纳米技术带来了许多有用的新材料和新工艺，这给我们留下了十分深刻的印象。但这一领域中最宏伟的梦想，不论它是美梦还是恶梦，却仍然没有成为现实——

纳米热后的冷思考

2000年9月，科技政策专家、纽约哥伦比亚大学副教务长迈克尔 · 克罗（Michael Crow）在一次讨论“纳米技术将对未来产生什么影响”的会议上作了一段演讲。在演讲中，他问与会的著名专家和政府首脑：“你们当中有多少人阅读过《钻石时代》这本书？”《钻石时代》是科幻小说家尼尔 · 斯蒂芬森（Neal Stephenson）的作品，它描述了在不远的将来，由于纳米技术的进步，人们能够从根本上把原子一个一个地结合在一起，制造出任何东西，而从无穷多种选择中筛选出文明分支的任务则交由社会来完成。问题提出后，有些人把手举了举，然后又迅速放了下来。毕竟，这些人不是天真的空想者，而是从事纳米技术研究的专家。

克罗并不是要推销这本书。他说，他鼓励研究人员在人们刚刚开始开拓一个领域的时候去思考他们在其中的特定位置，更何况，在座的大多数人都认为这一领域将会在下一个世纪中取得重大的突破。但是很明显，克罗提出的这一问题触动了人们的神经，纳米技术从一开始就被各种虚构的东西所支配，不论它们是吹得天花乱坠的广告宣传，还是本意稍好一些的愿望。科幻小说家已经凭空臆造出了许多种舒适的生活方式，在这些虚构的生活方式中，有一种纳米机器人，别看它的块头不大，但是它们能够做从建造闪闪发光的城市到进行冠状动脉扩张手术的一切事情。与此同时，一些研究人员也在努力地工作，去描绘各种微型齿轮和活塞的蓝图（如果有人能够指出怎样去装配成千上万个原子的话，它们就可以组成纳米机器），虽然这些蓝图能给人以深刻的印象，但是它们同样是虚构的。

一些对纳米技术持消极态度的预言家大胆地预测纳米技术将给人类带来毁灭性的灾难，并且呼吁人们或者停止这一领域的研究或者制定新的指导方针以确保研究人员不会在无意之间将这个星球上的生命毁灭。随着这股潮流，还出现了许多有关的灾难性小说。新泽西普林斯顿大学的科学史专家爱德华 · 坦纳（EdwardTenner）说道：“纳米技术似乎有这样一种奇妙的性质，那就是人们对它的预计不是过分乐观就是过分悲观了。”

实际上，许多从事微观物质研究的科研工作者都对纳米工厂这一提法感到极度不安，甚至对有关成批制造各种简陋的纳米器件的提议也觉得不妥。他们认为眼前的困难已经够大的了。位于加利福尼亚州圣何塞市的IBM艾尔马登研究中心的唐·艾格勒（DonEigler）说道：“纳米技术是一个幻想，是一个希望能在几个原子的尺度上进行加工和制造的幻想。”至于现在，他认为“纳米技术还不存在。”

然而，即使是最精明的纳米科学家也不得不承认，“他们的纳米世界”（不论怎样称呼它）是在不断发展的。人们在操纵纳米材料方面的进展，已经导致了电脑数据存储器、太阳能电池以及充电电池等方面的巨大进步。电脑磁盘驱动器是依靠控制各层材料的厚度（其厚度处于纳米的数量级上）来工作的，然而仅此一项，每年就有几十亿美元的市场。由于看到这一领域的光明前景，美国仅在各个大学中就大约成立了十几个纳米技术研究中心。欧洲联盟已经出台了包括纳米网络计划在内的好几项纳米技术计划，纳米网络包含18家从事合成纳米材料的研究中心。日本、新加坡、中国、澳大利亚、加拿大、德国、英国以及俄罗斯等国都在花大力气发展纳米技术。

2000年10月，美国国会通过了克林顿政府提出的为新的国家纳米技术计划追加投资的请求。2001年，这项计划将投入4.23亿美元用于纳米科学，而且以后会更多。在日本，纳米技术基金明年将飞涨41%，达到3.96亿美元。几个欧洲国家也同样决定加大纳米技术研究的资助力度。

