：一种是太阳能电池，它保持着水分解效率的记录，但相当昂贵；另一种使用微生物，它并不昂贵，但目前只能产生极少量的氢气；第三种是光催化法，它依赖于半导体中短暂出现的游离电子（freed electron）——与水分子接触的电子会替换氢－氧化学键中的电子，这样，它们就能将水分解，产生氢气。光催化剂可能比太阳能电池更便宜，产生的氢气也比微生物法更多。

问题在于，用于水分解的光催化剂必须在水中才能工作，这些光催化剂只对紫外线发生反应，而紫外线在阳光中大约只占4％。那些能够吸收阳光辐射中更丰富的可见光部分的物质，本身又容易在水中分解。

科学家已经转而使用二氧化钛纳米管来解决效率问题。管状二氧化钛的效率约为传统薄膜状二氧化钛的5倍，因为管状的外形可以使电子更持久地保持自由状态。因此，一个电子拥有更多的机会来分解一个水分子。

二氧化钛纳米管经过改造，能够利用可见光将水分解成氢。

美国宾夕法尼亚州立大学电气工程师克雷格·格里姆斯（Craig Grimes）和他的团队，已经成功利用6微米长的二氧化钛纳米管，将紫外线到氢气的转换效率提升到12％以上。在1瓦特紫外线的照射下，纳米管每小时可以产生80毫升的氢气，这是纯光催化系统的最高效率记录。

现在，两个科研团队——美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家艾伦·巴德（Allen Bard）和同事，以及宾夕法尼亚州立大学的研究者——已经开始设计能够对可见光发生反应的二氧化钛纳米管了。他们把碳加到二氧化钛纳米管中，使纳米管吸收的光波波长向电磁波谱的可见光部分偏移。巴德说，在一种人造的紫外线和可见光的混合光源照射下，这种偏移令水分解的效率增加了1倍。他们的下一步计划是，开发一种能够在纯可见光下仍然保持高效的纳米管材料。

这两个团队的目标是，将二氧化钛纳米管在可见光中的水分解效率提升到10％以上，这是美国能源部近几年内的目标。格里姆斯进行过计算，如果用一种在可见光下效率可达12％的光催化剂来覆盖美国一户普通人家的屋顶，那么它每天制造的氢气约相当于11升汽油。

更听话的纳米“积木”

INTRODUCTION

纳米颗粒同时具备了微小原子和大块常规材料的特性，具有很广泛的应用价值。但它们通常呈球形，很难装配成固定的结构。最近，在制造和使用这些纳米结构方面，研究人员取得了突破性的进展。

纳米颗粒是研究人员很感兴趣的一种结构模块，它同时具备了微小原子和大块常规材料的特性。然而，它们通常呈球形，很难装配成固定的结构，只能像水果店里的橘子一样堆在一起。最近，在制造和使用这些过去难以操纵的纳米结构材料方面，研究人员取得了巨大的进展。

在2007年1月19日出版的《自然》（Nature）杂志上，美国麻省理工学院的材料科学家弗朗切斯科·斯泰拉奇（Francesco Stellacci）和同事们介绍了一种方法，能够使纳米颗粒变得像链条上的链环一样，彼此勾住，形成一串珠链。这种方法利用了所谓的“毛球定理”（hairy ball theorem），即对于一个表面覆盖着毛发的球体来说，如果想要抚平球上的所有毛发，必定会有两束毛发笔直地竖立着，分别位于相对的两个极点上（想象一下，如果沿着纬度线方向抚平地球仪上的毛发，那么最后两极处的毛发都会竖立起来）。

研究人员在金纳米颗粒的表面，覆盖了两种含硫分子构成的“毛发”。这些毛发竖立的地方就是金纳米颗粒表面的不稳定瑕疵——这里的毛发很容易被其他物质取代。斯泰拉奇小组用化学物质替换了这些毛发，这些化学物质能像手柄一样，让纳米颗粒彼此连接起来。

美国斯坦福大学的材料科学家崔屹（Yi Cui）指出：“这让纳米颗粒变得像个原子——准确地说，是一个有两个化学键的二价原子。这样，我们就能用它们来制作一些真正有趣的结构，就像将原子组合成分子一样。”斯泰拉奇介绍说，他的小组正在探索能够让每个纳米颗粒具有四个“化学键”的方法。

这些纳米结构能够和纳米线连接，制造先进的电子器件。研究人员可以用两种方法来制造纳米线：自下而上地装配或自上而下地蚀刻。前者要把每一个细微的、松散的、通常杂乱分散的原料整合成可用的电气设备，面临的技术挑战可想而知；相对而言，后者倒可以运用许多传统工业技术，如“类似钢锯的设备”，美国耶鲁大学的生物医学工程师埃里克·斯特恩（Eric Stern）解释说。传统技术制得的纳米线表面粗糙，影响了电气性能，斯特恩等则克服了这个困难。

