互动科普

纳米技术正风靡一时，大行其道。但它能实现其雄心勃勃的目标吗？而且，纳米技术到底是什么？

阿尔伯特·爱因斯坦在其博士论文中曾根据糖在水中扩散的实验资料计算过一个糖分子的大小。他的计算结果表明，每个糖分子的直径约为1纳米。1纳米为1米的十亿分之一，是微观尺度的核心。10个氢原子一个挨一个排起来，其宽度就是1纳米，相当于一般细菌的长度的千分之一，一个针头的大小的百万分之一，乔丹那肌肉强健的腿长的十亿分之一，此外，1纳米恰好也是一项重大科研成就——纳米技术——的尺度。

在爱因斯坦发表这一卓越见解将近100年后，纳米尺度在科学研究中的重要性迅速膨胀起来。如果爱因斯坦今天是一位正在寻找其事业方向的研究生，他的博士导师或许会催促他考虑微观的东西：“去搞纳米技术吧，阿尔伯特”将是导师对他的劝诚，纳米技术已经成为科学技术中最受追捧的热门学科之一，仅次于生物医学研究与防务研究之后(攻克癌症和建立导弹防御系统仍然占据最优先地位)。纳米技术领域是一只庞大的百宝箱，这个领域与打造微型器件有关，但这些东西常常只是碰巧有用。纳米技术大量地吸取了凝聚态物理学、工程学、分子生物学以及许多重要的化学分支的成果那些一度称自己是“材料科学家”或“有机化学家的研究人员现在都摇身一变，成了纳米技术专家。

典型的纯学术研究人员可能倾向于说他们自己是“中尺度工程师”，但要煽起轰动效应，还得靠“纳米”(nano)这个术语来炒作。从事分子操纵的科学家们对于如何吸引并拉住公众的注意力早已是拿手好戏，或许这一本事并非在杜邦公司发明了其公司口号“化学助你改进产品质量、提高生活水平”之后才开始。而在纳米技术这个例子中，研究人员需要拉拢的就是华盛顿那些掌管着研究经费的议员们的投票了。一位曾协助组织克林顿政府争取纳米技术拨款的活动的前白宫官员Duncan Moore指出，“要想说服预算与决策部门为你提供更多的资金，你就得端出一些新颖的、动人的、尖端的、前沿的东西来。”

既然纳术技术被人看好，资金也就随之滚滚而来，而这是导弹防御系统之外获得大量资金的一个研究领域。克林顿总统去年年初宣布的“国家纳米技术计划(NNI)是一个多部门的联合项目，旨在大幅度增加对纳米科学工程技术的资助。9月30日截止的联邦财政年度为NNI拨出的预算经费为4.22亿美元，这标志着对纳米技术的资助比上一年猛增了56％。从目前的发展趋势来看，2002财政年度NNI的预算经费又要增长23％，虽然布什政府提出要削减联邦政府大多数为研究开发提供资金的部门的拨款计划(见NNI的网站www. Nano. gov)。纳米热不管在哪都在火爆发展。各大学建立的纳米技术研究中心和跨学科研究小组在30个以上，而两年前还不到10个。此外，纳米热的兴起并只限于美国。据美国全国科学基金会(NSF)的统计，其它国家对纳米技术的总投资已经从1997年的316亿美元增加到2001年的835亿美元。

说来也怪，一伙不那么出名的未来学家的想象力也对纳米热起了推波助澜的作用。这伙未来学家异想天开地沉浸在诸如长生不老、财富无穷之类的好梦中，另一方面又成天担忧着一群群只比爱因斯坦的糖分子稍大一点的自复制机器人将会发展到无法控制的地步，从而造成大破坏(如果你想对“自复制消费品、超级健康、超级经济以及第一波工业化不可能实现的种种发明这样一个时代”有所了解的话，请上网看看“纳米技术”杂志的网站（http://planet-hawaii.com/nanozine/）

