分子大小的机器将引发下一场工业革命
几个月的，密歇根大学生物纳米技术中心的一群科学家来到了美国陆军犹他州的德格韦试验场。他们此行的目的是为了演示“纳米炸弹”（nano-bomb）的威力。这些弹药可不是什么庞然大物，而是分子大小的颗粒，其粗细约为针头的5000分之一，它能摧毁人类的众多微生物敌人，包括含有致命的生物战病毒——炭疽的孢子。
军方对纳米炸弹显然产生了兴趣。在试验中，这种设备的成功率竟然高达100%，证明作为一种抵御炭疽攻击的潜在武器，它同样具有惊人的民用价值。例如，研究人员只要调整炸弹中溶剂、清洁剂与水的比率，就可以为炸弹提供生物编码指令，使它杀死引起流感与疱疹的病毒。确实，密歇根大学的科研小组现正在研制的更灵巧的新型纳米炸弹对目标极具选择性，它们能够趁大肠杆菌、沙门氏菌或李氏病菌到达肠内之前进行攻击。
硅手指
2000年4月，IBM宣布了一种方法，即利用DNA为一种长有人体头发1/50细的硅手指的简陋机器人提供动力。这类设计大约在10年内能跟踪并摧毁癌细胞。康奈尔大学的研究人员也开发出了一种分子大小的马达，它由有机物与无机物成分混合制成。在1999年9月的试验中，这台机器的转子以每秒3至4转的速度旋转了40分钟。如果加以进一步开发，这类马达将能够抽吸液体、开关阀门以及为一系列广泛的纳米大小的设备提供动力。
这类发明与产品仅仅是许多观察人士预测的一场新工业革命的开端，这场革命是因人类一次操纵一个原子或一个分子的能力日益增强而促成的。纳米技术的名字来自计量单位纳米，一纳米仅10亿分之一米长。美国国家科学基金会的纳米技术高级顾向米黑尔 · 罗科（Mihail Roco）说：“因为纳米技术，我们在今后30年中看到的我们这个文明世界发生的变化，将比整个20世纪期间出现的还要多。”
为了研制这类设备，科学家们正在利用一系列从生物工程、化学与分子工程借用而来的众多技术。这类技术包括模仿人体DNA的工作机理：不仅为细胞提供生物编码指令序列以便自我复制，还指导它们如何将单个分子组装成新材料，例如头发或乳汁。换句话说，许多纳米技术结构会自我建造。
组装一个个原子
人们受纳米技术的鼓舞可以追溯至已故的物理学家理查德，费曼（Richard Feynman）在1959年所作的一场题为《底层还有许多空间》的演讲。时任加州理工学院教授的费因曼向同行提出了一种新概念，从石器时代开始，无论是磨尖箭头还是蚀刻硅芯片，人类的所有技术需要每次把无数个原子削成或合成有用的形状。费因曼问道：如果采取另一种方法，即开始使用单个分子或者甚至原子，然后把它们一个个组装起来以满足我们的需要，那将会怎么样？费因曼强调：“就我看来，物理学原理与一个原子又一个原子地操纵物体这种可能并不相违背。”
40年后，西北大学耗资3400万美元的纳米技术中心的化学教授查德 · 默金（Chad Mirkin）利用一种纳米大小的设备，将费因曼的大部分演讲内容蚀刻到了一层约烟雾微粒大小的表面上。毫无疑问，费因曼会把这个业绩作为证据。但科学的发展道路并不总是一帆风顺的，而且也不是没有争论。
确实，纳米技术的迅速发展引起了一些科学家的忧虑。去年4月，太阳微系统公司首席科学家比尔 · 乔伊（Bill Joy）在《连线》杂志上发表了一篇论文，从而引起了轰动。该文警告：若使用不当，纳米技术的破坏性可能比核武器还大。受早期颇有争议的纳米技术理论家埃里克 · 德雷克斯勒著作的影响，乔伊预言：有朝一日，大量能自我复制的纳米机器人会很快失去控制，把地球上的整个生物量几乎减少至零。乔伊认为应该禁止某些研究项目，不过他承认自己也不知道应如何制订这些禁令，因为这不是技术问题，而是伦理、政治问题。
但早期的回报已经初现。例如，计算机生产商利用纳米技术研制年产值达340亿美元的硬盘驱动器市场中的一种关键部件“读磁头”，极大地提高了计算机扫描数据的速度。另一种常见的产品：施库尔博士牌的抗真菌喷雾剂也含有纳米大小的氧化锌微粒，可以减少罐头内气雾剂凝结的可能。纳米微粒还有助于生产更耐磨、更耐用的汽车蜡与地板蜡和不大可能起划痕的眼镜。这些例子表明，纳米技术的一个巨大好处就是能够造出自然界没有或者无法通过传统化学方法获得的具有新特性的材料。
