互动科普

本文全面披露了一种纳米驱动器的研发内幕，这可不像人们所说的那样简单。

很多工程师都有这样的兴奋：设计出一种新颖的产品，然后投入大规模生产，再然后出现在全球市场上。我们希望在三年内就可以体会这种喜悦：推出一种全新类型的机器。实际上，我们认为这种可能性大于50%。

作为科技前沿，纳米技术近年来为人们谈论的很多，他要求机器工作在十亿分之一米这样的尺度。微机械电子系统（MEMS）根据计算机芯片制造技术设计的具有精确传动部分的装置。在这方面的研究现在基本上是吹得天花乱坠，能够商业化的产品很少。

在IBM内部，我们戏称该项目为“百足虫”。如果一切顺利的话，2005年左右你就可以买到邮票大小的一种记忆卡，用于数码照相机或者便携式MP3播放器。它可不像一般的闪存卡那样只能存储几十兆的音频或者视频数据，而是能达到数G字节的存储量，这足以存下整张CD的音乐或者几部电影。你可以对卡中的数据进行擦除和重写。它的速度会很快，耗电量也适中。您可以把这种产品称之为纳米驱动器。

这种最早期的应用也许有一定的吸引力，但无法造成震撼性效果，毕竟现在市场上已经出现了存储量在1G字节量级的闪存卡。“百足虫”最吸引人的地方在于它采用了一种完全不同于磁性硬盘、压缩光盘和基于晶体管的存储器芯片的数据存储方式。经过数十年的惊人进步，这些成熟技术已经进入了终点跑道；无法突破的物理极限隐约就在它们面前。

与此相反，第一种纳米机械装置则刚刚崭露头角，我们还能对它进行数十年的改进。从理论上来说，类似于“百足虫”这样的装置所能读写和擦除的数字比特位将持续变小，直到它们成为单个的分子甚至原子。随着纳米驱动器运动部分的变小，纳米驱动器的速度将越来越快，用电效率也会越来越高。使用“百足虫”技术的第一代产品将最有可能是用于照相机、移动电话和其他便携设备的高容量数据存储卡。这种纳米驱动器卡的功能将和现在用于这些设备的闪存卡大致相同，只是它的容量将高达数G字节，其成本也将更为低廉。“百足虫”技术对材料科学的研究、生物科学以及许多甚至目前还无法预见的应用都将是巨大的帮助。

正是这样的美好远景，让我们在5年前激动不已。沿着这条路，我们发现绕过某些障碍的唯一方法，常常来源于偶然的发现。幸运的是，这条路上不仅有无法预料的障碍，也有一些出人意料的礼物。看来只要你勇于进入新的领域，自然总会给你一些回报。当然有时自然也不是那么仁慈，这时就需要你自己去克服困难。我们在解决这些问题时工作艰难，但也没有艰难得过分。某一阶段我们无法解决的问题，或许在年后就又有了答案。在这样的情况下需要良好的直觉，通过直觉你就知道，这个问题一定能够解决，只不过目前还不知道如何去解决而已。

我们的梦想

从某种意义上来说，“百足虫”发源于足球场。本文的两位作者都工作于IBM苏黎世研究实验室，并同在实验室的足球队里踢球。我们是通过另一个队友Heinrich Rohrer的介绍而认识的。Rohrer从l963年开始就在苏黎世实验室工作，Vettiger也是在那一年进入该实验室的；而Binnig和Vettiger一起于1981年合作发明了扫描隧道显微镜(STM)，这项技术为人们提供了长久以来梦寐以求的观察和操纵单个原子的能力。

1996年，在一个变化相当大的环境里，我们都在寻找新的项目。上世纪90年代的早期对IBM来说是一段困难时期，那时公司刚把激光科学方面的成果卖了出去，而这方面的技术负责人就是Vettiger。此时Binnig也关闭了他在慕尼黑的卫星实验室并回到苏黎世。我们和Rohrer开始以头脑风暴的方式来寻求STM以及其他扫描探测技术，特别是原子力显微机(AFM)在科学研究以外的其他领域中的应用。

Binnig发明了AFM技术。此后他又和苏黎世实验室的Christoph Gerber以及斯坦福大学的Calvin F. Quate一起发展了该技术。AFM是使用最为广泛的局部探测技术。和STM一样，AFM为显微镜方法带来了一种根本性的新手段。与通过棱镜导引光束或从物体上反射电子以放大物体的方法不同，AFM在物体的表面上慢慢拖曳或者拍打一个微悬臂。悬臂的末端安装一个逐渐缩减到宽度不足20纳米(数百个原子)大小的一个尖端。当悬臂尖端通过物体表面的凹进和凸起时(或者直接接触，或者和它极端接近)，计算机就能把悬臂杆部的偏转转换成一幅图像，在最好的情况下，可以得到所通过的单个原子的图像。