附着在蚀刻纳米线（蓝色线条）上的抗体（蓝色和红色的Y形物体）可以探测溶液中的其他抗体，实现快速诊断。图中的长方形物体是电接点。

在2007年2月1日出版的《自然》杂志上，耶鲁大学的研究人员介绍了一种制造高质量光滑表面纳米线的蚀刻方法。这种方法的关键在于使用了一种名为TMAH（四甲基氢氧化铵）的铵盐。在当前采用过的所有溶剂之中，TMAH蚀刻硅的速度最缓慢，过程最平稳。耶鲁大学的生物医学工程师塔里克·法赫米（Tarek Fahmy）补充说，这项新技术与标准的半导体工业流程兼容，有助于将纳米线集成到电子器件之中。

事实证明，这些纳米线对环境因素非常敏感，与分子接触就能引起电压变化。它们能够感应细胞释放的酸性物质，从而在10秒钟内，探测到T细胞受外界物质刺激而发生出的活化反应。相比之下，常规的标记抗体化验方法通常需要几分钟乃至几个小时，才能查出这样的活化反应。研究人员还发现，只要致癌分子的密度高于每立方毫米60个，附着抗体的纳米线就能检测到这种分子，其灵敏度足以与目前最先进的传感器相媲美。

美国约翰·霍普金斯大学的免疫学家乔纳森·施内克（Jonathan Schneck）说：“有了用这类纳米线制成的设备，我们就能在急救室、办公室、战场等任何场合，现场为患者进行快速诊断。就提高设备反应速度而言，这种纳米线是我见过的最具潜力的工具。”

宝石上的纳米管

INTRODUCTION

电信号在碳纳米管中的传输速度远胜于在硅中的传输速度，理论上可以制造出速度更快的计算机。但在硅化合物表面制造的碳纳米管晶体管会因电极和硅之间的相互作用增加能耗，最近科学家们用蓝宝石作衬底解决了能耗高的问题。

碳纳米管可以在高级电路中制成理想的导线，不过，要把这些又小又黏、松松软软的丝状物排布成线，得费很大的劲。科学家们现在已经发现，蓝宝石晶体可以自动引导纳米管，将它们排布成建造晶体管和制作柔性电子元件所需要的图案。

纳米管在上：由铝原子（浅蓝色）和氧原子（红色）构成的蓝宝石衬底，可以自然地将碳纳米管定位。

电信号在碳纳米管中的传输速度远胜于在硅中的传输速度理论上可以制造出速度更快的计算机，美国南加利福尼亚大学的电气工程师周崇武（Chongwu Zhou）这样解释说。此外，纳米管还可以做得很小——只有传统硅电路中理论最小尺寸的1/5。

为了制造纳米管电路，科学家们可以随机散布纳米管，然后在任何可行的地方接上电极，也可以尝试先让纳米管彼此“生长”在一起，然后在上面制作电极。不过，所有这些方法都是缓慢而低效的。这让科学家们不禁想知道，是不是存在某种衬底，可以自然地将纳米管定位。在对不同的晶体进行了一年多的实验之后，周崇武和他的同事们发现，蓝宝石晶体正好可以胜任。蓝宝石晶体属于六方晶系，晶胞从底平面向上延伸。同时，他们还发现，蓝宝石的大部分纵向切片都明显地显露出规则排布的铝原子和氧原子，这可以促使纳米管沿着规整的方向整齐地生长。

在2006年1月的《纳米快报》（Nano Letters）杂志中，周崇武的小组报告说，他们用这种排列整齐的纳米管成功制作了晶体管。研究人员在可批量生产的人造蓝宝石上，涂上一层被称为铁蛋白（ferritin）的笼状蛋白质，再加以烘烤，同时让烃类气体（hydrocarbon gas）吹过表面。蛋白质中的铁会起到催化作用，使烃气中所含的碳生长为单壁纳米管。一旦蓝宝石被纳米管覆盖，研究人员就能够将晶体管的金属电极安置在他们想放的任何地方，再用高度电离的氧气去除多余的纳米管。

过去，碳纳米管晶体管通常都是在电子工业中常见的硅化合物表面制造的。它的缺点是金属电极和硅之间会相互影响，吸收电荷，从而降低性能、增加能耗。周崇武的方法消除了多余的消耗，因为蓝宝石是绝缘的，并不是像硅那样的半导体。他的方法与所谓的蓝宝石衬底硅（silicon-on-sapphire）的制作技术密切相关，IBM和其他芯片制造商已经将这种衬底工艺应用到高性能电路的制造当中。“因此我们可以从半导体工业中借用许多知识。”周崇武评论说。

