纳米技术的未来不是梦

夏威夷，维里亚——从2001年10月28日～30日，大约150名研究人员聚集在这里研讨纳米科学新近的重要进展，与会者聆听了人类在操纵纳米物体以及提高光学数据存贮方面所取得的成就——一位年轻的科学家给我们以这样的希望，那就是纳米技术的未来不是梦。

打开纳米工具箱

如果你曾经试图用钝镊子拾取碎片，那你就能体会到纳米技术专家所面临的挫折了。到目前为止，人们仍然更擅长于弄脏微小物体，而不是把它们搬走。但在夏威夷会议上，纳米专家宣布了两个（对于希望操纵纳米尺度物体的人来讲）重要的进展：一套度身制作的纳米镊子和一件能够连续移动并且步幅只有2纳米长的操作平台。

加利福尼亚大学伯克利分校的电子工程师麦丁 · 西蒂（Metin Sitti）认为，这两项技术合起来为将来能够在纳米世界里操纵物体奠定了基础。西蒂说：“这是纳米操纵领域一个非常激动人心的时刻。有许多研究小组在这一领域取得了进展。”

一个由丹麦技术大学的彼得 · 玻吉尔德（Peter Boggild）领导的小组报告说，他们用一项新的技术可以为用户定制纳米镊子，这种纳米镊子几乎可以完成任何一项纳米抓取任务。他们的这种微型镊子并不是第一个能在纳米尺度上操纵物体的工具。1999年，哈佛大学的化学家查尔斯 · 李玻尔（Charles Lieber）及其同事通过分散于玻璃吸液管末尾处的电极顶端系上一对碳纳米管制造了一套纳米镊子，通过给电极施加不同的电压，能够让纳米管臂捏取和释放物体。但是采用这项技术会在镊子顶尖处产生一个大的电场，电场会改变所操纵物体的性质。而且，镊子的两臂每次都必须合在一起，使得操纵纳米物体的过程变得相当迟钝和乏味。

在李玻尔的基础上，玻吉尔德小组开始着手解决这两个问题。他们首先使用了标准的显微机械加工，其过程把一小片硅雕刻成一个看似微型钳子的东西（它的两个臂的末端突出于硅片边缘），然后在三个电极上加电压，其中一个加在钳子两臂之间，一个加在任何一个钳臂上，通过调节电压的大小，他们可以控制钳子悬臂的合拢和分离。

为了把微型钳子变成纳米镊子，玻吉尔德小组使用扫描电子显微镜中的电子束在每个悬臂的末端制作微型镊臂。在真空腔中，电子束打碎了正对的碳氢化合物分子，使得碳在电子束的焦点处堆积。通过仔细地引导电子束，这个研究小组一直让镊子的双臂合拢在一起，直到末端达25纳米的时候才把它们分开。而且，最初的显微机械加工过程还可以批量生产电极驱动的钳臂。西蒂认为，这项工作是一个“纳米结构制造领域的一个真正好的例子。”

但是，纳米镊子的制造只是在纳米世界里操纵物体，而关键的挑战在于把它们移动到你想让它们去的地方。为了达到这一目标，日本东京技术学院的茂林高和栗林实会同京都松下高等电气技术研究实验室的昭枝胜彦研制成功了一种新的“步进驱动器”，这种驱动器利用晶体底层内部的声波来轻轻地推动其内部的一个小平台。栗林实在改进这种驱动器的研究已经进行了许多年，最新的模型已经把步长减小到了原来的十分之一，仅仅只有2纳米长。

马里兰州美国国家标准和技术研究所的物理学家罗伯特 · 夏尔（Robert Shull）称，这种超精细平台是“一项可以使得在纳米尺度上操纵物体成为可能的技术。”它还是一个可以与纳米镊子配合使用的装置。夏尔说道：“所有这些纳米操纵器都将能够以这种步长移动。你所要做的就是让这种移动可以控制，而这看来已经实现了。”