为什么纳米技术会突然加速发展？重要突破是在1990年出现的。当时IBM下属阿拉梅登研究中心的研究人员随意重新排列单个原子的工作获得成功。研究小组利用一种名叫扫描探测显微镜的设备，慢慢地移动35个原子，最后拼成了三个字母的IBM徽标，这就证明了费因曼当时的预测是正确的。整个徽标不到3纳米宽。
没多久，科学家们已不仅能巧妙地处理单个原子，还能用它们来“喷漆”。科学家们利用一种名叫分子束外延的工具，学会了研制特殊晶体的特细薄膜，每次建一个分子层。这项技术今天被用来研制用于计算机硬盘驱动器的读磁头部件。
仿效大自然
纳米技术的下一个发展阶段将会仿效大自然。例如，像鲍鱼这些动物体内就有细胞马达，它们把课堂粉笔中所含的易碎物质与蛋白质和碳水化合物组成的“灰浆”混合生成具有纳米结构的外壳，这种复杂精美的壳异常坚固，连锤子也无法砸碎。利用生物技术与分子工程，人类即将能够复制或者改造这类马达以适应自己的目的。
那么这些灵感来自生物的机器是如何构造的呢？它们常常能自我构造，这显示了大自然名叫自组装（self-assembly）的一种现象。这类生物机器的巨分子具有完全相同的形状与化学结合倾向，以确保一旦它们结合，就会按照预先设计的方式连为一体。例如，构成DNA双螺旋的两条链之相配毫厘不爽，也就是说如果在一种复杂的化学混合物中把两条链分开，它们仍能轻易地找到对方。
这种现象对制造纳米大小的产品很有帮助。譬如在去年，德国一组科学家把建筑材料连接在单股DNA链上，发现这些链彼此找到对方后把各自携带的成分结合在一起，产生了一种全新的材料。
同样，1996年诺贝尔化学奖授给了一组科学家，以表彰他们在“纳米管”（nanotube）方面所取得的成果。纳米管是约人体头发5万分之一粗细的能自组装的碳原子群系。科学家希望一旦成功地将纳米管织成较粗大的股线，所产生的材料其硬度将是钢铁的100倍、导电性优于铜、导热性优于钻石。这种纤维的薄膜有望研制出可再充电的电池，它要比今天的电池耐用许多，而且体积更小。
去年3月，IBM的一组科学家宣布，他们利用自组装原理研制出了一种新的磁性材料。有朝一日，这种材料能使计算机硬盘及其他数据存储设备能够存储比今天的产品多出100倍的数据。确切地说，研究人员已发现了某种化学反应，它导致极小的磁性微粒（每个微粒都包括几千个原子）能够自组装成井然有序的阵列，其中每个微粒与其邻近微粒之间的距离与预先设定的间距完全一样。
其他科学家也偶然发现了重要的新型自组装实体。1996年，西北大学的塞缪尔 · 斯图普（Samuel Stupp）教授在实验室试图研制新型聚合物时，无意中发现了“纳米蘑菇”。斯图普回忆说：“那景观太壮丽了。我马上意识到了其中所蕴含的潜力。”他过去一直在进行试验的分子自发地聚集成了形似蘑菇的超分子群。没过多久，斯图普再次在无意中发现他很容易给这种超分子提供生物编码指令序列，从而形成性能如同透明胶带的薄膜。
与此同时，加州大学洛杉矶分校与惠普公司的研究人员已为世界上第一台分子计算机奠定了基础。研究人员希望最终能够研制出比细菌还要小的内存芯片。如果计算功能像过去的40年那样继续以每18~24个月就增强一倍的速度发展，这类成就是绝对必要的。这是因为芯片上晶体管排列越紧密，芯片的处理速度就越快，而我们在利用硅研制极小的晶体管方面即将临近自然极限。
未来现象
纳米技术的结果会如何？许多未来学家猜测：纳米技术将从根本上改变下一代人类的生存环境。只要一声令下，许许多多有时被称为“多用雾翳”（utility fog）的可编程微粒就会自我组装。结果可能是一瓶经过分子改造的新酒，其味道如同陈年佳酿，或者是一只忠心耿耿的带有开关的生物机械狗。
同时，强度大、重量轻的新型纳米材料也许会使太空旅行成本低廉、容易实现，甚至值得为之操心。如果纳米技术如一些人所预言的，能在火星上造一个类似地球的大气层的话。如果新的“纳米医学"能够无限延长生命，即只要旧细胞死亡，就能一个分子、一个分子地制造新细胞，那么向太空移民也就很有必要了。这一切似乎很难想象。但纳米技术已经产生了足够多的奇迹，使这类远大设想即便不令人惊恐不安，也貌似有理，至少对科学泰斗来说是如此。
[U. S. News & World Report，2000年7月3日]