纳米技术：沙粒中的宇宙 - 彭博社

这是一个辉煌的时刻。四年前，在德克萨斯大学奥斯汀的一个化学实验室里，两位教授，布莱恩·科尔格尔和基思·P·约翰斯顿，将一些硅放入一个加压的钛室。他们倒入了一种溶剂混合物，然后将其加热到932华氏度。从这个高压锅中出来的是微小的硅晶体，只有在最强大的显微镜下才能看到。但在这个原子尺度上，硅有些奇特。它并不是通常的沙子状态。远非如此。这些所谓的纳米晶体，当与电流连接时，会发出稳定的光芒。这种光吸引了风险投资家。渴望在这个新兴的微小领域——纳米技术中取得进展，他们资助了一家照明初创公司，InnovaLight Inc.，并推动发明者申请了十几项专利。如今，这家位于奥斯汀西部干燥山丘的新公司正在为市场开发这些晶体。这些微粒与足球相比就像足球与地球一样微小。然而，InnovaLight正在押注，数以亿计的它们最终将照亮家庭和办公室。“我们想要取代灯泡，”InnovaLight首席执行官保罗·瑟克说。

在世界各地的实验室，从研究大学到蓝筹跨国公司，科学家们正在将纳米颗粒——以十亿分之一米为单位进行测量——编织成宏大的梦想。他们看到这些颗粒最终能够靶向并摧毁癌性肿瘤，利用超高效的太阳能电池革命化电力生成，并形成微观疾病监测器的队伍，部署在人体内部。他们在计划着有一天由纳米颗粒构建的半导体将取代硅——并迎来一个足以与人类思维相媲美的计算机时代。甚至还有一个计划，将地球与空间站连接起来，建造一根由超强纳米材料制成的柱子，直伸数千英里。

一个巨大的化学套件

这些超大的雄心对于任何单一技术来说都将是一份令人眩晕的待办事项清单。但这正是纳米的名称引发混淆的地方。将纳米视为一种技术，而不是一种微小的工程尺度。各种奇妙的工具——从原子力显微镜到强大的成像软件——为研究人员打开了原子世界的大门。这为他们提供了一个丰富的宇宙来探索。三个世纪前，科学家们通过第一台显微镜观察到微生物和原生动物的繁忙世界，标志着类似的进步。这使他们走上了现代医学的道路。今天，他们的继承者首次有机会操控物质的基本构件。

未来的工作，承诺将成为21世纪的一个决定性事业，就是逐个原子地重新工程化物理世界。为什么要费心？科学家们每天都在发现，即使是熟悉的材料在被缩小到超微小的颗粒时也会表现得截然不同。将黄金分解成足够小的颗粒，它就会变成催化剂。其他材料则会发光或变成电的超导体。为什么会有这些差异？谜团依然存在。德克萨斯州的科尔格尔表示，虽然科学家们理解电学特性在这些纳米尺寸下会发生变化，但他们仍然在努力理解许多变化——以及更难以预测它们。

结果是，纳米科学家面临着一个庞大的化学套件，里面充满了新材料和诱人的可能性。生物学家、物理学家、化学家和电气工程师有机会在分子层面上发明材料，创造量身定制的金属、织物、组织和膜。“纳米科学就是重新做一切，”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学纳米技术研究所所长查德·A·米尔金说。“一切在微型化后都会是新的。”

可以肯定的是，纳米技术的变革潜力引发了不少炒作。类似的革命，最近在生物技术领域，也仅兑现了其承诺的一小部分。而且，许多纳米项目在实验室和市场之间肯定会遇到困难。例如，InnovaLight试图取代灯泡的计划，只是众多纳米长远目标中的一个。此外，关于纳米颗粒污染环境的担忧可能会激发对新材料的反对，并造成监管障碍。而在体内释放纳米剂的计划，无论是为了消灭癌细胞还是分解糖尿病患者的葡萄糖，必须首先明确证明这些剂不会在体内有害地积累或渗透——天哪，甚至渗入大脑。