纳米导线

刚刚过去的一年是玛丽安吉拉 · 李珊缇（Mariangela Lisanti，见图）非常快乐的一年。2000年12月，她以揭示电子镖怎样通过只有几个原子粗的导线的工作而在西门子西屋科技竞赛中取得了桂冠，并且获得10万美元的大学奖学金。2001年3月，同样是因为这项工作，她又获得了10万美元奖学金，并且在英特尔科学才能大赛中获得十佳称号。而且，她还应邀去白宫访问，其间还受到了乔治 · 布什总统的接见。5月，她又在英特尔国际科学与工程展览会上获得了好几项奖励，其中包括应邀出席在斯德哥尔摩举行的2001年度诺贝尔奖的颁奖典礼。10月，她又在这里与其他几位著名的纳米技术专家，包括1996年诺贝尔奖得主理查德 · 斯莫利（Richard Smalley）一道在会议上作大会发言。对于一位仅仅是哈佛大学的一年级学生来说，她的发言是非常不错的。IBMT · J · 沃森研究中心（位于纽约州的约克城）的一位纳米技术先驱费顿 · 艾佛里斯（Phaedon Avouris）说道：“她给人的印象很深刻。”

李珊缇谦虚地说，这些荣誉的获得是她始料未及的。但是她身边的人或许早已猜到了她有这么一天。当李珊缇还在斯黛坡高中（位于康涅狄格州的西点市）念书的时候，她曾在毕业典礼上作告别演说，她是数学小组的组长，学校工程小组的创始人和组长，以及室内交响管弦乐队的首席小提琴手。李珊缇能讲一口流利的意大利语和西班牙语，与她在科学竞赛中屡屡获奖一样，她在语言竞赛中也获得过很多奖励，她曾经获得过康涅狄格州的最高学术荣誉——州长学者称号。

李珊缇一直梦想有一天能够获得科学博览会奖。为了实现这一梦想，多年以来她一直坚持不懈地为之努力奋斗。她所就读的高中没有太多的实验设备，因此，她请求她的老师们为她推荐能够指导她的教授。在经历好几次拒绝之后，1999年她与耶鲁大学的电子工程系主任、分子电子学先驱马克 · 里德（Mark Reed）教授联系上了。里德承认：“实际上，我最初是不同意的，但是经过短暂的交谈之后，我就确信她是能够做好的。”

1997年，里德小组对通过单个分子的电流进行了首次测量（Science，1997年10月10日），并成功地研制出超细金导线，他们把其折断，然后用化学方法在间隙中堆积镶金的分子。在这种条件下，电子的流动不再像在粗的导线中那样混乱。相反，它们一个接着一个，以一种非常有序的方式在导线中穿梭，从而表现出其内在的量子本性。

里德的这项技术对于金属金非常有效，但是要试验其他金属，就很费力和困难了。李珊缇说道：“我们试图开发一项使用其他金属的新技术，以收集更多的数据。”

因为要测量电极，每个纳米导线对都需要保持连接状态，所以里德给李珊缇出了一道难题，让她提出一个机械方案以重复打开和关闭纳米导线对之间的连接。经过一番思考，李珊缇建议利用陶瓷结晶的微小振动（人们已经把它利用于门铃上来产生声音）来驱动小平台的运动从而移动导线让它闭合和断开。里德对此大加赞许。此后李珊缇每天夜以继日地工作，一个夏天过后，终于让装置运转了起来。

李珊缇说道：“当导线分开时，中断并不是突然的。因为它们只有一个原子那么大，所以你可以发现导线之间的电子流是量子化的。”这台装置不但适用于各种不同的金属导线，而且它的速度很快，李珊缇可以在短时间内对纳米导线之间的电子流进行几百万次测量。实验的次数被证明是至关重要的，因为在接合点处，单个原子的位置并不是完全相同的，所以每次的测量都会得到稍许不同的结果。

李珊缇发现了一些令人惊奇的现象。其中最令人吃惊的要数——当两节导线仍保持相对完整并包含大量的金原子时在金纳米导线之间所表现出的导电特性了。虽然人们预期，随着连接邻近导线的原子数目的增加，导电性能会以线性方式增大，但是李珊缇却发现导电性能是跳跃式增大的，而且跳跃间隔非常规则。这一现象暗示着，在这些金原子中有某些“不可思议的原子”比其他原子更具导电性。于是李珊缇和里德设想，这些不可思议的原子与某些稳定的结构有关，在这些结构中金原子是完全被相邻原子包围着的。相反，初步的结果显示在银纳米导线中不存在这样的稳定孤岛。

