在线特别报道：让分子发挥作用 - 彭博社

如果你只是随意听听关于桑迪亚国家实验室正在研究的内容，你会认为它浪费了时间在重新发明轮子上：它开发了一种可以行走并搬运和交付货物的机器人。在一个先进的组装和火星着陆的时代，这听起来并不令人印象深刻——除了桑迪亚的机器人是一个分子。

这种被称为马达蛋白的分子，一端有两个小脚，另一端有一个可以抓东西的尾巴。一旦向其所处的溶液中添加一种特殊化学物质，这种蛋白质就会开始沿着宽度为人类头发五分之一的纤维链移动，桑迪亚的研究员布鲁斯·班克负责该项目。

他打赌他的实验可能在迎来制造业新时代方面发挥作用——这是一种类似于从石器时代到今天复杂装配线的飞跃。在这个新世界中，原子和分子将相互吸引并自我组装成组件——然后，也许，组装成计算机或人工器官，纽约罗切斯特大学的研究员本杰明·米勒说。

取得进展。

目前，以这种方式制造如此复杂的东西显然是科幻小说。但自我组装的理念现在就在这里。大自然母亲已经利用自我组装创造和培育生命数千年。人类已经用它制造无皱裤子、香水和银光剂。它还用于微电子学和制造防腐涂层。甚至在制药方面，它也即将起飞，国家科学与技术委员会纳米尺度科学、工程与技术小组的主席米哈伊尔·罗科说，该小组协调联邦政府的纳米技术研究和开发工作。

这就是因为科学家们最近在设计能够以可预测模式自组装的人工分子方面取得了很大进展——这是全球对这类项目的研究资金稳步增加的结果。

国家科学基金会目前赞助的约2000个纳米技术项目中，约四分之一涉及自组装——而纳米技术的资金预计在2005财年将同比增长约20%，达到3.05亿美元，Roco说。通过一个名为国家纳米技术倡议的项目，总联邦纳米技术资金明年应接近10亿美元。

不再不可能。

即使这个数字也可能被私人资金所掩盖。从制药公司如默克（MRK）和辉瑞（PFE）到科技巨头3M（MMM）、IBM（IBM）和惠普（HPQ）都在大力投资自组装。

他们的兴趣很容易理解：自组装可以使制造过程快速且便宜。理论上，人类将能够简单地设计出以所需模式组装的人工分子——然后让自然发挥作用。一个额外的好处是，由于自组装设备将从底部开始制造，因此会减少浪费，加州帕洛阿尔托的前瞻研究所（Foresight Institute）总裁克里斯汀·彼得森（Christine Peterson）说。

或许更重要的是，自组装和分子制造将帮助公司开发使用传统方法无法制造的产品。以半导体制造为例。多年来，晶体管变得越来越小，以便从每个芯片中提供更多的性能。问题是，当前的制造方法正达到其物理极限。

被一个虫子压扁。

所以，在五年内，IBM可能会利用自组装来完成这项工作。去年十二月，IBM展示了一种通过自组装创建的闪存芯片。IBM使用了特殊的聚合物分子，这些分子源自于泡沫塑料和有机玻璃，用来制造尺寸为今天的十分之一的晶体管和连接，Chuck Black说，他领导着IBM的自组装项目。

这种方法的一个主要优势是它不需要进行重大设备改造。聚合物在半导体制造中已经被广泛使用，因此每个自尊自重的芯片制造商都拥有所谓的旋涂工具，IBM利用这些工具来控制自组装。旋涂设备可以被视为一个唱片转盘。聚合物溶液被倒在上面。然后，整个装置旋转，过量的溶液飞出，聚合物层被均匀化。Black解释说，旋转速度控制着最终层的厚度。

所需的设备变化可能肉眼无法察觉。纽约大学的化学教授Nadrian Seeman梦想着纳米机器人小到可以被虫子的脚压扁。他最近制造了一种分子设备，当与某些DNA链放在溶液中时，可以执行半转的旋转。在十年内，Seeman想象，这个纳米机器人手臂可以成为分子生产线的一部分——在一个如此小的化工厂中，它可能坐落在你的桌面上。

发光警报。

自组装还可以帮助重新发明现有产品。一个例子是美国能源部奥克里奇国家实验室正在开发的一种传感器，旨在取代当前繁琐的检查储存放射性废物的储罐的方法。如今，这种测试需要穿着防护服的人使用机器人手臂提取样本。然后样本被送到实验室，检查铯，这是放射性的重要贡献者之一。

这个过程每个罐的成本约为100万美元，耗时几天，实验室的高级研究科学家吉尔伯特·M·布朗说。但自组装可以降低成本和时间。

布朗正在开发一种传感器，可以在几分钟内分析样本，成本约为10,000美元（更好的是，这种传感器可以重复使用）。该设备将包含一层特殊分子的涂层，这些分子会与铯分子自组装。布朗说，放射性水平将通过测量新结构的荧光或传感器上的结构变化来确定。他预测，该设备将在两年左右准备好投入使用。

构建“骨骼”。

也许没有哪个领域会像医学一样因自组装而经历如此多的重塑。这项技术可以大大改善骨科植入物，例如。根据美国骨科外科医生学会的数据，当前植入物的平均寿命约为15年。当植入物失效时，它们通常会断裂或破坏与之连接的骨骼。因为很难让骨骼在通常由钛或陶瓷制成的植入物上生长，普渡大学的专家托马斯·韦伯斯特说。不过，涉及自组装的一个技巧可以解决这个问题。

韦伯斯特开发了一种特殊涂层，由自组装成纳米管的分子组成，这种结构类似于骨骼的结构。他的概念验证实验（动物和人类试验尚待进行）表明，当这种涂层应用于植入物时，骨细胞会将这些结构识别为自己的并在其上生长，他说。实际上，60%的骨细胞会附着在植入物上。

如果这个比例在未来的实验中保持不变，这可能意味着植入物的寿命提高60%——这对患者来说将产生巨大的影响，尤其是那些在20多岁时进行膝盖置换手术的人，他们必须在一生中多次重复手术。

疾病传感器。

自组装还可以导致全新的治疗方法。位于伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学的研究人员设计了人工分子，这些分子形成类似木头的结构，研究人员认为这些结构可以用来创建一块人工脊髓，以帮助瘫痪患者恢复一些活动能力，西北大学化学教授马克·拉特纳解释道。这些木头结构将作为支架，周围的脊髓组织或骨组织可以再生。

罗切斯特大学的米勒正在研究可以自组装成药物的分子，然后感知患病细胞并用治疗方法针对它们。他的分子可以结合导致某些遗传疾病的基因，并阻止它们发挥作用。他表示，这种药物可能在五年内上市。他预测，自组装将改变药物制造的性质。

当然，许多障碍必须克服。药物制造中的自组装仍需证明对人类无毒。此外，还需要经过漫长的联邦审批过程。而且，科学家们尚未学会如何设计合适的分子——并弄清楚如何强迫它们以特定方式组装。

尽管如此，“这个领域发展得非常快，”纽约大学的西曼说。他表示，仅仅一年前，他向学生展示了纳米技术面临的十大主要挑战列表。今天，已经解决了其中三个。他补充道，以这个速度，自组装和分子制造将很快进入商业应用。

作者 奥尔加·卡里夫 在俄勒冈州波特兰