上世纪80年代中期Binnig在制作第一个硅原子的图像时，他曾不经意地让尖端持续撞击硅片表面，这样就在硅片上产生了很小的凹痕。将STM或者AFM用作原子级的数据存储装置的可能性是显而易见的：敲出一个凹痕代表1，没有凹痕则代表0。但是困难也是显而易见的：尖端必须机械地跟随媒质的轮廓移动，与硬盘盘片的高速旋转或者晶体管的纳秒级转换时间相比，它的扫描速度实在是太慢了。

其他的优缺点也很快明晰起来。由于悬臂极度微小，尖端直接接触媒质表面的AFM比STM或者非接触式的AFM运行起来快多了。但它还是没有磁性存储快。而在另一方面，接触式AFM的尖端在扫描金属表面时磨损得太快了，并且一旦尖端敲击出一个凹痕，还没有什么明显的办法可以“擦除”它，也许这点才是最重要的。

足够便宜，此外它还必须在低功率下工作，对手持设备这一点尤其重要。同时另一个因素也很关键，这个系统必须经受用户在长期使用中所带来的损伤而保持可靠的工作。

我们还发现了比PMMA工作得更好的聚台体。在这些塑料上，凹痕至少能稳定保持3年，阵列中的每一个点都可以写入和擦除10万次以上。但我们还不清楚尖端是否能承受数年使用期的打孔动作。我们团队中的Durig和Bemd Gotsmann正在和IBM阿尔马登实验室密切合作以改进现有的聚合体或开发出新的聚合体．使之能满足我们存储应用的要求。

虽然可以很轻易地在“百足虫”的媒质图像中分辨出网格中哪些部分包含凹痕而哪些没有，要设计出一种简单的具有近乎完美准确率的识别电路以完成同样的功能可不是一件容易事。如果凹痕均匀地分布在直道上而且它们的深度相同的话，识别哪些比特是1哪些是0的工作就将变得简单得多。这就意味着扫描平台必须做得很平，它必须平行干那些尖端.推动时必须做匀速的线性运动——所有这一切只能有几个纳米的误差。直到最近我们才发现，用硅制的叶状弦将扫描平台悬挂起来，我们就能更好地控制它的运动。即使是这样，我们还将加一个对这两部分的相对位置非常敏感的动态反馈系统这样当我们的装置在慢跑健身机的束腰带上颠来颠去时，也能满足纳米级误差的要求。

任何产生热量的机械系统都需要考虑散热问题，“百足虫”也不例外。只要聚合体媒质和硅悬臂之间的温差超过1摄氏度数据比特的排列就不再和尖端一一对应了。补偿这种不匹配的反馈系统会增加复杂度并因此增加成本。对这个问题目前我们还没有找到最好的解决方案。

幸运的是，在这里大自然再一次帮助了我们。“百足虫”以及承载聚合体薄膜的存储基层都是用硅制作的。在同样的温度下，它们的膨胀量是一致的。此外，尖端阵Ⅱ和基层之间的距离是如此之小，以至于它们之间的空气成为了一种良好的热导体。在它们之间很难出现温度差异。

由于这个项目已经成熟到可以进入产品开发的初步阶段，Thomas R．Albrecht加入了我们团队。他是来自于IBM阿尔马登研究中心的一位数据存储方面的技术人员。IBM的VdcrodlJve就是在他的领导之下推人市场的。将“百足虫”从实验室带到消费者手中这一过程正是“百足虫”在未来数年内将面临的挑战。

对于我们团队的成员而言，这种向产品开发的转变，意味着我们将越来越多地向他人妥协，其中设计的倒退是这当中最困难的部分，但同时这也是项目成功的关键。

实际上直到现在，我们也不敢肯定“百足虫能最终成为商业化设备。虽然我们研究人员认为它不会再有大风险，但当新的原型系统运行时，我们仍然很激动。如果我们运气好，最新的原型系统还会暴露一些问题，而我们知道如何解决这些问题。

不管怎么说，我们都很兴奋，至少，这种纳米机械技术使得研究者第一次能够以接近原子级的解析度来扫描一平方厘米的材料。到目前为止，该项目中已经产生了近30项相关的基本专利。没有人知道纳米驱动器能否走入市场，但它们必将成为某种有用的新型机器，这就是对我们的回报。