李珊缇希望某一天能继续跟里德合作来进行她的实验，以弄清她所发现的现象在一般情况下是否会发生。但是在结束夏威夷和斯德哥尔摩的旅行之后，她目前所急需要做的就是努力适应大学校园里的全新生活。

为数据存贮指明方向

工程师对在DVD光碟上压缩更长的电影的希望遭遇了强大的挑战：这需要克服光的物理极限。DVD影碟机是利用激光来照射塑料碟片上的每一个微小的点来工作的。但遗憾的是，研究人员最小只能把这些点做成400纳米那么大，再小，透镜和光学探测器就不能看见它们了。这是因为衍射将会发散光线，而把图像弄模糊。

在过去的10年中，科学家们已经开发出了一项专门技术，称为近场扫描光学显微镜（NSOM）。通过把探测器的光圈靠近表面，从而光线没有足够的空间发散，这项技术可以识别出小到100纳米的点。但是这种显微镜收集光的能力很差，它们要在快速旋转的碟片上寻找某一点需要很长的时间，这使得它们对于数据存贮来说是毫无意义的。

在夏威夷会议上，一个由新泽西普林斯顿NEC研究所的凯里 · 派勒林（Kelly Pellerin）和Tineke Thio领导的研究小组报告了一个方法，它能解决NSOM读取速度慢的问题。这个小组研制成功了一种专门设计的光圈。这种光圈能非常有效地会聚光线，从而能把光的传输能力提高150倍。NEC公司的研究人员称，他们正在设法改进技术以把光的传输能力提高1000倍。在此速度下，NSOM就可以用于数据存贮了。斯坦福大学（位于加利福尼亚州的帕洛阿尔托）的扫描显微镜专家开尔文 · 奎特（Calvin Quate）说：“这是一个非常诱人的思想。”如果这一改进真的能够得以实现，“那将是极其重要的。”

NEC的聚光罩利用的是一个被称为表面等离子体共振的电学效应。当有光照射在金属的表面时，这种效应就会发生。在适当的条件下，光会使得金属中的电子来回振荡，而振荡的电子能够戏剧性地增大薄膜中小光圈边缘上的电磁场强度，从而有利于光线的通过。1996年，NEC公司的托马斯 · 爱伯森（Thomas Ebbesen）及其同事指出，通过在金属薄膜上穿一排精确安排好的小孔来增强电子的共振，他们可以把光通过薄膜的速度提高1000倍。

在当前的工作中，爱伯森（现在法国斯特拉斯堡路易斯 · 巴斯德大学（ULP）与ULP的亨利 · 李瑞克（Henri Lezec）以及NEC公司的Thio及其同事一道，想看看能否找到一个相似的方法来增加通过单个小孔的光（这将很容易与NSOM相结合）。为此，研究人员在银膜上的一个400纳米宽的小孔周围布满连续的褶皱环，整个薄膜看似一个微型公牛的眼睛。当这些褶皱与波长大约为800纳米的光线相撞时，它们会产生明显的电子共振效应，从而使光线更容易穿过。与没有褶皱的光圈相比，光线的穿透能力能增大150倍。Thio认为，这仍然不足以让NSOM识别旋转DVD碟片上的小点。但是她补充说，他们小组已经在设法用一个看似矛盾、实际上却可行的方法来提高光线的穿透能力：减小光圈的尺寸可以增加穿过的光线数目，因为这样会增大小孔周围的电场。

NEC小组仍然没有能够在NSOM的末梢研制出这样的结构。但是派勒林说道，这是另一个处于计划之中的工程。如果它真的得以实现，那DVD的存贮容量会比现在的增大50倍。这是好的消息，而坏消息是，这意味着大家将不得不买新的播放器来使用他们了。

[Science，2001年11月16日]