当克林顿在去年的一次讲话中提出纳米计划时，他充分发挥了其想象力，但却没有多少具体的东西。他宣称，纳米技术有朝一日或许能把国会图书馆收藏的全部文献存储在个只有糖块大小的装置里，或者是制造出其强度相当于钢的10倍，而重量只及钢的零头的材料。但这并不仅是一位好幻想的政治家信口开河的高谈阔论。人们想不到的是，科学界本身在提到“纳米技术”这个词时，对于它究竟指什么也是有点稀里糊涂。斯坦福大学的生物物理学家Steven M．Block去年在国立卫生研究院的一次纳米技术讨论会上发表讲话时尝试对其下一个定义。他说，“现在的情况是纳米技术的定义取决于你问的是什么人某些人显然是用这个词专门指他们所搞的东西，而其他任何人所搞的东西则被排除在外。”

弄清定义

纳米技术的定义的确难以捉摸。某些纳米技术涉及的并非纳米尺度，而是微米尺度上的结构（1微米为百万分之一米），因此实际上比纳米尺度大了1000倍或1000倍以上。此外，在许多情况下，纳米技术也说不上是技术，而是对纳米结构——此类结构至少有一个维的长度是1纳米到几百纳米——的基础研究。（从这个意义上说，爱因斯坦应该算是一位纳米科学家，而不是纳米技术专家。）更令人糊涂的是，有些纳米技术早已存在。例如，早在“纳米”这个词头被人们大炒而特炒之前，纳米大小的炭黑颗粒（或叫高技术烟灰）作为一种增强剂已经在轮胎中使用了100年。从这一点上来看，疫苗（它常常含有一种或数种纳米尺度的蛋白质）也可能跻身于纳米技术之列。

但无论是纳米科学还是纳米技术都有其明确的一面。纳米世界是单个原子与分子的世界和宏观世界之间的神秘的结合部。（前者是量子力学占支配地位，后者则是无数原子的集体行为形成了物质——无论是钢梁还是糕点里的奶油夹心——的整体性质。）在其最底端，也就是一纳米左右的尺度范围内，纳米王国与物质的基本结构单元相邻接。因此，它确定了最小的天然结构，从而成为微型化过程的最终极限：不可能造出比它更小的结构了。

自然界早在数十亿年前就创造出了纳米结构。不过，国家科学基金会主管纳米计划事物的官员Mihail C. Roco为纳米技术提出了一个更严格的定义。这个新兴领域（指新的而非老式的纳米技术）涉及的是具有下列几个关键特征的材料与系统。第一，它们必须至少有一个维具有1纳米到100纳米的尺度。第二，它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质。第三，它们能够组合起来形成更大的结构。使用纳米结构的狂热源于这样一种设想——纳米结构可能具有优异的电气、化学、机械与光学性能，至少是在理论上具备这样的性能（但越小并不总是越好，关于这个问题，请看本期文章《大有发展前途》）。

与Roco的定义对的上号的现实世界纳米结构的确是存在的。把若干非磁性层——其中有一层的厚度小于一纳米——交错地夹在磁性层中，便做成了磁盘驱动器的探头，其灵敏度要比先前的磁头高出许多倍，从而使每块磁盘的表面上能够存储更多的数据。这类巨磁阻磁头自1997年问世以来，已经成了刺激销售额为数十亿美元的存储器行业发展的启动技术。

能够对单个分子或原子成像并进行分子或原子操纵的新工具迎来了纳米技术的新时代。纳米革命的象征就是扫描探针显微镜(包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜等等)，这类显微镜能够产生单个原子的图像并将单个原子从一处移动到另一处。IBM公司苏黎世研究实验室甚至把原子力显微镜中使用的纳米级针尖安装在一块微芯片的1000多根微型悬臂上。所谓“Millipede”装置中的针尖能够把数字位记录在一块聚合物板上。这项技术可能有助于发明一种其存储密度为现今最好的磁盘驱动器20倍以上的数据存储器件。

纳米世界中已经涌现出了各种各样的打造纳米结构的方法。其中一类名为“自上而下”的方法采用了类似于雕刻的过程，也就是从表面上削掉整块的材料或将另外的材料加在表面上。微芯片很快就将成为此种方法最引人注目的一个实例，据称现在微芯片上的电路线宽已经缩小到几乎不超过100纳米。与这种方法相反的是“自下而上的制造技术，它通过自组装过程装配出较大的结构(自组装过程的原理是让原子和分子在适当的条件下自发地形成有序排列。)纳米管(具有不寻常电气特性的圆筒形石墨结构)就是自组装纳米结构的一个好例子(参看《微观世界的建造艺术》一文》。