一些美国专家希望资助的热情能够持续一段时间以促进美国整个物理学研究的进步。我们知道，美国国会决定在5年内把美国国立卫生研究院用于生物医学研究的投资额度翻番的计划已经实施3年了。白宫的技术经济专家汤姆 · 凯利（Tom Kalil）认为，“国家对物理学和工程学的资助已经停滞不前好一段时间了。”他说：“我们把纳米技术当作国家增加对物理学和工程学研究的一个突破口。”

诺贝尔化学奖获得者理查德 · 斯莫利（Richard Smalley）甚至认为：就像以前太空竞赛激励了一代人从事科学研究一样，这一新兴领域还可以改变目前选择科学作为职业的学生数量长期滑坡的状况。斯莫利说：“正是前苏联发射的那颗人造地球卫星使我走上了科学研究的道路。在纳米技术带来的所有影响之中，最重要的（也是我最希望看到的）就是有越来越多的美国青少年喜爱上了科学。”

纳米技术正在蓬勃地发展着，面对这一发展形势，人们的期望值也越来越高。凯利认为：“这一领域的发展具有巨大的潜在价值，其重要性决不亚于电子学和晶体管的发展。”在1998年国会举行的一次听证会上，总统科技顾问、前国家科学基金委员会（NSF）主任尼尔 · 莱恩（NealLane）说道：“如果问我未来哪一个科技领域将最有可能取得突破，我将毫不犹豫地回答是纳米科技领域。”

但是，要把纳米技术的美好未来从幻想变为现实，我们还需要克服许多令人生畏的困难和障碍。在实现了操纵原子之后，纳米科学家必须要找到一条能够大量制造纳米器件的方法，并且把它们与周围更大的宏观系统集成在一起。纳米技术是一门交叉学科，它需要不同领域的专家在一起进行充分的合作。而且在研究过程中还会大量地出现各种不同的学术观点而引起争论，这些问题也都要一步一步地加以解决。

纳米技术：新的榔头

当然，纳米技术在纳米材料的伪装下，已经出现很长时间了。在过去的100年中，轮胎公司通过在橡胶中添加被称为碳黑的纳米碳颗粒来增强汽车轮胎的抗老化能力。而不论是细菌还是甲壳虫，生命体都是依靠基于蛋白质的纳米机器来完成从抽打鞭毛到伸缩肌肉等各项功能的。

今天，“纳米技术”这一术语，广泛地讲，就是指纳米尺度上的新材料技术。这个尺度范围在1纳米到100纳米之间（1纳米为10亿分之一米）。因为从包含几个原子的原子团到蛋白质基马达的许多物质结构都处于这一尺度范围内，所以化学家、物理学家、材料学家以及分子生物学家都宣称自己在这一领域占有一席之地。这样一来，纳米技术就成了科学上的罗夏（Rorschach）污点：它包含些什么完全取决于你问的人是谁。

美国国防部纳米技术顾问威廉 · 托尔斯（William Tolles）说道：“纳米技术是一个含义极其丰富的术语，它能在我们掌握某些非常有用的工具之前，为我们考虑许多我们正在做的事情。”匹兹堡卡内基 · 梅隆大学研究技术发展的经济学家莱斯特 · 雷伍（Lester Lave）补充道：“对于一个手里拿着榔头的5岁儿童来说，世界看起来像一个钉子一样。纳米技术就是一把榔头，而纳米技术专家则正在环顾四周，寻找着他们可以敲打的东西。”

80年代早期，人类在操纵原子方面取得了突破，这大大地加速了那把榔头的发展。1982年，IBM公司瑞士苏黎士实验室的物理学家海因里希 · 罗勒（Heinrich Rohrer）和格尔德 · 比宁（Gerd Binnig）建造了一台新型显微镜，称为扫描隧道显微镜（STM），它能分辨一个个原子。罗勒和比宁建造的这台STM具有一个非常尖的探针，它和被测材料的表面原子之间存在着微弱的电流，通过跟踪这一电流的变化，研究人员能在原子的水平上探测到探针在材料表面的运动路径，并且得到原子表面的图像。

紧接着，还出现了其他一些成像工具。1985年，比宁与斯坦福大学的电气工程师卡尔文 · 奎特（Calvin Quate）合作，建造了一台原子力显微镜，它不用导电就可以看到表面的图像。后来，人们还对这种显微镜进行了改装，以用它来测量原子的磁性以及化学性质。