在与其他的碳纳米管电子技术进行比较时，用蓝宝石衬底法制得的纳米管排布规则，密度也最高，每微米可达40个。周崇武说，其他方法只能达到每微米1～5个。纳米管的密度至关重要，因为电极之间的纳米管越多，可被传导的信号也就越多。通过改变铁蛋白中铁的含量，研究人员就能够控制纳米管的密度。

研究人员能够轻松地将纳米管晶体管制成柔性电子元件：将一层塑料薄膜烘烤到纳米管晶体管上，再剥离下来，晶体管就会附着在薄膜之上。碳纳米管柔性电子元件可以“轻而易举地”胜过目前工业中所采用的硅基柔性电子元件。周崇武预见到这种电子元件的实际用途，如可用于大型平板显示器、车辆挡风玻璃和智能卡。他还指出，这种规则排布的纳米管可被用作传感器：假如附着其上的分子能够跟癌症标志物或其他化合物发生反应，他们就可以通过这种纳米管来传送电子信号。

这些发现“是一项非常重要的结果，解决了与集成电路碳纳米管制造相关的一道最难的问题”，王康（Kang Wang）评价说，他是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校多功能纳米构建中心的主任。他指出了尚待攻克的另一道重要难关：确保使用这种技术制造的所有纳米管都是半导体性的，因为目前制造出来的纳米管还是金属性（完全导电）和半导体性纳米管的混合物。

纳米晶体管改造电脑

INTRODUCTION

晶体管是计算机芯片上的关键器件，晶体管的设计极大地影响着计算机的速度。最近，一种只有10纳米厚的晶体管有望实现规模化生产，这意味着晶体管能在较低的电压下工作，产生的热量更少，计算机的速度也将更快。

今天的每块计算机芯片上，都密密麻麻地排列着数十亿个晶体管，但自从1947年美国科学家约翰·巴丁（John Bardeen）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和威廉·肖克莱（William Shockley）在贝尔实验室制作出第一个晶体管原型以来，晶体管的生产一直都基于相同的原理。目前，物理学家展示了一种彻底简化的晶体管设计，能使计算机运行速度更快、耗电量更低。虽然奥地利物理学家朱利叶斯·艾德加·李林菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld）早在1925年就为这种设计申请了专利，但迄今为止仍未转化成实用器件。

每个晶体管都有一个门电极，它决定着电流能否通过半导体片，从而界定一个“开”或“关”的状态，这是计算机二进制运算的关键。传统的设计是，半导体片被加工成类似三明治的结构，即一种材料夹在另一种材料的中间。在“关”的状态下，这个“三明治”是绝缘体，但它可以转化为电导体，通常的方法是在门电极上施加一个电场。在芯片制造过程中，“三明治”结构是通过向硅片中“掺杂”其他元素形成的。例如，中间一层可以加入易于获得电子的元素；外面的两层则加入易于释放电子的元素。单独来看，每一层材料都是导电的，但除非门电极处于“开”的状态，否则电子无法穿过中间一层。

相邻材料层之间的边界叫作“结”。爱尔兰丁铎尔国家研究院的琼－皮埃尔·科林奇（Jean-Pierre Colinge）说，随着晶体管尺寸的缩小，如何在几纳米的距离内，使硅片中掺杂元素的密度发生突然变化，以形成一个明显的边界，已成为科学家面临的一大难题。

一种解决办法就是干脆去除边界。根据李林菲尔德的设想，科林奇及其同事制作了一种晶体管，其中只有一种掺杂元素，这样边界就不存在了。这种新型器件是一个1微米长的纳米管，其中掺杂了大量的硅，门电极横穿中部。门电极产生的电场会耗尽纳米管中间区域的电子，关闭晶体管，进而阻止电流通过纳米管。2010年3月，这个研究小组在《自然－纳米技术》杂志上发表了他们的研究成果。

要有效耗尽电子，纳米管只能有10纳米厚。直到最近，这种纳米管才有可能实现规模化生产科林奇说，“这个器件应该很容易整合在硅芯片上”，因为它与现有制造工艺是兼容的。他认为，无边界设计可以更有效地开关电流，这就意味着晶体管能在较低的电压下工作，产生的无用热量更少，速度也将更快（实际上，在经过了数十年的快速发展之后，过去数年，计算机的运算频率一直停顿在3GHz左右）。

位于美国纽约州约克敦海茨的IBM沃森研究中心物理科学部主任托马斯·西斯（Thomas Theis）认为，如果发明者能将无结晶体管的长度显著缩短，更好地与现有部件相匹配，那么这种晶体管的应用前景将不可限量。科林奇说，把晶体管的尺寸缩短到10纳米应该是可行的，他的团队正在努力实现这一目标。科林奇还透露，自从他们的文章发表以后，多家半导体公司都对无结晶体管很感兴趣，或许它们已经做好准备进入“无边界时代”了。 cDP3LKrXeTvYXv/fDv4TRwt++EK/Uf3FAnpG3rnOb8dGCPC9doNvbr6jneJz0gNe