然而，即使某些应用失败，时间表失控，研究纳米前沿的步伐也无法回头——现在全球的科学家们都在探索其奇迹。这种退缩就像是在1668年告诉荷兰生物学家安东尼·范·列文虎克把他的显微镜扔进最近的运河，满足于用肉眼观察细菌。此外，整个行业都在寄希望于纳米技术的进步，不仅是为了提升，更是为了拯救。

以半导体为例。几十年来，芯片制造商一直在缩小电路，并在硅片上塞入越来越多的晶体管。这一不懈的过程使得每个芯片的计算能力大约每18个月翻一番，这一预测早在三十多年前就被英特尔公司（INTC）的联合创始人戈登·E·摩尔提出。但摩尔定律可能正面临其极限。

芯片变得非常拥挤。保护超细金属线的绝缘层变得如此薄——在某些地方仅有几原子厚——以至于电子可以穿透它，从而影响性能。更糟糕的是，每个新晶体管都会产生额外的热量。很快会有如此多的晶体管，以至于一些芯片可能会达到火箭喷嘴的温度——并融化。“我们知道前方的道路将在2015年之前保持通畅，”英特尔技术战略总监保罗·A·加尔基尼说。“但到2020年，我们将不得不进入一个新的阶段。”

碳纳米管的出现，成为纳米世界中最接近万金油的东西。13年前由一位日本研究人员发现的这些由碳原子构成的圆柱形细丝，正在成为纳米时代的支柱。它们的强度是钢的100倍，并且可以调节以抵抗电流或高效导电，发热量极少。人们希望纳米管能够提供未来一代半导体的结构和电路。这将为芯片行业带来新的生机。而由此产生的计算能力的爆炸将推动各个科学领域的创新。想象一下建模大脑，将巨大的计算能力植入人工耳朵和眼睛，预测明天龙卷风的路径。

内存爆炸

科技公司刚刚开始拼凑这个愿景。在IBM的托马斯·J·沃森研究中心，研究人员已经组装了原型纳米电路。但他们距离能够为2000亿美元的芯片行业提供动力的大规模技术仍然相去甚远。“从实验室到开发再到生产，有许多海洋需要跨越，”德州仪器（TXN）硅技术开发副总裁维努·梅农说。

在接下来的十年里，期待纳米管在计算中扮演支持角色——首先在内存方面大展身手。在一家名为Nantero Inc.的马萨诸塞州沃本的初创公司，研究人员正在组装一种完全由纳米管构成的高性能内存存储。数十亿个纳米管被像微观意大利面一样撒在芯片上。在这片丛林中，每根纳米管可以捕捉一位数字信息，弯曲形成1，保持平坦则表示0。Nantero公司即将进入制造阶段，最终目标是开发出能够在信用卡大小的空间内存储一太字节数据——1000吉字节，约等于一个市立图书馆的内容——的芯片。

微型化的奇迹将为医学研究人员提供强大的新工具，从微型传感器阵列到嵌入体内的微小药物分配器。这就是纳米生物技术。尽管人们担心纳米剂会失控，但研究仍在快速推进。在加利福尼亚州海沃德的实验室中，QuantumDot Corp.的科学家们正在实验“量子点”——发出不同颜色光的纳米级半导体。通过调整它们的大小和涂层，研究人员可以将颗粒发送到不同类型的细胞。在研究中，量子点详细照亮了猪的淋巴系统，使医生能够轻松识别病变区域。其他人希望利用相同的过程来靶向并消灭癌细胞。

这很有雄心，但还不属于太空电梯的稀有领域。这个想法是，碳纳米管的巨大强度将允许建造一根宽一码、长数万英里的细长支柱。这个支柱将直直延伸，就像杰克的豆茎，远远超出地球的大气层，并与悬浮在同步轨道上的空间站连接。小舱将沿着这根茎上下移动，运送物资，完成现在由火箭发射处理的工作——成本仅为千分之一。

是的，这听起来很荒谬。但得到NASA支持的研究人员并没有笑。他们正忙于研究如何将纳米管编织成线——而这些线可能后来会变成电缆。他们知道，纳米前沿将充满惊喜，其中许多仍超出想象。谁知道呢？如果纳米能够实现今天的几个愿景，从替代硅到抗击癌症，未来太空电梯可能听起来会是一个合理的想法。

作者：斯蒂芬·贝克和亚当·阿斯顿