超越硅片

纳米技术之所以大行其道，在很大程度上是因为电子芯片中的电路尺寸不断缩小拥有大型研究实验室的电脑公司(如IBM公司和惠普公司等)都已经制定了实质性的纳米技术研究计划。一旦传统的硅电子技术开始走向末日——这一天可能在今后10到25年内来临——新的纳米技术电子器件就极有可能取而代之。纳米技术值得赌，虽然还不是绝对有把握赌赢现在还没有人知道，用纳米管或其它某种新奇材料来制造电子器件，是否能使芯片性能的提高毫不停顿地继续进行下去，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造的成本(参看本期文章《令人惊讶的纳米技术》)。

即使在奔腾25芯片中不是用分子尺度的晶体管来处理数据，纳米技术所打造的电子器件也很有可能融入一些将会揭示登峰造极的微型机器——生物细胞——之奥秘的新颖装置中。事实上，在硅时代之后的纳米计算机扮墨登场之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途(参看本期文章《以小胜大的纳米医学技术》)，为了探测细胞的活性，只需要相当少的用半导体材料制作的纳米标记，相比之下，一台纳米计算机必须有数十亿乃至数万亿个晶体管一起工作才能执行其功能。一家名为“量子点公司”(Quantum Dot Corporation)的企业已经问世，它将利用半导体量子点作为生物实验、寻找药物的研究、诊断化验以及其它种种应用场合中的标记。

生物学以外的最早一批产品利用纳米微粒来改进基本材料特性。例如，Nanophase技术公司(这一行业中的少数几家上市公司之一)生产供防晒剂使用的纳米级氧化锌颗粒。由于这些极为细微的颗粒不散射可见光，因此使本来呈白色的防晒膏变成了透明的。

美国政府的纳米技术计划当然超出了防晒剂之外。这一计划设想的目标是纳米结构材料，此类材料可能有助于缩小航天器的尺寸、减轻其重量并降低其能耗，有助于创造将有害副产物排放减到最低的绿色制造工艺，并有助于为通过分子工程制造的可生物降解虫杀剂打下基础。这个领域的范围极其宽广，而且某些纳米次级专业中的基础研究仍然在起步阶段，因此人们担心它是否能够实现其可能需要20年才能实现的雄心勃勃的技术目标。美国国会研究局2000年发布的一份报告指出，“虽然纳米技术有极其巨大的发展潜力，但部分科学家认为，这个领域的定义过于模糊，而且关于纳米技术的许多宣传可能是言过其实的炒作，并不符合当今科学预测的实际情况。”

纳米之梦

任何尖端研究总有其内在的风险，但纳米技术却背上了一个特别沉重的包袱。纳米技术这一领域本应是一项正经的研究，然而现在人们一听到“纳米”这个字，马上就联想到一帮喜欢做白日梦的未来学家，他们视纳米技术为通向一个技术乌托邦的捷径，将给世界带来登峰造极的繁荣，无污染的工业，乃至长生不老之类想入非非的东西。

1986年——即IBM公司研究人员Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明扫描隧道显微镜之后5年，他们因此项发明而荣获诺贝尔奖——K. Eric Drexler所著的“创世机器”（Engines of Creation）一书描述了如何实现对物质的神力般的操控，因此引起巨大的轰动。这本书介绍了自复制纳米机器的种种神奇功能。它们能够制造几乎任何一种有用的东西，同时还能扭转全球变暖的趋势，包医百病并大大延长人的寿命。在大学拥有正式职位并从国际科学基金会获得研究课题费的科学家们对这类幻想嗤之以鼻。他们指出，这些东西从根本上说是不可能实现的，因此不会是对未来前景的一种荒谬可笑的预测。