不久以后，研究人员就使用他们的新工具实现了从看见原子到操纵原子的飞跃。1990年，艾格勒和同为IBM公司艾尔迈登研究中心的埃哈德 · 施维泽（Erhard Schweizer）使用STM在镍金属的表面上把35个氙原子排列成了“IBM”的字样。这是科学家第一次通过操纵单个原子制造的东西。从那以后，艾格勒及其同事接着又制造了一系列原子围栏，它们揭示了原子以及原子周围的电子都具有类似于波的性质。艾格勒说道：“跟研究本身的要点相比，看见处于量子态的电子似乎具有更大的心理作用。”

这种心理作用的一部分就在于，它使研究者相信，他们有能力利用单个原子做出许多事情来。这一思想还在继续发展着。1999年，加州大学欧文分校的化学家和物理学家威尔逊 · 胡（Wilson Ho），向世人展示了他的绝活，他可以利用STM来形成铁原子和一氧化碳分子之间的化学键。还有一些研究者，他们已经使用过类似的技术来改变硅片表面上硅原子的化学性质，从而使之成为晶体管的重要部件。

现在的技术早已超出了操纵原子的水平。人们在材料合成方面已经取得了突破性进展，这使得研究者有能力在纳米尺度上控制各种材料的大小和形状。沿着这条思路，研究人员发现，在许多情况下，由于纳米材料的比表面积很大，它们具有普通材料所不具备的独特性质。例如，用镉硒化物半导体制成的纳米晶粒，它们能在不同的晶粒尺寸下，发出不同颜色的荧光。利用这一性质，研究人员已经利用它们作为生物学实验中的荧光“染料”了。而且，有好几家公司在相互竞争，准备把这项技术商业化。

纳米颗粒具有很大的比表面积，这也使得它们可以作为理想的催化剂，它们表面上的原子能够加速化学反应的进行。例如，大块金子在室温下是不起化学反应的，然而3～5纳米的金颗粒却能够促进许多常见化学反应的发生。目前一家日本公司已经把这种金颗粒商业化，制成了洗手间用的“除臭剂”。

目前人们还在继续寻找纳米材料的其他增强特性。许多公司都在试验怎样在普通塑料中添加一些纳米颗粒来提高塑料的强度和抗冲击能力。人们还正在开发怎样用纳米探针来探测诸如炭疽这样的生物武器。纳米碳管是一种微小的麦杆形分子，它的宽度大约只有一个纳米。人们发现纳米碳管跟金属或半导体相类似，其性质取决于本身的几何形状。现在，它已经被用于诸如晶体管和二极管这样的电子元件中了。

现实的差距不容低估

对于大多数基于纳米的应用研究来说，取得进展的关键很简单，那就是想办法让每一个纳米颗粒或者尺寸精细的材料层在添加到最终的塑料或者太阳能电池中的时候，都具有相同的电学、光学和力学性质。这样的简单产品已经在市场上找到了它们的位置，由于制造工艺相对简单，所以此类产品总能占据最大的市场份额。

然而，纳米技术的大部分应用都牵涉到纳米材料的更加精密复杂的应用，比如电子装置和微型化学传感器等。目前的困难是，在大多数情况下，我们很难找到一个办法，把个别的演示方案变成实用的生产技术。哈佛大学的化学家乔治·怀特塞德（George Whitesides）认为：“纳米技术是一个深深地受到还原论影响的领域。”他说：“我们可以在原子这样的基本层次上对物质进行分解和再装配。”但是他警告研究者，不要过于认真地去对待那种能力。“我们必须要确定我们有没有在这样的关键问题上犯了错误。”

怀特塞德的观点是：虽然我们可以操纵单个原子，但是大规模地这样操纵多个原子则要困难得多。例如，1998年，一个由荷兰代尔夫特技术大学的希思 · 戴克尔（Cees Dekker）领导的研究小组报告说，他们制造出了世界上第一个用纳米碳管作为核心元件的晶体管。这种晶体管的工作状况表明，它的性能能够达到甚至超过通常的硅晶体管。但是IBM公司纽约托马斯J · 华生实验室主管物理学研究的汤姆 · 泰斯（Tom Theis）认为，“这里还存在着一个问题”，那就是，用几百万个这样的晶体管来制造计算机芯片，“是完全不可能的”。

可制造性问题仍然是纳米技术的一道难题，对于制造纳米机器来说，情况更是这样。约翰 · 希利 · 布朗（John Seely Brown）是加州著名的施乐Palo Alto研究中心主任，他在一篇提交给NSF会议的研究论文中写道：“纳米技术目前还仍然几乎完全停留在制图板上。”纳米机器的两个主要支持者、拉尔夫 · 默克莱（Ralph Merkle）和K · 埃里克 · 德雷克斯勒（K. Eric. Drexler），他们建造了功能强大的纳米CAD工具，并且对纳米机器的设计进行了模拟。布朗对此指出：“虽然模拟的结果表明，在理论上设计纳米器件是可行的，但是理论上的可行性和实际可行性是两件截然不同的事情。并且到目前为止，仍然没有人能够详细地提出一个能够从实验室的模拟结果或者从已经用化学方法构造出的极其简单的纳米器件向实用器件转化的方案来。”

但是有人争辩道，虚拟研究也并不是一点用都没有。美国宇航局艾姆斯研究中心（加利福尼亚）的计算机纳米设计小组组长迪派克 · 斯里瓦斯塔瓦（Deepak Srivastava）认为，即使纳米齿轮和纳米活塞还一时不能制造出来，但是，计算机设计仍然能够帮助实验工作者分清哪些是值得他们寻找的。“如果思想确实是建立在真实的物理学和化学之上的，那么人们就不得不去了解真实的可能性了。”

当然，实验科学总是在不断扩大可行事物的范围。怀特塞德和普林斯顿大学的斯蒂温 · 周近来提出了一个新的橡胶冲压方法，采用这种方法，我们能够在材料的表面上刻出大小仅有10纳米的图案来。这大大低于目前在计算机芯片制造业中广泛使用的照相平版印刷技术所面临的200纳米极限。当然，这种冲压技术本身也有缺陷：它在三维情况下对多重材料的冲压还有困难，而这是在计算机芯片制造和各材料层的校准过程中所不可缺少的。

另一个替代平板印刷技术的方法来自于一个刚刚兴起的被称为自组装化学的化学分支。自组装化学的目标就是要设计出这样一种材料，它能够把自身装配成人们所期望的结构。例如，1999年IBM公司的一个由化学家克里斯托弗 · 默里（Christopher Murray）领导的研究小组成功地制造出了大小仅为3纳米的金属颗粒，并且还把它们装配成了一个三维阵列。具有这种结构的材料在将来可以用作计算机的硬盘，其中让每个纳米颗粒都存储一位数据。遗憾的是，这样的成功示例现在还往往只是个别现象。

未来的纳米应用也同样面临着巨大的挑战。即使我们能够大量地制造出某些特殊的纳米元件，研究人员仍然要面临着怎样在材料表面或者其他结构中为这些纳米元件定位的问题。因为只有经过了正确的定位之后，这些元件才能被用于像电子器件和传感器这样的设备当中。对于微型电子元件，研究人员还将面临一个主要的困难，那就是，怎样把它们与宏观世界联系起来。

研究人员还将面临着某些更实际的问题，比如，研究人员之间的相互沟通问题。根据各方面的说法，纳米技术的发展需要各方面的专家相互协作。长期以来，虽然人们也知道应该注意学科间的交叉，一些机构，比如NSF，还特别注意为交叉学科提供研究资金；但是在学术界，各个学科之中还仍然存在着大批思想偏狭顽固的人，这使得在传统学科之间进行研究变得相当困难。印第安纳圣母玛利亚大学研究生院副院长詹姆斯 · 莫尔兹（James Merz）说道：“在我们研究型大学的学术氛围中，仍然存在着许多不利于多学科研究的因素。”

在莫尔兹所指出的各种消极因素中，行政权利的不合理划分是问题的一个主要方面。此外，泰斯还指出，目前在大学的教学计划中，基本上没有设置与纳米技术相关的课程来培养这一领域的接班人，就更不用说设置纳米技术专业、培养纳米技术博士了。莫尔兹认为，虽然这些消极因素不是致命的，但是它们确实阻碍着这一领域的发展。

纳米技术受到这些困难的困扰，其现实必定不如广告宣传的那样美好。NSF负责美国国家纳米技术计划的米黑尔 · 罗可（Mihail Roco）认为：危险在于，随着这种理想与现实的差距逐渐清晰起来，人们可能会减少对这一领域的财力支持。从事高温超导技术研究的人都知道，80年代中期，有一家企业拼命地想实现宣传中的超导体，但后来却不了了之。但是，斯里瓦斯塔瓦认为，纳米技术跟超导技术这样一个影响力有限的狭窄领域不同，它有可能从它广阔的应用范围中受益。他说：“因为它的应用范围非常广，所以它的机会也相当多。”

[Science，2000年11月24日]