从那以后纳米技术就一直被这种幻想的色彩所笼罩，然而幻想的色彩也可能给纳米技术带来某些意想不到的好处。在科学界以外的许多人看来，Drexler对纳米技术的预测巧妙地将科学与幻想融入一体，令人不得不信服。关于细胞修理机以及家用食物培养机（前者可以延缓乃至克服我们所知道的衰老过程，后者则可以为我们供应种种食物而无需杀生）的种种议论使人们被这些微型机器弄的神魂颠倒，以至于真正的科学家也受到影响，有意地或不知不觉的利用这些微型机器来使人们注意到他们自己的不那么耸人听闻，但却现实得多的项目。将一项研究课题冠以“纳米技术”的名称，肯定要比称它为“应用中尺度材料科学”听起来更为诱人。

Drexler的工作还有一项比较间接的好处——它实际上可能起着把人们引入科学事业的作用。在Drexler的想象力的启发下，一大批科幻作品纷纷出笼（参看本期《微观世界的引烛》一文）。有关Drexler式的纳米技术的著作是科幻小说的一个流派． 而不是对未来的实事求是的预测，但它可能起着与科幻影片《星际旅行》相似的作用。当年《星际旅行》曾激发起众多青少年对空间的向往，而这种空间热有时会引导他们最终投身于航空航天或天体物理学等领域中。

真正的危险在于聪明人对于Drexler的预测作出表面上的判断。去年，Drexler式的纳米技术又被人们翻出来再次炒作——一位名叫BiliJoy的杞人忧天者（太阳微系统公司首席科学家)在“Wired”杂志上发表文章，愁眉不展地谈到纳米机器人的繁殖失控可能带来严重后果。他说，一大批迅速蔓延开来的自复制机器人（Drexler称其为“灰雾”)可能给人类社会造成非常大的威胁，因此我们应当考虑停止发展纳米技术。但是，这一主张分散了人们对真正的“纳米雾”(即化学武器与生物武器)的注意力。

那些现在已加入纳米技术专家行列的真正的化学家与材料科学家则比较清醒他们认为Drexler的预言不过是一些稀奇古怪的说法而已。要想制造出能够使冷冻的大脑从定格状态下复活转来的纳米级机器人，现今的科学技术离这目标还有十万八千里之遥(本期刊登了Drexler及批评他的人——包括诺贝尔奖得主Richard E. Smallwy——所写的文章。)Zyvex(一家软件巨头在Drexler式的纳米技术的诱惑下所创办的公司)已经注意到，打造纳米尺度上的机器人真正是难于上青天。该公司现在集中力量开发比纳米机器人大得多的微机械元件，而Drexler在他的著作中对这类器件是不屑一顾的。

即使把关于灰雾问题的各种想入非非的议论撇开，纳米技术领域也还面临着自身凝聚力的问题。这个领域的某些研究即使不冠以“纳米”的头衔，本来也是要继续进行下去的。把“纳米”与“技术”揉合在一起，不过是在事后贴个标签而已。拿IBM公司来说，无论它建造巨磁阻磁头的研究工作是否被贴上“纳米技术”的标签，这项工作照样要进行下去。

纳米技术如果想使自己成为一门把各种实用科技完美结合、融为一体的大一统技术，它就必须证明实现各种截然不同的研究领域的联姻大有用处。从事防晒剂纳米粉末研究的科学家和工程师们与从事DNA计算研究的科学家和工程师们是否可以有相同的爱好呢？在某些情下，这种相互结合取长补短的美梦可能真的有其道理。半导体量子点就是这类跨学科综合性研究方针的一个颇有说服力的证据：量子点最初是为电子器件开发的，但现在它也用来检测细胞的生物活性。

如果纳米现念能够凝聚为一个统一的整体，它其实就有可能为一场新的工业革命奠定基础。但是，要想取得成功，它就必须左右开弓，一方面抛弃那些担心纳米机器人会使冰冻僵尸死而复生的胡思乱想，另一方面也要抛弃那些可能使大规模筹集资金的努力误入歧途的过份狂热的炒作。最重要的是，必须加强基础纳米研究，以确定哪些纳米技术值得我们去攻关。在这段漫长的探索期中，区分哪些是切实可行的东西，哪些是异想天开的好梦，始终是项非同小可的任务。

【武晓岚／译 向俊／校】